虛擬樣機(jī)-概述性文章

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1、虛擬樣機(jī)技術(shù)研究及其在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一體化設(shè)計(jì)中的初步實(shí)踐王錦荷梁偉王俊紅馮筠中國(guó)航天科工集團(tuán)六院41所在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，許多先進(jìn)的CAD/CAE軟件得到廣泛的應(yīng)用，CAD/CAE軟件應(yīng)用為提高設(shè)計(jì)自動(dòng)化水平，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量起到積極推動(dòng)作用。但對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)效率的提高并沒有預(yù)期的那么顯著，其原因在于以下兩點(diǎn)：其一，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程是一項(xiàng)復(fù)雜多學(xué)科多用戶協(xié)作的反復(fù)迭代過(guò)程，在提高部門自動(dòng)化水平后，形成部門信息化孤島，發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)效率提高的瓶頸在于不同學(xué)科領(lǐng)域、不同設(shè)計(jì)人員、不同工具及模型之間交互的

2、困難，具體體現(xiàn)在工程師不得不在信息獲取、維護(hù)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的一致性上花費(fèi)大量時(shí)間。其二，在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，工程師所利用的應(yīng)用工具及相應(yīng)計(jì)算模型和數(shù)據(jù)模型極其復(fù)雜，加上設(shè)計(jì)流程本身固有的復(fù)雜性，使得應(yīng)用之間的交互及對(duì)整體設(shè)計(jì)過(guò)程的控制非常困難，設(shè)計(jì)者之間難以交流設(shè)計(jì)情況，使得整個(gè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)效率低下。因此，有必要在固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中引入并行設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)等現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念，以期獲得更高安全性、可靠性，更短設(shè)計(jì)周期、更少設(shè)計(jì)花費(fèi)。1虛擬樣機(jī)技術(shù)傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程，從新產(chǎn)品研制到產(chǎn)品批量生產(chǎn)，需制作多個(gè)產(chǎn)品物理原型，但

3、是物理原型特別是具有產(chǎn)品內(nèi)在功能的原型，其設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、成本高。九十年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)集成制造技術(shù)（CIMS）的迅速發(fā)展，虛擬原型在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造中顯示出越來(lái)越重要的作用。虛擬原型（VirtualPrototype，VP），即數(shù)字化模型（digitalmock-up）是產(chǎn)品物理原型的計(jì)算機(jī)仿真，是根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息或概念描述產(chǎn)生的在功能、行為以及感官（視覺、聽覺、觸覺等）特性方面與實(shí)際產(chǎn)品盡可能相似的可仿真數(shù)字模型。虛擬樣機(jī)（VirtualPrototyping）是建立（Construc

4、tion）和應(yīng)用（Testing）虛擬原型的過(guò)程。包括虛擬原型建模與仿真、虛擬原型設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)及其他支撐技術(shù)如集成設(shè)計(jì)環(huán)境技術(shù)、信息集成技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)等。協(xié)同虛擬樣機(jī)技術(shù)（CollaborativeVirtualPrototyping）是在分布的環(huán)境下，多領(lǐng)域?qū)＜覅f(xié)作建立和應(yīng)用虛擬原型的方法，它是并行設(shè)計(jì)、協(xié)同設(shè)計(jì)與虛擬樣機(jī)技術(shù)的綜合。62　虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)的目的是盡可能逼真虛擬產(chǎn)品的物理原型，因此虛擬樣機(jī)研究具有鮮明的領(lǐng)域特色。當(dāng)前國(guó)際上對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)研究主要集中在以下四個(gè)方向：第一種是面向虛擬現(xiàn)實(shí)的

5、虛擬樣機(jī)，強(qiáng)調(diào)數(shù)字模型在感觀特性方面與實(shí)際產(chǎn)品的一致性，可以通過(guò)數(shù)據(jù)手套、頭盔等對(duì)虛擬原型進(jìn)行實(shí)際操作，驗(yàn)證原型外在特性和內(nèi)部功能及性能等，主要應(yīng)用在消費(fèi)類電子、通訊產(chǎn)品及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，如芬蘭的VTT實(shí)驗(yàn)室研究的手機(jī)虛擬原型。第二種是面向行為、結(jié)構(gòu)仿真的虛擬樣機(jī)，或稱為機(jī)械系統(tǒng)仿真，強(qiáng)調(diào)數(shù)字模型在行為及結(jié)構(gòu)方面與實(shí)際產(chǎn)品的一致性，主要是利用虛擬原型仿真產(chǎn)品的幾何和運(yùn)動(dòng)特性，通過(guò)原型可視化進(jìn)行產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)、布局設(shè)計(jì)、可達(dá)性設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)仿真、裝配仿真等，主要應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域。典型的應(yīng)用是機(jī)械系統(tǒng)仿真軟件Adams。

6、第三種是面向并行工程的虛擬樣機(jī)，強(qiáng)調(diào)從概念、設(shè)計(jì)、分析到可制造性等階段連續(xù)的計(jì)算機(jī)仿真，目的是減少設(shè)計(jì)反復(fù)，縮短產(chǎn)品研制周期，降低成本，主要應(yīng)用在航空航天、船舶等領(lǐng)域，有代表性的實(shí)例是Boeing公司Boeing777客機(jī)和西克斯基飛機(jī)公司的科曼奇武裝直升機(jī)研制，采用虛擬原型技術(shù)后，前者比起以往飛機(jī)設(shè)計(jì)，減少了94%的花費(fèi)，減少了93%的設(shè)計(jì)更改，后者減少了11590小時(shí)飛行測(cè)試時(shí)間，節(jié)約經(jīng)費(fèi)總計(jì)六億七千三百萬(wàn)美元，獲得巨大經(jīng)濟(jì)效益。第四種是面向國(guó)防工業(yè)虛擬采辦的虛擬樣機(jī)。強(qiáng)調(diào)虛擬原型在虛擬環(huán)境中功能與實(shí)際產(chǎn)品的一致

7、性，如美國(guó)國(guó)防部聯(lián)合建模和仿真系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱J-MASS），J-MASS體現(xiàn)了對(duì)新型武器系統(tǒng)研制進(jìn)行全壽命周期管理的思想，是協(xié)同虛擬樣機(jī)技術(shù)在虛擬采辦領(lǐng)域的一個(gè)典型應(yīng)用。３　固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)技術(shù)虛擬樣機(jī)技術(shù)是仿真技術(shù)、信息技術(shù)和各種計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的集成化綜合應(yīng)用，涉及的領(lǐng)域極其廣泛，包括建模技術(shù)、管理技術(shù)、仿真技術(shù)、CAX技術(shù)等。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)屬于上述虛擬樣機(jī)應(yīng)用中的第三種，即面向并行工程的虛擬樣機(jī)，將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)直至可制造性分析的全過(guò)程，以期縮短設(shè)計(jì)周期，降低成本。固體火箭發(fā)

8、動(dòng)機(jī)虛擬樣機(jī)具有其突出的領(lǐng)域特點(diǎn)。３．１　以數(shù)字化產(chǎn)品模型為基礎(chǔ)傳統(tǒng)的建模方法，如二維幾何建模、三維幾何建模、特征建模、集成建模等主要集中在產(chǎn)品幾何信息的描述上，對(duì)虛擬原型這樣的復(fù)雜系統(tǒng)，模型信息和種類大大拓寬了，包含了許多非幾何信息，尤其是系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為信息。這就要求對(duì)這些模型進(jìn)行有效描述、組織和管理，給用戶提供一個(gè)邏輯上一致的公共產(chǎn)品信息模