虚拟模型：机械工程的一门新兴技术 宋培林　(美国 机械动力学公司 psong@adams.com) 　　1997年7月4日，美国航空航天局(NASA)的喷气推进实验室(JPL)成功地实现了火星探测器《探路号》在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。但人们并不知道，如果不是采用了一项新技术，这个计划可能要失败。在探测器发射以前，JPL的工程师们运用这项技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时滚翻并最后六轮朝上。工程师们针对这个问题修改了技术方案，保证了火星登陆计划的成功。 　　福特汽车公司在一个新车型的开发中也采用了这项技术，其设计周期缩短了70天。全公司范围内，由于采用了这项技术，设计费用减少了4千万美元，制造费用节省了10亿美元。由于设计制造周期的缩短，新车上市早，额外赢利达到其成本的数倍。 　　世界上最大的工程机械制造商卡特皮勒公司的工程师们在经过几天培训后，采用这项技术进行装载机和挖掘机的工作装置优化设计及分析，在一天时间内，他们对工作装置进行了上万个工位的运动及受力分析，很容易地实现了理想的设计。回想起笔者十几年前在国内南方一个工程机械厂里，当时的工具只有计算器，每天能算三个工位已算很尽力了。 　　上面三个例子中所采用的新技术，就是本文的主题：虚拟模型技术(Virtual Prototyping Technology，又译虚拟样机技术)。 1 虚拟模型技术：起源及发展 虚拟模型技术是一项新生的工程技术。借助于这项技术，工程师们可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统的设计与过程。 　　任何一项技术的产生及广泛应用都有其原因，其中最重要的是市场的需求和技术本身的成熟程度。虚拟模型技术的起源有其经济背景。 　　随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低成以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。谁早推出产品，谁就占有市场。然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。 　　在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚至是破坏性的。当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计--实验--设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于结构复杂的系统。设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了。样机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争的市场的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量的提高，成本的降低和对市场的占有。 　　如果基于实际样机上的设计验证能象小孩子搭集木一样简单，这个问题便迎刃而解。但复杂的机械系统不可能用集木搭出来。那好，我们让计算机来替我们作。机械系统的运动必须受制于物理规律，我们只要掌握了这些规律并定义了描述机械系统的方法，计算机不仅会象搭集木一样把机械系统组装起来，形成虚拟模型，而且会告诉我们它是怎样运动的。通过计算机的仿真结果，工程师和设计师们便可以评价机械系统的设计质量。 　　虚拟模型技术的应用贯串在整个设计过程当中。它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机里的虚拟模型里，让想象力和创造力充分发挥。当虚拟模型用来代替实际模型验证设计时，开发周期缩短，设计质量和效率得到了提高。 　 　　虚拟模型技术是一门综合技术，其技术背景比较复杂。不同的人对这项技术，因观点和背景不同，所持的看法各有不同，但其看法反应了这项技术的一个侧面，蛮有兴趣： 　　一个小男孩的父亲在一家制造公司用虚拟模型软件进行产品分析，小男孩对同伴讲：“我爸爸工作很快乐，他每天都在玩游戏！”小孩子的话对了一半：虚拟模型技术与他的游戏机都利用先进的计算机图形技术。但不同的是：在游戏机的游戏里，他可以不用力气轻跳过墙；在虚拟模型里，他必须遵守物理规律：如果他劲头不够大，就要载跟头。 　　许多人会认为虚拟模型技术是单纯的运动学和动力学分析软件的别称，这也不够确切。尽管虚拟模型技术的核心是机械系统运动学，动力学和控制理论，但没有成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，虚拟模型技术也不会成熟。所以虚拟模型技术不单纯是外加以层包装的机械系统运动学及动力学分析研究成果。 　　虚拟模型技术在技术与市场两个方面的成熟也与计算机辅助设计(CAD)技术的成熟及大规模推广应用分不开的。首先，CAD中的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上，把绘图等烦燥的工作交给计算机去做。这样设计师就有额外的精力关注设计的正确和优化问题。其次，三维造型技术使虚拟模型技术中的机械系统描述问题变得简单。第三，由于CAD强大的三维几何编辑修改技术，是机械系统设计的快速修改变为可能，在这基础上，在计算机上的设计实验 设计的反复过程才有时间上的意义。 　　虚拟模型技术是许多技术的综合。它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。作为应用数学得一个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效的快速算法。近年来的计算机可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。CAD/FEA等技术的发展为虚拟模型技术的应用提供了技术环境。 　　虚拟模型技术的发展也直接受其构成技术的制约。一个明显的例子是它对于计算机硬件的依赖。这种依赖在处理复杂系统时尤其明显。例如火星探测器的动力学及控制系统模拟是在惠普700工作站上进行的，CPU时间用了750小时。另一个例子是在数值方法上的进步发展都会对基于虚拟模型的仿真的速度及精度有积极的影响。 　　虚拟模型技术，作为一项产业技术，已有20年的历史了。20年前，复杂机械系统运动学和动力学的理论框架已就已搭起，相应的数学方法业已提出。数位学者走出了象牙塔，力图把研究成果商品，使其能为工业界接受。但他们没有想到他们的理论成果不仅被接受，而且变成了一项相对独立的产业技术，改变了传统的设计思想，对制造业产生了深远的影响。 2 虚拟模型技术的应用 　　虚拟模型技术应当属于计算机辅助工程(CAE)的一个分支。隶属于CAE的其它分支有有限元技术等。虚拟模型技术区别于其它分支之外在于它是从系统的层面来分析系统，而与有限元有关的技术分支所进行的是部件的分析。正由于此，虚拟模型技术对设计方法和过程的影响要比有限元技术所带来的影响要大。虚拟模型技术不仅帮助企业缩短周期，降低成本和提高质量，而且改变了产品设计的过程顺序。 　　过去的设计方式是由下到上：从部件设计到整机设计。这种方式的弊端是设计师往往把注意力集中在细节而忽略了整体性能，正象老话讲的“拣了芝麻丢了西瓜”。这种事情在我国常发生，尤其在对国外引进样机的消化上，在整机性能还没吃透的情况下就开始照抄零件。借助于虚拟模型技术，传统设计过程被逆转了。设计过程先从整机开始，按照“由上至下”的顺序进行。这样可以避免代价昂贵的在系统设计方面的失误。例如，当设计挖掘机时，可以根据用户要求，利用虚拟模型技术确定工作装置的参数，优化设计在早期设计阶段完成。对于早期阶段的虚拟模型的仿真结果可以作为零件设计的参考。例如，动力学或静力学分析的结果可以用来指导零件的强度设计。 　　虚拟模型技术已经广泛地应用在各个领域里：汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业。所涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门，天上的火箭到轮船的锚机。在各个领域里，针对各种产品，虚拟模型技术都为用户节省了开支，时间并提供了满意的设计方案。 　 　　除了本文开篇部分所提到的三个例子以外，虚拟模型技术在工业上成功应用的故事还有很多： 　　工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动一直困扰着设计师及其用户。由于工程机械系统非常复杂，传统的分析方法无能为力，找不出原因。约翰·迪尔(John Deere)公司的工程师利用虚拟模型技术对其工程机械产品进行分析，不仅找到了原因，而且提出了改进方案并且在虚拟模型上验证了方案的有效性。通过实际改进，该公司产品的高速行驶性能与重载作业性能大为提高。 　　保龄球的形状通常是圆形对称的。近年来，人们发现非圆非对称形状的保龄球更容易控制，对地板的适应性更好。尽管保龄球的造价不高，但对千变万化的各种形状进行实验也是非常费时费钱的。为此，一家保龄球制造商采用虚拟模型技术，在计算机上不断地改变球的几何形状及指孔分布并进行动力学仿真。其结果不仅缩短了设计周期，而且实现精确地达到了使用者的要求。 　　一家卡车制造公司在研制新型柴油机时，发现点火控制系统的链条在转速达到每分钟6000转运动失稳并发生振动。常规的测量技术在这样的高温高速的环境下失灵，工程师们不得不借助于虚拟模型技术。根据对虚拟模型的动力学及控制系统的分析结果，发现了不稳定因素，改进了控制系统，使系统的稳定范围达到每分钟10,000转以上。 　　有趣的是，虚拟模型技术还用到了法庭上。福特公司专门雇佣一家谘询公司用虚拟模型技术为它进行车辆事故仿真，在法庭上用其仿真结果为自己辩护。最近的一个例子发生在意大利：一位名赛车手在赛车中因事故丧生，其家属起诉赛车制造商，认为事故的原因是赛车的设计缺陷，要求巨额赔赏。制造商借助于虚拟模型技术，说明