虛擬樣機(jī)技術(shù)在全生命周期中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程教學(xué)的理論、方法和方法發(fā)生了很大變化。從計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)的廣泛應(yīng)用,到并行工程(CE)思想的提出與推行,從根本上改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法,極大地促進(jìn)了制造業(yè)的發(fā)展和革命。但與此同時(shí),人們已清楚地認(rèn)識(shí)到:即使系統(tǒng)中的每個(gè)零部件都是經(jīng)過(guò)優(yōu)化的,也不能保證整個(gè)系統(tǒng)的性能是良好的,即系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化絕不是系統(tǒng)中各部件優(yōu)化的簡(jiǎn)單疊加。于是,由CAX/DFX等技術(shù)發(fā)展而來(lái),以系統(tǒng)建模、仿真技術(shù)為核心的虛擬樣機(jī)技術(shù)(VirtualPrototyping)得到了迅速發(fā)展,并正成為各國(guó)紛紛研究的新的熱點(diǎn)。1虛擬樣機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)方面虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法,這些數(shù)字模型即虛擬樣機(jī)(VirtualPrototype,VP),將不同工程領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)模型結(jié)合在一起,能從功能、性能和行為上模擬真實(shí)產(chǎn)品。利用虛擬樣機(jī)可代替物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測(cè)試和評(píng)估,縮短開(kāi)發(fā)周期,降低成本,改進(jìn)設(shè)計(jì)質(zhì)量,提高企業(yè)面向客戶、敏捷響應(yīng)市場(chǎng)的能力。傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法是“由下到上”,即從部件設(shè)計(jì)到整機(jī)設(shè)計(jì),這種方式的弊端是過(guò)分注重細(xì)節(jié)而忽略了系統(tǒng)整體性能。而虛擬樣機(jī)技術(shù)在CAX(如CAD、CAM、CAE等)/DFX(如DFP、DFA、DFM、DFT、DFQ、DFC、DFS等)等技術(shù)基礎(chǔ)上,進(jìn)一步融合信息技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)和先進(jìn)仿真技術(shù),并將這些技術(shù)應(yīng)用于復(fù)雜系統(tǒng)全生命周期、全系統(tǒng),并對(duì)它們進(jìn)行綜合管理,從系統(tǒng)的層面來(lái)分析復(fù)雜系統(tǒng),支持“由上至下”的復(fù)雜系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式。虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)技術(shù)與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)相比,具有如下特點(diǎn):(1)面向系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)。強(qiáng)調(diào)在系統(tǒng)的層次上模擬產(chǎn)品的外觀、功能和在特定環(huán)境下的行為;(2)涉及產(chǎn)品全生命周期。虛擬樣機(jī)可應(yīng)用于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的全生命周期,并隨著產(chǎn)品生命周期的演進(jìn)而不斷豐富和完善;(3)支持分布式協(xié)同設(shè)計(jì)。虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)技術(shù)將產(chǎn)品的模型定義在計(jì)算機(jī)上,利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù),使處于異地的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員也可方便地進(jìn)行交流,協(xié)同進(jìn)行產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。支持不同領(lǐng)域人員從不同角度對(duì)同一虛擬產(chǎn)品并行地進(jìn)行測(cè)試、分析與評(píng)估活動(dòng)。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門綜合多學(xué)科的技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展歷程正如物理樣機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)發(fā)展過(guò)程中從CAX向集成優(yōu)化的現(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(CIMS)的發(fā)展歷程一樣,復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)已成為一個(gè)系統(tǒng)工程——復(fù)雜產(chǎn)品虛擬樣機(jī)工程。虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn),不僅僅是一種新技術(shù)的應(yīng)用,而是設(shè)計(jì)思想的變革,將對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。2虛擬樣機(jī)技術(shù)近年來(lái),虛擬樣機(jī)技術(shù)已在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的各個(gè)領(lǐng)域和不同階段取得許多研究成果和成功應(yīng)用。美國(guó)波音飛機(jī)公司波音777飛機(jī)的研制成功是虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用的典型范例,其設(shè)計(jì)、裝配、性能評(píng)價(jià)及分析均是在計(jì)算機(jī)中模擬完成,對(duì)比以往的飛機(jī)研制,波音777成本降低25%,制造周期縮短了50%,而且確保了最終產(chǎn)品一次接裝成功,成為全球首架采用虛擬樣機(jī)技術(shù)研發(fā)及制造的飛機(jī)。福特、Caterpillar、JohnDeere等國(guó)外著名公司也廣泛采用虛擬樣機(jī)技術(shù),以減低開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)和成本,改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量,并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。在國(guó)內(nèi),對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用研究目前一方面集中于對(duì)其技術(shù)內(nèi)涵、組成、運(yùn)行模式、體系結(jié)構(gòu)及其使能技術(shù)進(jìn)行了探討,以期構(gòu)建自主的虛擬樣機(jī)開(kāi)發(fā)支持環(huán)境。另一方面則側(cè)重于虛擬樣機(jī)技術(shù)的在各領(lǐng)域的應(yīng)用研究。如中航第一飛機(jī)研究院成功推出國(guó)內(nèi)首架飛機(jī)全機(jī)規(guī)模電子樣機(jī);863項(xiàng)目“月球表面探測(cè)機(jī)器人方案研究”則運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)構(gòu)造虛擬月面計(jì)算仿真環(huán)境,并對(duì)涉及到的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究,并取得了很好的成果。各研究院所紛紛開(kāi)展虛擬樣機(jī)技術(shù)在汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航天航空業(yè)、國(guó)防工業(yè)及通用機(jī)械制造業(yè)等方面的應(yīng)用研究、仿真分析及二次開(kāi)發(fā)。通過(guò)對(duì)虛擬樣機(jī)各關(guān)鍵技術(shù)的深入研究,必將促進(jìn)虛擬樣機(jī)技術(shù)的推廣應(yīng)用,增強(qiáng)我國(guó)企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力。3ytem仿真分析虛擬樣機(jī)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要成熟商品化軟件系統(tǒng)的支撐。而在虛擬樣機(jī)的各種特性分析中,機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析占據(jù)了重要的地位。正是由于機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析與仿真技術(shù)的成熟,CAE技術(shù)才真正進(jìn)入系統(tǒng)層次上的分析。國(guó)外虛擬樣機(jī)相關(guān)技術(shù)的軟件化過(guò)程已經(jīng)完成,較有影響的有美國(guó)MSC公司的ADAMS、比利時(shí)LMS公司的DADS及德國(guó)航天局的SIMPACK,其中美國(guó)MSC公司的ADAMS在1999年占據(jù)了市場(chǎng)的50%以上。ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystem)是以近20年發(fā)展起來(lái)的多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論為基礎(chǔ)而開(kāi)發(fā)出的目前世界范圍內(nèi)使用最廣泛的大型機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件。它使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù),創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型,其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法,建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程,對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。ADAMS由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成。ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件,用戶可以很方便地對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析。通過(guò)ADAMS軟件,可以自動(dòng)生成包括機(jī)-電-液一體化在內(nèi)的、任意復(fù)雜系統(tǒng)的多體動(dòng)力學(xué)數(shù)字化虛擬樣機(jī)模型,能為用戶提供從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)、方案論證、詳細(xì)設(shè)計(jì)、到產(chǎn)品方案修改、優(yōu)化、試驗(yàn)規(guī)劃甚至故障診斷各階段、全方位、高精度的仿真計(jì)算分析結(jié)果。另一方面,又是虛擬樣機(jī)的分析開(kāi)發(fā)工具,其開(kāi)放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口,支持同大多數(shù)CAD、FEA和控制設(shè)計(jì)軟件包之間的雙向通訊,可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開(kāi)發(fā)工具平臺(tái)。ADAMS仿真分析步驟如圖1所示。ADAMS結(jié)合了各領(lǐng)域豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),融合了信息技術(shù)、仿真技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù),借助于高速計(jì)算機(jī)與機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、彈塑性力學(xué)、系統(tǒng)工程學(xué)、計(jì)算機(jī)仿真等相關(guān)科學(xué)技術(shù),從而構(gòu)造出的一個(gè)能模擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)的建造與CAE/CAM仿真分析環(huán)境。由于ADAMS具有通用、精確的仿真功能,方便、友好的用戶界面和強(qiáng)大的圖形動(dòng)畫顯示能力,所以該軟件已在全世界數(shù)以千計(jì)的著名大公司中得到成功的應(yīng)用。4系統(tǒng)建模及仿真筆者在參與某型號(hào)鐵路橋梁檢查車項(xiàng)目研制過(guò)程中,采用機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了有益的探索。鐵路橋梁檢查車是對(duì)鐵路橋梁作檢查的專用車輛,由下車行駛部分和上車作業(yè)部分組成。上車作業(yè)部分的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)達(dá)十個(gè)之多,其運(yùn)動(dòng)組合狀態(tài)十分復(fù)雜。為了在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)階段能全面分析掌握車輛在任意運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下各零部件受力情況,采用ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù),建立鐵路橋梁檢查車上車系統(tǒng)的ADAMS模型,通過(guò)已知的各運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,確定各液壓油缸工作載荷及各運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)反力,為系統(tǒng)各零部件強(qiáng)度分析及液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。鐵路橋梁檢查車上車系統(tǒng)主要由轉(zhuǎn)臺(tái)1、變幅油缸2、主臂(含一節(jié)臂3、二節(jié)臂4和伸臂油缸)、旋臂回轉(zhuǎn)支承、第一折臂油缸5、第一折臂(含一節(jié)臂6、二節(jié)臂7、三節(jié)臂8及伸臂油缸I和II#)、第二折臂油缸9、第二折臂(含一節(jié)臂10、二節(jié)臂11和伸臂油缸)。匪臂12、工作斗13及回轉(zhuǎn)液壓馬達(dá)、端臂油缸、工作斗調(diào)平油缸等組成。采用ADAMS/View自身的實(shí)體建模器建立上車系統(tǒng)的ADAMS幾何模型。上車部分行駛狀態(tài)(非作業(yè)狀態(tài))如圖2所示,作業(yè)狀態(tài)如圖3所示。本仿真即要實(shí)現(xiàn)工作斗施加以350kgf后上車部分從圖2到圖3全過(guò)程中各部件及運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)力學(xué)分析。首先根據(jù)上車系統(tǒng)各零部件之間的相互連接及運(yùn)動(dòng)關(guān)系,采用ADAMS約束庫(kù),將各構(gòu)件連接起來(lái)組成一個(gè)完整的機(jī)械系統(tǒng)。其次由于橋梁檢查車上車系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)通過(guò)整車液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)11個(gè)單桿活塞式液壓缸和2個(gè)液壓馬達(dá)來(lái)實(shí)現(xiàn)的,在分析過(guò)程中,連接各液壓缸的移動(dòng)副和各液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)副的運(yùn)動(dòng)約束是按預(yù)期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律予以確定的。其中工作斗的運(yùn)動(dòng)在實(shí)際工作過(guò)程中是通過(guò)角度傳感器及相應(yīng)的控制系統(tǒng)來(lái)驅(qū)動(dòng)調(diào)平油缸工作的。本文在計(jì)算過(guò)程中由于調(diào)平缸運(yùn)動(dòng)規(guī)律未知,初次仿真時(shí)不設(shè)置調(diào)平缸的運(yùn)動(dòng)約束,而通過(guò)平行軸約束使工作斗工作時(shí)始終保持水平,同時(shí)測(cè)量調(diào)平缸的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并用測(cè)量結(jié)果生成樣條函數(shù),然后通過(guò)CUBSPL函數(shù)定義調(diào)平缸的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)建立相應(yīng)的對(duì)象測(cè)量,運(yùn)行250s、500步的動(dòng)態(tài)仿真分析。通過(guò)ADAMS/PostProcessor,獲得在250s內(nèi)各油缸力(圖4