虛擬樣機技術是一種基于產品計算機模型的數(shù)字化設計方法，這種技術以計算機仿真和建模技術為支撐，融合了智能化設計技術、并行工程、仿真工程和網絡技術等多種先進的制造技術，其最終目標是實現(xiàn)在產品加工前對產品的性能、可制造性等進行預測，從而對設計方案進行評估和優(yōu)化，以達到產品的最優(yōu)化。與傳統(tǒng)的開發(fā)物理樣機的設計方法相比，利用虛擬樣機技術開發(fā)虛擬產品具有很大的優(yōu)越性。虛擬樣機可以代替物理樣機對產品進行創(chuàng)新設計、測試和評估，可以縮短開發(fā)周期，降低成本，改進產品設計質量。作為國家大型企業(yè)，安徽叉車集團公司在這方面做了一些有益的初探，本文以安徽叉車集團的叉車生產制造為背景，闡述了工程車輛虛擬樣機設計的框架結構、工作流程和實現(xiàn)該系統(tǒng)的相關技術。

 

    二、工程車輛虛擬樣機技術的基本內涵

 

    新型工程車輛的開發(fā)要受到安全性、可靠性、舒適性、美觀性、可制造性及可維護性等多方面的制約。在虛擬設計環(huán)境下，利用可視化的優(yōu)勢，把技術設計、部件裝配、結構分析和性能優(yōu)化融合在計算機虛擬現(xiàn)實環(huán)境中進行，綜合考慮車輛的外觀總體布局及一些諸如運動約束和可接近性等特征，對產品幾何尺寸、技術性能、生產和制造等方面進行交互式的快速建模與分析，生成的模型可被直接操縱與修改，數(shù)據(jù)可被反復利用。

 

    三、工程車輛虛擬樣機工程的體系結構

 

    叉車是典型的機、電、液一體化的工程車輛，其虛擬樣機工程系統(tǒng)的體系結構如圖1所示：由協(xié)同設計支撐平臺，產品模型、虛擬樣機(VP)引擎和虛擬現(xiàn)實（VR）可視化環(huán)境四部分組成。其中協(xié)同設計支撐平臺提供了一個協(xié)同設計環(huán)境，包括集成平臺/框架、項目管理等工具。產品模型包括叉車系統(tǒng)產品主模型、機械子系統(tǒng)模型、電子子系統(tǒng)模型、液壓子系統(tǒng)模型、控制子系統(tǒng)模型和軟件子系統(tǒng)模型。產品主模型負責產品在系統(tǒng)級層次上的設計與樣機的外觀、功能和性能的建模，如樣機的動力學、運動學建模仿真。VP引擎包括各領域CAx/DFx工具集，對樣機外觀、功能、性能及環(huán)境進行模擬仿真，并將生成的數(shù)據(jù)送入VR可視化環(huán)境，從外觀、功能及在虛擬樣機環(huán)境中的各種行為上展示虛擬樣機。

 

    圖1叉車虛擬樣機的體系結構

 

    四、工程車輛虛擬樣機的開發(fā)流程

 

    虛擬樣機的開發(fā)流程如圖2所示，從產品需求分析到評估測試，通過使用相關產品開發(fā)工具，在虛擬環(huán)境中，構造產品的虛擬樣機。這是一個循環(huán)漸進的過程，基于產品的開發(fā)要求，采用相應的仿真分析工具對虛擬樣機的功能和性能進行仿真分析，對虛擬樣機的行為進行模擬分析，并基于仿真分析的結果，通過產品全生命周期的反復建模/仿真分析與模型的改進，開發(fā)出滿足產品預期設計目標的虛擬樣機。

 

    圖2虛擬設計的一般流程

 

    五、工程車輛虛擬樣機的關鍵技術

 

    1．虛擬樣機工程的總體技術

 

    虛擬樣機制造技術發(fā)展十分迅速，目前雖然還難以實現(xiàn)可支持產品設計全過程的數(shù)字化產品的開發(fā)系統(tǒng)，但虛擬樣機工程作為一個龐大的系統(tǒng)工程，總體上還是有一些共性的。虛擬樣機工程總體技術從必然全局出發(fā)，解決涉及到系統(tǒng)全局的問題，考慮構成虛擬樣機工程各部分之間的關系，規(guī)定和協(xié)調各部分系統(tǒng)的運行，并將他們組成為一個有機的整體，實現(xiàn)信息和資源的共享，進而實現(xiàn)總體目標。虛擬樣機的設計主要有以下幾個組成部分：初步設計方案的確定、概念設計、詳細設計、仿真分析和結構優(yōu)化設計等。各個部分由不同的設計人員進行并行設計，而各部分的功能活動存在大量的相互依賴的關系，為保證產品開發(fā)隊伍的協(xié)同工作，實現(xiàn)在分布環(huán)境中群體活動的信息交換與共享，必須對設計過程進行動態(tài)調整和監(jiān)控，構造合適的并行設計的工作環(huán)境，保證并行設計的順利進行，這是虛擬樣機縮短開發(fā)周期的關鍵。工程車輛虛擬樣機(以叉車為例)的總體結構如圖3所示。

 

    圖3虛擬設計的總體結構

 

    2．虛擬環(huán)境下的車輛概念設計和方案評價

 

    在虛擬樣機環(huán)境中進行車輛的概念設計和方案評價是實現(xiàn)虛擬樣機的前期工作。在計算機虛擬現(xiàn)實環(huán)境提供的良好的虛擬現(xiàn)實漫游特性和實時交互性的條件下，相關人員可以對虛擬系統(tǒng)建立的模型，包括視覺效果，進行評價與修改。在這個階段，可以模擬車輛的裝配過程，解決各部件之間的可接近性和可裝配性，通過對零部件的直接裝配操作，檢驗零件的可操作性、裝配的難易程度及裝配的次序；可以在不耗費實際加工時間和原材料的基礎上，進行虛擬測試。通過虛擬樣機的設計、加工和組裝、可以對產品多種方案進行快速的成本核算并制定合理的生產管理方案。

 

    3．虛擬樣機技術的并行工程

 

    虛擬樣機技術支持并性設計，使各環(huán)節(jié)的工作同時進行，極大地縮短了產品研制周期，加快了產品設計步伐，避免了無謂的失誤與風險，可以有效地降低生產成本。工程師可以把新材料、新結構、新工藝結合起來嘗試著進行虛擬樣機設計，以增強車輛設計的靈活性，提高車輛的質量。并行工程的核心是并行一體化設計，強調產品設計及其相關的過程同時交叉進行，即在設計階段就要考慮制造、裝配等后期階段所涉及的環(huán)節(jié)。企業(yè)實行并行運行機制，要求設計、制造等各個過程的多項任務交叉進行，減少設計的反復，并行工程的協(xié)同效應使得各部門協(xié)調工作，能夠對眾多的方案進行及時準確的評價，以達到最優(yōu)方案。工程車輛虛擬設計并行流程如圖4所示。

 

    圖4虛擬設計的并行設

 

    4．虛擬樣機工程的優(yōu)化設計

 

    設計的最終目的是要獲得一個滿足各種要求的最優(yōu)方案，這就是工程優(yōu)化問題。實踐證明優(yōu)化設計是保證產品具有優(yōu)良性能，減輕結構自重或體積，并能降低成本的一種行之有效的設計方法。

 

    5．虛擬樣機工程的集成仿真與數(shù)據(jù)協(xié)調

 

    系統(tǒng)集成與仿真是企業(yè)實現(xiàn)虛擬制造的一個難點，也是企業(yè)不能加快實現(xiàn)虛擬制造的一個重要因素。系統(tǒng)集成與仿真需要諸多的技術支持，需要從全局出發(fā)考慮各子系統(tǒng)之間的關系，研究各子系統(tǒng)之間接口的關系，是多領域的仿真軟件協(xié)同的過程，然而一般企業(yè)難以購置齊全用于系統(tǒng)仿真分析的軟件系統(tǒng)。

 

    安徽叉車集團公司也遇到了類似的難題，盡管如此，該公司還是在現(xiàn)有條件的基礎上做了一些有益的嘗試。實現(xiàn)這一環(huán)節(jié)的關鍵就是子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)協(xié)調與數(shù)據(jù)集成，如果做到了這一點，便能有所作為。下面以該公司現(xiàn)在使用的三維設計軟件SolidWorks和自行研發(fā)的參數(shù)設計軟件相結合為例來介紹不同系統(tǒng)中的接口實現(xiàn)和數(shù)據(jù)集成通信。我們使用參數(shù)設計軟件，是為了獲得準確的叉車零部件參數(shù)，參數(shù)設計軟件與三維設計軟件SolidWorks相結合的目的是希望將參數(shù)設計軟件計算出的參數(shù)在三維設計中體現(xiàn)出來，從而能夠進行性能分析與改進。這就需要參數(shù)設計軟件與三維設計軟件之間能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，雖然參數(shù)設計軟件與三維設計軟件SolidWorks之間沒有可直接實現(xiàn)通信的接口，但它們與MicrosoftExcel軟件實現(xiàn)了接口。我們以MicrosoftExcel軟件的表單作為數(shù)據(jù)存儲的媒介，并以MicrosoftExcel軟件作為橋梁來實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。具體做法是參數(shù)設計軟件計算出某一零部件的參數(shù)，自動存入MicrosoftExcel軟件的表單，再將此表單直接嵌入SolidWorks。將表單中的數(shù)據(jù)對應于實體模型中需要變化的尺寸，通過表單中數(shù)據(jù)的變化來自動改變實體模型（如圖5所示），這樣就實現(xiàn)了不同數(shù)據(jù)模塊之間的通信。

 

    圖5系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)通信示意圖

 

    六、結束語

 

    本文介紹了虛擬制造技術在工程車輛中應用的若干框架，虛擬樣機是一種基于產品過程開發(fā)的新興技術，它是融合智能化設計技術、并行工程、仿真工程和網絡技術等多種的先進制造技術的綜合性技術，它貫穿于產品的設計、研制、生產、評估的全生命周期中。虛擬樣機的導入不僅可以快速提升企業(yè)的競爭能力，還可以刺激技術的發(fā)展。虛擬技術的出現(xiàn)為傳統(tǒng)工業(yè)的進步提供了一個契機，但也是一個漫長探索的過程，實現(xiàn)全面的虛擬制造，還有很多工作要做。