虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程車輛中的應(yīng)用初探

 

    虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種基于產(chǎn)品計(jì)算機(jī)模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法，這種技術(shù)以計(jì)算機(jī)仿真和建模技術(shù)為支撐，融合了智能化設(shè)計(jì)技術(shù)、并行工程、仿真工程和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種先進(jìn)的制造技術(shù)，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)在產(chǎn)品加工前對(duì)產(chǎn)品的性能、可制造性等進(jìn)行預(yù)測，從而對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，以達(dá)到產(chǎn)品的最優(yōu)化。與傳統(tǒng)的開發(fā)物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)方法相比，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)開發(fā)虛擬產(chǎn)品具有很大的優(yōu)越性。虛擬樣機(jī)可以代替物理樣機(jī)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測試和評(píng)估，可以縮短開發(fā)周期，降低成本，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量。作為國家大型企業(yè)，安徽叉車集團(tuán)公司在這方面做了一些有益的初探，本文以安徽叉車集團(tuán)的叉車生產(chǎn)制造為背景，闡述了工程車輛虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)、工作流程和實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)。

 

    二、工程車輛虛擬樣機(jī)技術(shù)的基本內(nèi)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(hù)性等多方面的制約。在虛擬設(shè)計(jì)環(huán)境下，利用可視化的優(yōu)勢，把技術(shù)設(shè)計(jì)、部件裝配、結(jié)構(gòu)分析和性能優(yōu)化融合在計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行，綜合考慮車輛的外觀總體布局及一些諸如運(yùn)動(dòng)約束和可接近性等特征，對(duì)產(chǎn)品幾何尺寸、技術(shù)性能、生產(chǎn)和制造等方面進(jìn)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(fù)利用。

 

    三、工程車輛虛擬樣機(jī)工程的體系結(jié)構(gòu)

 

    叉車是典型的機(jī)、電、液一體化的工程車輛，其虛擬樣機(jī)工程系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示：由協(xié)同設(shè)計(jì)支撐平臺(tái)，產(chǎn)品模型、虛擬樣機(jī)(VP)引擎和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）可視化環(huán)境四部分組成。其中協(xié)同設(shè)計(jì)支撐平臺(tái)提供了一個(gè)協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，包括集成平臺(tái)/框架、項(xiàng)目管理等工具。產(chǎn)品模型包括叉車系統(tǒng)產(chǎn)品主模型、機(jī)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(chǎn)品主模型負(fù)責(zé)產(chǎn)品在系統(tǒng)級(jí)層次上的設(shè)計(jì)與樣機(jī)的外觀、功能和性能的建模，如樣機(jī)的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)建模仿真。VP引擎包括各領(lǐng)域CAx/DFx工具集，對(duì)樣機(jī)外觀、功能、性能及環(huán)境進(jìn)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(jī)環(huán)境中的各種行為上展示虛擬樣機(jī)。

 

    圖1叉車虛擬樣機(jī)的體系結(jié)構(gòu)

 

    四、工程車輛虛擬樣機(jī)的開發(fā)流程

 

    虛擬樣機(jī)的開發(fā)流程如圖2所示，從產(chǎn)品需求分析到評(píng)估測試，通過使用相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)工具，在虛擬環(huán)境中，構(gòu)造產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)。這是一個(gè)循環(huán)漸進(jìn)的過程，基于產(chǎn)品的開發(fā)要求，采用相應(yīng)的仿真分析工具對(duì)虛擬樣機(jī)的功能和性能進(jìn)行仿真分析，對(duì)虛擬樣機(jī)的行為進(jìn)行模擬分析，并基于仿真分析的結(jié)果，通過產(chǎn)品全生命周期的反復(fù)建模/仿真分析與模型的改進(jìn)，開發(fā)出滿足產(chǎn)品預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)的虛擬樣機(jī)。

 

    圖2虛擬設(shè)計(jì)的一般流程

 

    五、工程車輛虛擬樣機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)

 

    1．虛擬樣機(jī)工程的總體技術(shù)

 

    虛擬樣機(jī)制造技術(shù)發(fā)展十分迅速，目前雖然還難以實(shí)現(xiàn)可支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)全過程的數(shù)字化產(chǎn)品的開發(fā)系統(tǒng)，但虛擬樣機(jī)工程作為一個(gè)龐大的系統(tǒng)工程，總體上還是有一些共性的。虛擬樣機(jī)工程總體技術(shù)從必然全局出發(fā)，解決涉及到系統(tǒng)全局的問題，考慮構(gòu)成虛擬樣機(jī)工程各部分之間的關(guān)系，規(guī)定和協(xié)調(diào)各部分系統(tǒng)的運(yùn)行，并將他們組成為一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)信息和資源的共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)總體目標(biāo)。虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)組成部分：初步設(shè)計(jì)方案的確定、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。各個(gè)部分由不同的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行并行設(shè)計(jì)，而各部分的功能活動(dòng)存在大量的相互依賴的關(guān)系，為保證產(chǎn)品開發(fā)隊(duì)伍的協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)在分布環(huán)境中群體活動(dòng)的信息交換與共享，必須對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整和監(jiān)控，構(gòu)造合適的并行設(shè)計(jì)的工作環(huán)境，保證并行設(shè)計(jì)的順利進(jìn)行，這是虛擬樣機(jī)縮短開發(fā)周期的關(guān)鍵。工程車輛虛擬樣機(jī)(以叉車為例)的總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

 

    圖3虛擬設(shè)計(jì)的總體結(jié)構(gòu)

 

    2．虛擬環(huán)境下的車輛概念設(shè)計(jì)和方案評(píng)價(jià)

 

    在虛擬樣機(jī)環(huán)境中進(jìn)行車輛的概念設(shè)計(jì)和方案評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)的前期工作。在計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境提供的良好的虛擬現(xiàn)實(shí)漫游特性和實(shí)時(shí)交互性的條件下，相關(guān)人員可以對(duì)虛擬系統(tǒng)建立的模型，包括視覺效果，進(jìn)行評(píng)價(jià)與修改。在這個(gè)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(duì)零部件的直接裝配操作，檢驗(yàn)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(fèi)實(shí)際加工時(shí)間和原材料的基礎(chǔ)上，進(jìn)行虛擬測試。通過虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)、加工和組裝、可以對(duì)產(chǎn)品多種方案進(jìn)行快速的成本核算并制定合理的生產(chǎn)管理方案。

 

    3．虛擬樣機(jī)技術(shù)的并行工程

 

    虛擬樣機(jī)技術(shù)支持并性設(shè)計(jì)，使各環(huán)節(jié)的工作同時(shí)進(jìn)行，極大地縮短了產(chǎn)品研制周期，加快了產(chǎn)品設(shè)計(jì)步伐，避免了無謂的失誤與風(fēng)險(xiǎn)，可以有效地降低生產(chǎn)成本。工程師可以把新材料、新結(jié)構(gòu)、新工藝結(jié)合起來嘗試著進(jìn)行虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)，以增強(qiáng)車輛設(shè)計(jì)的靈活性，提高車輛的質(zhì)量。并行工程的核心是并行一體化設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及其相關(guān)的過程同時(shí)交叉進(jìn)行，即在設(shè)計(jì)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(shí)行并行運(yùn)行機(jī)制，要求設(shè)計(jì)、制造等各個(gè)過程的多項(xiàng)任務(wù)交叉進(jìn)行，減少設(shè)計(jì)的反復(fù)，并行工程的協(xié)同效應(yīng)使得各部門協(xié)調(diào)工作，能夠?qū)Ρ姸嗟姆桨高M(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，以達(dá)到最優(yōu)方案。工程車輛虛擬設(shè)計(jì)并行流程如圖4所示。

 

    圖4虛擬設(shè)計(jì)的并行設(shè)

 

    4．虛擬樣機(jī)工程的優(yōu)化設(shè)計(jì)

 

    設(shè)計(jì)的最終目的是要獲得一個(gè)滿足各種要求的最優(yōu)方案，這就是工程優(yōu)化問題。實(shí)踐證明優(yōu)化設(shè)計(jì)是保證產(chǎn)品具有優(yōu)良性能，減輕結(jié)構(gòu)自重或體積，并能降低成本的一種行之有效的設(shè)計(jì)方法。

 

    5．虛擬樣機(jī)工程的集成仿真與數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)

 

    系統(tǒng)集成與仿真是企業(yè)實(shí)現(xiàn)虛擬制造的一個(gè)難點(diǎn)，也是企業(yè)不能加快實(shí)現(xiàn)虛擬制造的一個(gè)重要因素。系統(tǒng)集成與仿真需要諸多的技術(shù)支持，需要從全局出發(fā)考慮各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，研究各子系統(tǒng)之間接口的關(guān)系，是多領(lǐng)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(tuán)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(chǔ)上做了一些有益的嘗試。實(shí)現(xiàn)這一環(huán)節(jié)的關(guān)鍵就是子系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)協(xié)調(diào)與數(shù)據(jù)集成，如果做到了這一點(diǎn)，便能有所作為。下面以該公司現(xiàn)在使用的三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks和自行研發(fā)的參數(shù)設(shè)計(jì)軟件相結(jié)合為例來介紹不同系統(tǒng)中的接口實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)集成通信。我們使用參數(shù)設(shè)計(jì)軟件，是為了獲得準(zhǔn)確的叉車零部件參數(shù)，參數(shù)設(shè)計(jì)軟件與三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks相結(jié)合的目的是希望將參數(shù)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算出的參數(shù)在三維設(shè)計(jì)中體現(xiàn)出來，從而能夠進(jìn)行性能分析與改進(jìn)。這就需要參數(shù)設(shè)計(jì)軟件與三維設(shè)計(jì)軟件之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，雖然參數(shù)設(shè)計(jì)軟件與三維設(shè)計(jì)軟件SolidWorks之間沒有可直接實(shí)現(xiàn)通信的接口，但它們與MicrosoftExcel軟件實(shí)現(xiàn)了接口。我們以MicrosoftExcel軟件的表單作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的媒介，并以MicrosoftExcel軟件作為橋梁來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。具體做法是參數(shù)設(shè)計(jì)軟件計(jì)算出某一零部件的參數(shù)，自動(dòng)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(duì)應(yīng)于實(shí)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(dòng)改變實(shí)體模型（如圖5所示），這樣就實(shí)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(jié)束語

 

    本文介紹了虛擬制造技術(shù)在工程車輛中應(yīng)用的若干框架，虛擬樣機(jī)是一種基于產(chǎn)品過程開發(fā)的新興技術(shù)，它是融合智能化設(shè)計(jì)技術(shù)、并行工程、仿真工程和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種的先進(jìn)制造技術(shù)的綜合性技術(shù)，它貫穿于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研制、生產(chǎn)、評(píng)估的全生命周期中。虛擬樣機(jī)的導(dǎo)入不僅可以快速提升企業(yè)的競爭能力，還可以刺激技術(shù)的發(fā)展。虛擬技術(shù)的出現(xiàn)為傳統(tǒng)工業(yè)的進(jìn)步提供了一個(gè)契機(jī)，但也是一個(gè)漫長探索的過程，實(shí)現(xiàn)全面的虛擬制造，還有很多工作要做。