虚拟样机技术的研究
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3
（a）
（ (b）
图 4 是铁路货车虚拟样机的开发过程图
（a）是铁路货车虚拟样机开发过程（b）铁路货车虚拟样机的数字化模型
5 结论 对国外虚拟样机系统的发展趋势和企业发展模式进行比较研究，提出虚拟样机支撑环境框架，
给出了虚拟样机的开发过程与实际实例。研究了铁路机车车辆虚拟样机开发方法，结合先进的设计 技术、制造技术和管理技术，建立企业虚拟样机体系，支持企业的产品创新、过程创新和管理创新， 以提升企业的竞争能力，总结、宣传数字化技术和企业创新发展的经验，探讨支持全行业企业创新 的软件开发及产业化途径。 参考文献 【1】 Ron. McCoy Virtual Prototyping:The Practical Solution. Inventor’ Digest , May/June 1998 【2】 C. Sekimoto , Mashisa Yano. Development of Conceptual Design CAD System In: Proceedings of
图 4 是铁路货车虚拟样机的开发过程图。对产品开发过程进行了建模，对产品开发过程进行分 析，详细地进行了优化与改进，有效增加小循环和减少大循环。建立全数字化产品主模型，采用特 征技术在商品化的 CAD 软件（Pro/E）平台上进行二次开发，用 STEP AP214 作为信息交换标准，定 义了钣金零件的特征信息主模型，根据 CAD 系统提供的面向工艺的特征信息，通过特征映射、实例 化等操作，为下游的 CAPP 系统提供中性的 STEP 文件。实现了用三维软件（Pro/E 软件）进行铁路 货车产品设计、冲压模具设计和铸造模具设计。在产品方案设计阶段，实现产品成本评估。利用商 用软件实现了铁路货车的结构强度分析、刚度分析、冲压成型、铸造过程及动力学性能分析水平。 缩短冲压模具、铸造模具设计与制造周期，从而缩短冲压件、铸钢件生产准备周期。设计时及时采 用有限元分析软件进行样车结构分析，保证了在设计的早期尽可能的减少错误、缩短了货车产品开 发周期、提高了货车设计质量。并且及时采用动力学性能仿真软件对样车进行动力学性能分析、减 少了产品生产完成后整车试验后返工的次数。基于 Windchill PDM 建立了产品数据管理系统框架， 实现产品 CAD 与产品数据管理集成,实现了 BOM 管理、产品结构管理和工作流管理,实现了产品数据 的集成化管理。
虚拟样机
DFx 工 具集 DFM DFA DFC DFE DFQ DFS DFT
企业级产品数据管理系统（PDM）
CAx 模型
仿真模型
DFx 模型
其它模型
图 1 虚拟样机支撑环境框架 如图 1 所示，虚拟样机系统支撑技术的主要基于 PDM 的共享数据管理，以计算机为工具，以 PDM 为支撑框架，对设计数据进行分类、整理、数字化和模型化，以有效地存贮和利用，实现设计数据 转移和共享；并通过网络化与数字化平台，将具有各种数据的人和组织联系起来，并支持他们的协 同工作和创新活动。 CAx 与 DFx 技术，利用各种计算机辅助工具进行产品的数字化建模，通过应用数字化产品模型
vehicules ferroviaires, LAMIH 【5】 Unigraphics Solutions, Unifraphics 在汽车行业——UG 汽车专辑 【6】 熊光楞等. 虚拟样机技术.系统仿真学报，2000,13(1) 【7】 李瑞涛等. 虚拟样机技术的概念及应用. 机电一体化,2000,5 【8】 赵建卫等. 武器系统虚拟样机设计环境. 飞行力学, 2000,18(2) 【9】 宁汝新等. 面向产品全生命周期的虚拟产品开发技术. 中国机械工程, 2000,2 【10】 梁海奇. 基于大装配的产品装配建模研究. 制造业自动化， 2000,６ 【11】 唐 硕等. 飞行器设计与试验的虚拟样机技术. 宇航学报, 2000, 11 【12】 李思昆等. 协作虚拟样机与协同设计方法. 系统仿真学报,2001,1 【13】 赵雯等. 系统虚拟样机技术研究. 系统仿真学报,2001,1 【14】 张健等. 开展航空发动机数值仿真研究的探讨. 航空科学技术,2001,1 【15】 王立权等. 给予虚拟样机的控制系统仿真研究，哈尔滨工程大学学报,2000,6
虚拟样机技术的研究
范文慧，熊光楞，曾庆良 米小珍，兆文钟 刘晓冰 王星明，贾锋
清华大学国家 CIMS 工程技术研究中心 大连铁道学院 大连理工大学 CIMS 中心 中国北方机车车辆工业集团公司
1 引言 虚拟样机技术(Virtual Prototyping，VP)是一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计
虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，应用领域从汽车 制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生 物力学、医学以及工程咨询等很多方面。
国内虚拟样机技术的应用研究刚刚开始，一些大学和科研院所正在进行这一方面的工作，主要 是对虚拟样机概念和结构的研究，对虚拟样机要求的相关技术如数据库技术、CAD/CAM 技术、网络 技术、分布交互仿真技术等已有一定的基础。如将虚拟样机技术应用于航空发动机、武器装备、机 械系统等方面的研究[6]-[15]。但整体上与国外相比还有很大差距，属于起步阶段。
2 虚拟样机支撑环境体系结构
CAx 工 具集 CAD CAE CAS CAPP CAQ CAT CAI
百度文库
仿真工具集/虚拟现实工具集
产品设计过程
客户需求 任务分解 概念设计 初步设计 详细设计 工艺设计 产品试制
虚拟样机 评估结果
虚拟样机开发过程
3D虚拟样机 建立样机仿真模型
虚拟样机仿真 虚拟样机改进 虚拟样机评估 虚拟样机校验
1
定义进行 DFA、DFM 等，在产品开发早期综合考虑产品生命周期中的各种因素，力争从设计到制造的 一次成功。建立可重用的、可动态修改的共享产品模型，一个支持参数化、变量化设计的 CAD 系统 是必需的。
仿真工具集是铁路机车车辆虚拟样机系统的核心技术，，提供基于 CAD-CAE 通用软件集成技术的 快速有限元和结构优化建模技术和方法、基于参数化设计技术的有限元与优化设计模型参数化动态 修改技术。主要研究虚拟样机模型的性能分析和仿真分析，为产品的设计开发方案决策提供直接的 和有效的参考。通过数字化产品建模与相关计算机仿真分析技术等，可以部分或全部代替物理模型， 完成产品设计开发中的分析试验，降低产品开发成本，提高创新产品质量。图 2 是铁路客车产品虚 拟样机的仿真部分，包括多方面：外部流场气动压力（CFD）仿真；车体钢/铝结构、构架及关键零 部件力学品质仿真；振动品质及冲击响应仿真；走行动力学品质仿真；刹车制动品质仿真；温度场、 内部流场的空调通风系统仿真；耐疲劳品质仿真；被动性安全品质仿真；振动—噪声响应仿真；测 试数据采集与处理；驾驶环境实时仿真（Real-Time Visual and Audio Simulation）；计算机辅助工业设 计通过计算机辅助产品外观形态设计等
虚拟样机技术于九十年代初开始发展，其研究和应用迅速得到许多研究机构及软件供应商的重 视。目前，国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较有影响的有美国机械动力公司 （Mechanical Dynamics Inc，MDI）的 ADAMS，CADSI 的 DADS，德国航天局的 SIMPACK，其它还有 Working Model、FLOW3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、Pamcrash 等等。美国 VPI 公司目前已经开发 出了商业性的虚拟样机系统，在国防、航空、航天等领域得到广泛的应用。VPI 的虚拟样机包括 4 个组成部分：建模平台，用于建立飞行器系统的样机模型；模型和数据库，建立了多种飞行器 (民 航客机、运输机、战斗机、直升机各种战术导弹武器等 )的系统及分系统模型；仿真运行平台，对 虚拟样机模型进行仿真试验和性能评估；VP 平台，对仿真结果提供可视化的演示交互环境。
2
产品开发 过程层
数字化 模型层
仿真 分析层
虚拟样机 评估层
图 3 虚拟样机的开发过程
产品开发过程进行分析和改进，根据得到过程模型，在产品数据管理中建立工作流程。其次，进行 数字化模型的建立工作，包括利用CAx进行辅助建模，同时建立仿真和分析模型。第三，利用仿真工 具集和优化分析工具集对初步的模型进行各种功能与性能的分析。最后，对得到的虚拟样机进行评 估。
克林顿政府已经批准了快速发展和推广虚拟样机技术的计划，拨给 ARPA 和国防部的预算超过十 亿美元；美国 Sikorsky 和波音公司在开发军队最新最大的航空项目――Commanche 时，大规模使用 了虚拟样机技术，Sikorsky 估计使用 CVP 技术可使 Commanche 的单位开销降低； Chrycler 公司与 IBM 合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样本生产之前发现其定位系统的控制及其它 许多设计缺陷，缩短了研制周期；芬兰 VTT 电子公司正在从事消费类电子产品的 VP 研究，已开发了 手机的虚拟样机。
结构噪声 仿真
双层车 模态仿真
温度场 仿真
D38轻量 化设计
铝合金车 强度分析
大变形 碰撞仿真
制动及冲击 摆式车空调 响应仿真 通风仿真
工业设计
疲劳分析 仿真
动力学 仿真
气流噪声 仿真
气动压力 仿真
图 2 是铁路客车产品虚拟样机的仿真部分
3 虚拟样机开发过程
虚拟样机开发分为四个层次，如图3所示，即在每一层上是螺旋迭代的过程，在层与层之间是瀑布式 的开发过程。首先，建立产品开发过程的模型，采用IDFF3类过程描述工具进行描述，利用已有的知识对
5
4
International ADAMS Users’ Conference , 1 998 【3】 Schupp.G , Jaschinksi.A , Virtual prototyping: the future way of designing railway vehicles,
International Journal of Vehicle Design, V22n1, 1999. p93-115 【4】 Ravalard. Yvesa, Drazetic Pascala, Markiewicz Erica, Prototypage virtual: example de crash de
算机仿真模型的数字化设计方法。应用虚拟样机技术，可以使产品的设计者、使用者和制造者在产 品研制的早期，在虚拟环境中直观形象地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和 使用仿真，这对启迪设计创新、提高设计质量、减少设计错误、加快产品开发周期有重要意义。
虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心， 加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，以及广泛应用网络技术、计算机技术、 信息技术、集成技术等，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，把虚拟技术与仿真方法相 结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法，可以显著地提高设计质量、降低产品开发成本， 极大地提高企业的创新能力、竞争能力和经济效益。具体说来就是在建造第一台物理样机之前，设 计师利用计算机技术建立产品系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工 程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。由于虚拟样机是一种计算机模型，它 能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性，借助于这项技术，设 计师可以在计算机上建立产品系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真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。
（a）
（ (b）
图 4 是铁路货车虚拟样机的开发过程图
（a）是铁路货车虚拟样机开发过程（b）铁路货车虚拟样机的数字化模型
5 结论 对国外虚拟样机系统的发展趋势和企业发展模式进行比较研究，提出虚拟样机支撑环境框架，
给出了虚拟样机的开发过程与实际实例。研究了铁路机车车辆虚拟样机开发方法，结合先进的设计 技术、制造技术和管理技术，建立企业虚拟样机体系，支持企业的产品创新、过程创新和管理创新， 以提升企业的竞争能力，总结、宣传数字化技术和企业创新发展的经验，探讨支持全行业企业创新 的软件开发及产业化途径。 参考文献 【1】 Ron. McCoy Virtual Prototyping:The Practical Solution. Inventor’ Digest , May/June 1998 【2】 C. Sekimoto , Mashisa Yano. Development of Conceptual Design CAD System In: Proceedings of
图 4 是铁路货车虚拟样机的开发过程图。对产品开发过程进行了建模，对产品开发过程进行分 析，详细地进行了优化与改进，有效增加小循环和减少大循环。建立全数字化产品主模型，采用特 征技术在商品化的 CAD 软件（Pro/E）平台上进行二次开发，用 STEP AP214 作为信息交换标准，定 义了钣金零件的特征信息主模型，根据 CAD 系统提供的面向工艺的特征信息，通过特征映射、实例 化等操作，为下游的 CAPP 系统提供中性的 STEP 文件。实现了用三维软件（Pro/E 软件）进行铁路 货车产品设计、冲压模具设计和铸造模具设计。在产品方案设计阶段，实现产品成本评估。利用商 用软件实现了铁路货车的结构强度分析、刚度分析、冲压成型、铸造过程及动力学性能分析水平。 缩短冲压模具、铸造模具设计与制造周期，从而缩短冲压件、铸钢件生产准备周期。设计时及时采 用有限元分析软件进行样车结构分析，保证了在设计的早期尽可能的减少错误、缩短了货车产品开 发周期、提高了货车设计质量。并且及时采用动力学性能仿真软件对样车进行动力学性能分析、减 少了产品生产完成后整车试验后返工的次数。基于 Windchill PDM 建立了产品数据管理系统框架， 实现产品 CAD 与产品数据管理集成,实现了 BOM 管理、产品结构管理和工作流管理,实现了产品数据 的集成化管理。
虚拟样机
DFx 工 具集 DFM DFA DFC DFE DFQ DFS DFT
企业级产品数据管理系统（PDM）
CAx 模型
仿真模型
DFx 模型
其它模型
图 1 虚拟样机支撑环境框架 如图 1 所示，虚拟样机系统支撑技术的主要基于 PDM 的共享数据管理，以计算机为工具，以 PDM 为支撑框架，对设计数据进行分类、整理、数字化和模型化，以有效地存贮和利用，实现设计数据 转移和共享；并通过网络化与数字化平台，将具有各种数据的人和组织联系起来，并支持他们的协 同工作和创新活动。 CAx 与 DFx 技术，利用各种计算机辅助工具进行产品的数字化建模，通过应用数字化产品模型
vehicules ferroviaires, LAMIH 【5】 Unigraphics Solutions, Unifraphics 在汽车行业——UG 汽车专辑 【6】 熊光楞等. 虚拟样机技术.系统仿真学报，2000,13(1) 【7】 李瑞涛等. 虚拟样机技术的概念及应用. 机电一体化,2000,5 【8】 赵建卫等. 武器系统虚拟样机设计环境. 飞行力学, 2000,18(2) 【9】 宁汝新等. 面向产品全生命周期的虚拟产品开发技术. 中国机械工程, 2000,2 【10】 梁海奇. 基于大装配的产品装配建模研究. 制造业自动化， 2000,６ 【11】 唐 硕等. 飞行器设计与试验的虚拟样机技术. 宇航学报, 2000, 11 【12】 李思昆等. 协作虚拟样机与协同设计方法. 系统仿真学报,2001,1 【13】 赵雯等. 系统虚拟样机技术研究. 系统仿真学报,2001,1 【14】 张健等. 开展航空发动机数值仿真研究的探讨. 航空科学技术,2001,1 【15】 王立权等. 给予虚拟样机的控制系统仿真研究，哈尔滨工程大学学报,2000,6
虚拟样机技术的研究
范文慧，熊光楞，曾庆良 米小珍，兆文钟 刘晓冰 王星明，贾锋
清华大学国家 CIMS 工程技术研究中心 大连铁道学院 大连理工大学 CIMS 中心 中国北方机车车辆工业集团公司
1 引言 虚拟样机技术(Virtual Prototyping，VP)是一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计
虚拟样机技术在一些较发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，应用领域从汽车 制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生 物力学、医学以及工程咨询等很多方面。
国内虚拟样机技术的应用研究刚刚开始，一些大学和科研院所正在进行这一方面的工作，主要 是对虚拟样机概念和结构的研究，对虚拟样机要求的相关技术如数据库技术、CAD/CAM 技术、网络 技术、分布交互仿真技术等已有一定的基础。如将虚拟样机技术应用于航空发动机、武器装备、机 械系统等方面的研究[6]-[15]。但整体上与国外相比还有很大差距，属于起步阶段。
2 虚拟样机支撑环境体系结构
CAx 工 具集 CAD CAE CAS CAPP CAQ CAT CAI
百度文库
仿真工具集/虚拟现实工具集
产品设计过程
客户需求 任务分解 概念设计 初步设计 详细设计 工艺设计 产品试制
虚拟样机 评估结果
虚拟样机开发过程
3D虚拟样机 建立样机仿真模型
虚拟样机仿真 虚拟样机改进 虚拟样机评估 虚拟样机校验
1
定义进行 DFA、DFM 等，在产品开发早期综合考虑产品生命周期中的各种因素，力争从设计到制造的 一次成功。建立可重用的、可动态修改的共享产品模型，一个支持参数化、变量化设计的 CAD 系统 是必需的。
仿真工具集是铁路机车车辆虚拟样机系统的核心技术，，提供基于 CAD-CAE 通用软件集成技术的 快速有限元和结构优化建模技术和方法、基于参数化设计技术的有限元与优化设计模型参数化动态 修改技术。主要研究虚拟样机模型的性能分析和仿真分析，为产品的设计开发方案决策提供直接的 和有效的参考。通过数字化产品建模与相关计算机仿真分析技术等，可以部分或全部代替物理模型， 完成产品设计开发中的分析试验，降低产品开发成本，提高创新产品质量。图 2 是铁路客车产品虚 拟样机的仿真部分，包括多方面：外部流场气动压力（CFD）仿真；车体钢/铝结构、构架及关键零 部件力学品质仿真；振动品质及冲击响应仿真；走行动力学品质仿真；刹车制动品质仿真；温度场、 内部流场的空调通风系统仿真；耐疲劳品质仿真；被动性安全品质仿真；振动—噪声响应仿真；测 试数据采集与处理；驾驶环境实时仿真（Real-Time Visual and Audio Simulation）；计算机辅助工业设 计通过计算机辅助产品外观形态设计等
虚拟样机技术于九十年代初开始发展，其研究和应用迅速得到许多研究机构及软件供应商的重 视。目前，国外虚拟样机相关技术的软件化过程已经完成，较有影响的有美国机械动力公司 （Mechanical Dynamics Inc，MDI）的 ADAMS，CADSI 的 DADS，德国航天局的 SIMPACK，其它还有 Working Model、FLOW3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、Pamcrash 等等。美国 VPI 公司目前已经开发 出了商业性的虚拟样机系统，在国防、航空、航天等领域得到广泛的应用。VPI 的虚拟样机包括 4 个组成部分：建模平台，用于建立飞行器系统的样机模型；模型和数据库，建立了多种飞行器 (民 航客机、运输机、战斗机、直升机各种战术导弹武器等 )的系统及分系统模型；仿真运行平台，对 虚拟样机模型进行仿真试验和性能评估；VP 平台，对仿真结果提供可视化的演示交互环境。
2
产品开发 过程层
数字化 模型层
仿真 分析层
虚拟样机 评估层
图 3 虚拟样机的开发过程
产品开发过程进行分析和改进，根据得到过程模型，在产品数据管理中建立工作流程。其次，进行 数字化模型的建立工作，包括利用CAx进行辅助建模，同时建立仿真和分析模型。第三，利用仿真工 具集和优化分析工具集对初步的模型进行各种功能与性能的分析。最后，对得到的虚拟样机进行评 估。
克林顿政府已经批准了快速发展和推广虚拟样机技术的计划，拨给 ARPA 和国防部的预算超过十 亿美元；美国 Sikorsky 和波音公司在开发军队最新最大的航空项目――Commanche 时，大规模使用 了虚拟样机技术，Sikorsky 估计使用 CVP 技术可使 Commanche 的单位开销降低； Chrycler 公司与 IBM 合作开发的虚拟制造环境用于其新型车的研制，在样本生产之前发现其定位系统的控制及其它 许多设计缺陷，缩短了研制周期；芬兰 VTT 电子公司正在从事消费类电子产品的 VP 研究，已开发了 手机的虚拟样机。
结构噪声 仿真
双层车 模态仿真
温度场 仿真
D38轻量 化设计
铝合金车 强度分析
大变形 碰撞仿真
制动及冲击 摆式车空调 响应仿真 通风仿真
工业设计
疲劳分析 仿真
动力学 仿真
气流噪声 仿真
气动压力 仿真
图 2 是铁路客车产品虚拟样机的仿真部分
3 虚拟样机开发过程
虚拟样机开发分为四个层次，如图3所示，即在每一层上是螺旋迭代的过程，在层与层之间是瀑布式 的开发过程。首先，建立产品开发过程的模型，采用IDFF3类过程描述工具进行描述，利用已有的知识对
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International ADAMS Users’ Conference , 1 998 【3】 Schupp.G , Jaschinksi.A , Virtual prototyping: the future way of designing railway vehicles,
International Journal of Vehicle Design, V22n1, 1999. p93-115 【4】 Ravalard. Yvesa, Drazetic Pascala, Markiewicz Erica, Prototypage virtual: example de crash de
算机仿真模型的数字化设计方法。应用虚拟样机技术，可以使产品的设计者、使用者和制造者在产 品研制的早期，在虚拟环境中直观形象地对虚拟的产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和 使用仿真，这对启迪设计创新、提高设计质量、减少设计错误、加快产品开发周期有重要意义。
虚拟样机技术是一门综合多学科的技术。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心， 加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，以及广泛应用网络技术、计算机技术、 信息技术、集成技术等，将分散的产品设计开发和分析过程集成在一起，把虚拟技术与仿真方法相 结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法，可以显著地提高设计质量、降低产品开发成本， 极大地提高企业的创新能力、竞争能力和经济效益。具体说来就是在建造第一台物理样机之前，设 计师利用计算机技术建立产品系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工 程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。由于虚拟样机是一种计算机模型，它 能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学的特性，借助于这项技术，设 计师可以在计算机上建立产品系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真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。