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航空航天产品设计中的虚拟样机模拟技术虚拟样机模拟技术在航空航天产品设计中的应用导语：航空航天领域一直以来都是科技创新的前沿领域之一。
而在产品设计过程中，虚拟样机模拟技术的应用不仅提高了效率，减少了成本，更为产品设计师提供了更多创造性的空间。
本文将探讨虚拟样机模拟技术在航空航天产品设计中的应用。
一、虚拟样机模拟技术的基本原理及特点虚拟样机模拟技术（Virtual Prototype Simulation Technology）是一种将虚拟现实技术与计算机辅助设计（CAD）相结合的应用技术。
通过对产品进行虚拟建模，进行逼真的物理仿真，实现对产品各方面性能的验证和分析。
相比传统的实体样机开发，虚拟样机模拟技术在以下几个方面有着独特的优势：1. 减少成本和时间：通过虚拟样机模拟技术，可以减少对实体样机的依赖，从而节约了开发过程中的资金和时间。
在产品设计的早期阶段，设计师可以通过虚拟样机模拟技术对产品进行多次迭代和修改，从而避免了实体样机的制造和调试所消耗的资源。
2. 提高设计质量：虚拟样机模拟技术可以虚拟呈现产品的形状、结构和工作方式，为设计师提供更加直观、准确的信息。
通过对虚拟样机进行模拟分析和测试，可以发现潜在的问题和不足，及时进行改进和优化，从而提高产品的设计质量。
3. 创新设计空间：虚拟样机模拟技术提供了一种无限制、可自由探索的设计空间。
在虚拟环境中，设计师可以进行多种方案的快速迭代和对比，发现和尝试新的设计理念。
这种创新空间为航空航天产品的设计师带来了更多的发挥创造力和思维的机会。
二、虚拟样机模拟技术在航空航天产品设计中的应用1. 飞行器气动布局设计：在飞行器的气动布局设计中，虚拟样机模拟技术可以对飞行器的气动特性进行模拟和分析。
通过对不同气动布局方案进行虚拟样机模拟，设计师可以评估不同方案的优劣，选择最佳的设计方向。
同时，虚拟样机模拟技术还可以通过分析飞行器的气动性能，指导优化飞行器的外形设计，降低气动阻力，提高飞行器的整体性能。
虚拟样机技术概述杨作万;魏兴春;张丽琼【摘要】The development and applicaiion of virtual prototype depends on advancement of its key supporting technologies. The concept of virtual prototyping was described in this paper. The application at home and abroad, characteristic and technological advantage were introduced. The design procedure and main software of virtual prototyping were briefly illustrated. The research of them is beneficial to the application and development of virtual prototype.%虚拟样机技术的发展和应用与其关键支撑技术密切相关.本文阐述了虚拟样机技术的概念、国内外研究现状及其特点和技术优势,同时简要介绍了虚拟样机的主要软件平台和设计过程.此研究有助于针对性地应用和发展虚拟样机.【期刊名称】《新技术新工艺》【年(卷),期】2011(000)004【总页数】3页(P25-27)【关键词】虚拟样机;物理样机;仿真;并行设计【作者】杨作万;魏兴春;张丽琼【作者单位】甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,甘肃,兰州,730070;兰州理工大学机电工程学院,甘肃,兰州,730050;甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司,甘肃,兰州,730070【正文语种】中文【中图分类】TP23虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法,由于涉及领域及技术面广,至今没有一个统一定义。
电力系统及其自动化学科哈尔滨工业大学电力系统及其自动化学科是20 世纪50 年代初在前苏联专家指导下创建的，是我国最早建立该专业的院校之一。
1961 年应国家院校布局调整要求，该学科部分资源分迁至北京。
1978年开始恢复重建，并开始招收硕士研究生，1986年开始招收博士研究生，1987年开始招收本科生。
于1984 年获得硕士学位授予权，1990年获得博士学位授予权，同年建立博士后科研流动站，从创建至今为国家培养了大量电力领域专业人才。
学科下设两个研究所：分别是电力系统自动化技术研究所和电力科学与新技术研究所。
学科在恢复建设初期得到了东北电力管理局资金上的大力支持，使得学科得以快速发展；目前，又得到了985 二期资金的大力支持，学科的发展如虎添翼，成果显著。
现有教师16 人，包括教授7 人，副教授6 人，讲师 3 人。
其中博士生导师6 人，硕士生导师13 人，60 岁以下教师均具有博士学位，是一支老中青相结合的具有较高学术水平和较强科研能力的教学研究队伍，为创建一流学科奠定了良好的人才基础。
该方向目前主要研究方向为：电力系统分析与控制、电力系统规划、电力系统安全性和稳定性、电力系统优化调度、电力市场、能量管理系统、配电管理系统、灵活交流输电系统、电力系统安全评估、电力电子在电力系统中的应用、人工智能在电力系统中的应用、电能质量、电力系统光学测量与保护技术、现代电力系统战争毁伤与防御技术、舰船综合电力系统等。
该方向主要科研成果：近5 年来，承担和完成了包括国家“十五”重大科技攻关项目课题、国家自然科学基金项目、高等学校博士学科点专项科研基金项目、黑龙江省自然科学基金项目及大型企业横向合作项目30 余项。
通过部级科技成果鉴定2 项（其中两部联合鉴定1项），获得各种科技奖励近10 项国家专利13 项，科研经费达2000 余万元。
并有多项科研成果成功投入市场，如自适应光学电流互感器、静态无功补偿装置等均已在国内得到广泛应用，取得了良好的技术效益和经济效益。
分析虚拟样机技术在农业机械设计上的应用和研究摘要：随着经济的发展和科学的进步，农业机械的发展也日新月异，很多机械越来越复杂、精密，在设计制作过程中看来也更加繁琐。
如何加强农业机械设计的准确度精密度是设计人员一致关心的话题。
虚拟样机技术是设计领域中最重要的新技术之一。
在农业机械的设计中，利用虚拟样机技术进行设计，可以大大缩短农业设备机械等的设计周期，同时还能降低设计成本。
本文将对虚拟样机技术在农业机械设计上的应用进行具体的研究，寻找在技术应用过程中出现的问题并提出相应的解决措施，希望能够为农业发展提供参考。
关键词：虚拟样机技术；农业机械设计；应用；研究虚拟样机技术在农业机械设计上的应用和研究可以提高农业机械的质量和常量，为国家农业的发展贡献巨大的力量。
只有对虚拟样机技术在农业机械设计上的应用和研究进行具体分析，才能找出相关的技术难题，这样就能够让有关技术设计人员进行改进，进而精进设计水平，为农业机械的更新换代贡献力量。
1 虚拟样机技术设计的概述和特点在我国，利用虚拟样机技术进行农业机械设计是十分必要的。
以前的农业机械设计一般是相关的设计人员根据以往的经验和设计实例在计算机上或者稿纸上进行设计涂画等，设计人员设计出来之后，产品生产人员就会依照设计人员的稿件设计进行进一步的分析，然后首先按照图纸做出样机，再进行各种工作状况下的功能试验、机械运作可靠性试验以及机械使用寿命试验。
一旦在样机运作中出现某些问题，或样机没有满足预定设计要求的状态，机械设计人员就要进行重新的修改设计，再重复上述步骤。
这样做的弊端很多：一方面把机械设备产品从开始设计一直到正式投放市场的整个周期拉得非常长，这样就会导致上市时间延后，痛失赢得市场的有利良机。
第二个方面是大大增加了机械设备的设计开发成本，得不偿失。
第三个方面是我国农业设备机械的得不到及时的钢芯换代，为我国农业发展带来不便。
为了防止以上问题出现，虚拟样机制造技术在农业机械中的使用开始广泛起来。
第21卷第4期山东科技大学学报(自然科学版)Vol.21№4 2002年12月Journal of Shandong University of Science and T echnology(Natural Science)Dec.2002文章编号:1000-2308(2002)04-0058-03并行工程与虚拟样机可视化技术Ξ李绍珍,成健(山东大学机械工程学院,济南250061)摘 要:并行工程与虚拟样机可视化技术的有机结合是现代机构制造业发展的一大趋势。
本文分析了并行工程的发展特点,论述了并行工程与虚拟样机可视化技术的内在联系,给出了虚拟样机可视化设计的一个系统模型,讨论了虚拟样机可视化技术的前景。
关键词:并行工程;虚拟样机;可视化中图分类号:TP311.133.2;TP391.73 文献标识码:ADiscussion of Concurrent Engineering and VisualizationT echnology of Virtual PrototypesL I Shao2zhen,CHEN G Jian(College of Mechanics Engg.,Shandong University,Jinan250061,China)Abstract:The organic combination between concurrent engineering and visualization technology of virtual prototypes is a great trend of modern machine manufacturing.This paper analyzes the developing characters of concurrent engineering,discusses the inter2relation between concurrent engineering and visualization technology of virtual prototypes,puts up a systematic model of visualization technology of virtual proto2 types.K ey w ords:concurrent engineering;virtual prototyps;visualization 上个世纪90年代以来,在激烈的全球性市场竞争中,制造业正面临着严峻的挑战。
竞争的焦点是如何利用不断涌现的新技术,在最短的时间内开发出高品质、低成本、高附加值的新产品,以最快的速度响应市场的需求。
由于科技的迅猛发展,特别是信息技术的创新性发展,在世界范围内已引起企业组织结构的巨大变革,例如以不断压缩生产周期、扩大设计部门范围为特征的并行工程的趋于流行,以刚性化生产转向柔性设计为特征的敏捷制造等。
其中面向并行工程的计算技术可视化技术的应用是今后发展的必然趋势。
1 并行工程及其要求[1]随着全球广泛的市场竞争,制造业面临产品设计、制造与市场的敏捷性矛盾,传统的串行设计已远远不能适应快速变化的市场要求,各企业都在不断地寻求新的设计理论和方法,并行工程(CE,Concurrent Engineering)由此而生。
并行工程的核心是并行一体化设计,强调产品设计及其相关过程同时交叉进行,即在设计阶段就要考虑制造、装配等下游活动所涉及的所有环节和因素。
企业实行并行运行机制,要求设计、制造等各个过程的多项任务同时进行、交叉进行,减少设计过程Ξ收稿日期:2001-06-20作者简介:李绍珍(1949-),女,山东惠民人,教授,主要研究方向:工程图学及虚拟可视化.的多次反复。
并行工程的协同效应使得各部门协调工作,能够对众多方案进行及时准确地评价,以达到最优方案。
图1表明了并行工程用于制造业的生产流程图。
图1 并行工程建模流程图由图1可见,并行工程区别于传统设计生产的不同在于它压缩了生产周期,拓宽了设计阶段的部门合作领域,使得在传统设计中最后才参与的营销部门,从一开始就加入到设计协调小组中去。
这其实也是市场经济作用的必然结果。
2 并行工程与虚拟可视化技术的关系正如上文所提到的并行工程的核心是并行一体化设计,强调产品设计及其相关过程同时交叉进行,即在设计阶段就要考虑制造、装配等下游活动所涉及的所有环节和因素。
这就决定了支持并行工程的协同设计具有以下的特点:(1)协同的层次性:并行工程的实施涉及到多个学科小组成员的协同工作,因此不仅在小组内部成员之间进行,而且小组间也需要协同工作。
(2)同步与异步并存:由于并行工程的并行设计分为组间和组内协同,组内成员的工作紧密联系,协同一般要求同步进行。
而组之间的设计工作可能需要隔一段时间才进行协同,可以异步进行。
(3)用户工作区的动态定制与裁减:面向并行工程的协调设计小组内成员在产品设计中侧重于不同的设计重点,在不断地改动自己的工作区裁减与界面定制,因而不同用户之间的产品信息和界面映射关系在经常地变化。
(4)支持基于分布式网络的协同设计:各设计小组由于工作地点的不同,小组之间的协同是基于计算机网络技术来实现的。
(5)紧密结合最新科技成果,缩短产品制造周期:随着市场的进一步细化和客户要求的多变性,那些能不断地以较低成本开发并迅速将产品成型推向市场的企业将继续在激烈的竞争中获得优势。
其产品特点是小批量、多品种。
而所有这些要求只有充分利用最新科技成果,不断减少开发时间与成本才能获得成功。
自上个世纪90年代以来,出现的虚拟样机可视化技术正是适应了并行工程的要求[2～3],才得以大行其道,广泛流行。
虚拟样机可视化技术就是在计算机虚拟环境中利用三维CAD 模型及相关信息管理数据库进行产品工艺制造过程的建模、优化和仿真。
它实际上是并行工程、敏捷制造等与以计算机为依托的现代信息技术如虚拟现实、分布式网络等结合的产物。
虚拟样机可视化技术是一种新的制造模式,可实现对产品设计、工艺流程制造加工等活动的一体化建模。
在产品的设计阶段就实时仿真出产品,这样就能早期预测产品性能。
进行各种动力学、强度、刚度等的校核,有助于开发出更加先进的产品、更有效组织生产,从而提高生产效率。
该技术在计算机的协同支持下,通过设计组的并行工作完成一项产品的开发。
它在产品的研发中所体现的独特优势是:(1)它不用实际生产,即可按用户要求研制新产品,并校验性能;(2)紧密结合先进的计算机技术,节约资源和时间;(3)迅速推出虚拟样机,适应市场要求。
由以上的分析可以看出实施并行工程的意义在于节约成本,同时大大提高效率。
而采用虚拟样机可视化技术由于不需要制造物理样机,可大大节约成本,基于局域网络的多个协同小组的并行设计使得工作效率大大提高。
正是基于以上并行工程的要求与虚拟样机可视化技术的显著特点,可以预计在未来的机械制造业领域中,它们必将紧密结合,推动并行设计、制造理念的进一步深化和发展。
3 虚拟样机可视化技术的解决方案建模系统如图2所示。
目前,市场上流行的三维CAD/CAM 软计软件有Pro/E ,U G ,Cimatron 等,其中Pro/E 以其先进的设计理念在工业解决方案中拥有显赫的地位,广泛应用于机械、电子、航空、纺织等各行各95第4期 李绍珍等:并行工程与虚拟样机可视化技术 图3 Pro/E生成齿轮程序框图图2 可视化技术的建模模型业。
结合笔者所从事的课题研究,采用Pro/E 作为造型设计及虚拟样机装配的设计工具。
这套软件包括行为建模和范例套用技术,采用目标驱动的设计工具,可对大型项目进行装配管理、功能仿真、制造和数据处理。
利用Pro/E 设计的另一优势是可以用C 、C ++、VC ++实现对Pro/E 数据库及内部应用程度的访问[4],进行二次开发,扩展一些特定功能。
图3所示为Pro/E 结合程序实现的一个渐开线标准直齿圆柱齿轮的造型建模方法和步骤[5]:对产品的动力学、运动学分析模块,笔者使用的是ADAMS (Automated Dynamic Analysis of Mechanical System ).ADAMS 可以实现与PRO/E 的无缝链结,是机械系统动力学分析的优秀软件。
它提供了模拟物理系统运动过程的仿真分析环境,包括20个功能各异的模块。
其中,ADAMS/Solver (求解器)与ADAMS/View (图形建模模块)是核心模块,它们以最友好的交互处理界面担负着求解分析职能。
总体来说ADAMS 有如下功能:(1)取代物理样机,具有实时模拟功能。
它能动态地检测号信息数据,如速度、加速度、力响应等。
(2)深度的检测与优化。
对于物理样机,只能通过大量的实验才能测得其各种数据。
但ADAMS 在仿真完成后,可利用信号分析技术实现对虚拟样机的性能测试,并及时利用传感器、模拟系统提供的故障状态,进一步优化各种参数,实现最优化设计。
4 结束语本文对并行工程的发展特点进行了分析,论述了并行工程与虚拟样机可视化技术的内在联系,给出了一个应用举例。
应用基于计算机的虚拟样机可视化技术创建实体模型,可大大减少产品实物模型和样机的制造,与传统的设计理念相比,缩短了设计开发周期,减少了设计成本,提高了设计质量。
在以快速多变为特征的市场经济的今天,并行工程制造的先进理念及虚拟样机可视化技术必将在制造业中得到进一步的发展。
参考文献:[1]窦万峰,詹永照,谢立.面向并行工程的协同设计系统研究[J ].机械设计,2001,(1).[2]王文利,段宝岩.虚拟研究开发中心(Virtual R &D )—基于网络的异地合作设计模式[J ].机械设计,2000,(2).[3]汪应络.虚拟研究开发中心[J ].中国机械工程,1998,9(1):28.[4]David J Kruglinski.vc ++技术内幕[M ].北京:清华大学出版社,1999.[5]刘文芝,武建新,王雁秋,等.基于PRO/EN GIN EER的三维实体造型[J ].计算机辅助设计与制造,2001,(9).6 山东科技大学学报(自然科学版) 第21卷。
