基于虚拟样机技术的动力传动系统建模与仿真

北京理工大学硕士学位论文

１绪论

１．１虚拟样机技术概述

１．１．１虚拟样机技术的概念

虚拟样机技术是００年代逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。从国内外对虚拟样机技术（Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ，　ＶＰ）的研究可以看出，虚拟样机技术的概念还处于

发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义［ｇｔｚｌ 美国国防部对虚拟样机技术有关概念的建设性意见为ｍ， ［１］．虚拟样机定义，虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在 一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。

［２］虚拟样机设计，利用虚拟样机代替物理样机来对其候选设计的各种特性进行

测试和评价。 ［３］．虚拟样机设计环境，是模型、仿真和仿真者的一个集合，它主要用于引导产 品从思想到样机的设计，强调子系统的优化与组合，而不是实际的硬件系统。

国外其它学者对虚拟样机技术的定义大同小异，主要区别在于技术的构成及其范畴上。如Ｕ．　Ｊａｓｎｏｃｈ和Ｈ．Ｋｒｅｓｓ等人认为虚拟样机技术是将ＣＡＤ建模技术、计算机

支持的协同工作（（ＣＳＣＷ）技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法［１＂； Ｓｔｅｔａｎ　Ｈａａｓ等人认为，虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｐｒｏｄｕｃｔ　ａｎｄ　Ｐｒｏｃｅｓｓ　Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，简称ＩＰＰＤ）是

分不开的。ＩＰＰＤ是一个管理过程，这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动

集成在一起，对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和费用目标．ＩＰＰＤ的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖ＩＰＰＤ才能实现［１２１。

国内学者在从事虚拟样机技术方面工作中也提出了一些见解，特别是对应用过程

及其优点作了比较具体的阐述。例如，李瑞涛等认为所谓虚拟样机技术就是在建造物理样机之前，利用计算机技术建立产品系统的计算机模型，通过虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、功能等方面交互的建模与分析，模拟该系统在真实工作环境条件下的运动和动力特性，从而反复修改设

计，以得到最优设计方案［ｔｚｌ。唐硕、赵建卫等认为，虚拟样机技术是建立在ＣＡＤ／ＣＡＭ，

一１－

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系统仿真和虚拟现实基础上的，通过在计算机上建立在一定程度上具有与物理样机相

似的功能真实度的数字模型（包括几何外形、传动和连接关系、物理特性、动力学和

运动学特性等）表示物理样机的各个部分、各个部件以及整个原型样机，能够方便地对系统反复进行修改，直至达到满意的设计性能指标的一种新概念技术１１１１３１。

１．１．２虚拟样机技术的背景１４１１５１

任何一项技术的产生及广泛应用都有其原因，其中最重要的是市场的需求和技术

本身的成熟程度。 虚拟样机技术的产生有其经济背景。随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激

烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低设计成本以及对市场的灵活反

应成为竞争者们所追求的目标。谁早推出产品，谁就占有市场，然而，传统的设计与

制造方式无法满足这些要求。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计．在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚至是破坏

性的。当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周ｒａｎ复始的设计一实验一设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其是

对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了，同时，样

机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场

以及设计成本的考虑而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争

的市场的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质最提高，成

本降低和对市场的占有。 如果基于实际样机上的设计验证能像小孩子搭积木一样简单，这个问题便迎刃而

解。虽然复杂的机械系统不可能用积木搭出来，但我们可以通过计算机类似做到这一

点。机械系统的运动必须受制于物理规律，我们只要掌握了这些规律并定义了描述机械系统的方法，就可以像搭积木一样把机械系统组装起来，形成虚拟样机，然后观察它是怎样运动的，通过计算机的仿真结果，工程师和设计师们便可以评价机械系统的

设计质量。 虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程当中。在概念设计和方案论证中，设计师将自己的经验与想象融于计算机的虚拟样机设计中，充分发挥想象力和创造力，并替代物理样机进行性能模拟试验，通过试验中的反馈信息不断地指导设计，顺利地完

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成产品研发过程。由于虚拟样机比物理样机更易于产生和显示，能方便快捷地反复修改，因此可以有效地节省研制资金的投入和缩短研制周期，提高设计质量和效率，满

足市场需求和竞争的需要。 虚拟样机技术是许多技术的综合，其产生的技术背景比较复杂。它的核心部分是

多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，作为应用数学一个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效的快速算法，近年来的计算机可视化技术及动画技

术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。

虚拟样机技术在技术与市场两个方面的成熟也与计算机辅助设计（ＣＡＤ）技术的成熟及大规模推广应用分不开。首先，ＣＡＤ中的三维几何造型技术能够使设计师们的

精力集中在创造性设计上，把绘图等烦燥的工作交给计算机去做。这样设计师就有额外的精力关注设计的正确和优化问题。其次，三维造型技术使虚拟样机技术中的机械系统描述问题变得简单。第三，由于ＣＡＤ强大的三维几何编辑修改技术，使机械系

统设计的快速修改变为可能，在这基础上，在计算机上的设计一实验一设计的反复过

程才有时间上的意义。 虚拟样机技术的发展直接受其构成技术的制约。一个明显的例子是它对于计算机

硬件的依赖，这种依赖在处理复杂系统时尤其明显。例如，火星探测器的动力学及控

制系统模拟是在惠普７００工作站上进行的，ＣＰＵ时间用了７５０小时：另一个例子是在数值方法上的进步发展都会对基于虚拟样机的仿真速度及精度有积极的影响。

此外，虚拟样机技术近年来的快速发展与人们的如下认识有关：即使系统中的每个零件都是经过优化的，也不能保证整个系统的性能是良好的，即系统的优化不是系

统中零件优化的简单盈加。在多种现代设计方法，如有限元法、疲劳设计，可靠性设

计广泛应用于工程实践后，单个零件的设计方法己经趋于成熟，进行系统级优化设计成为进一步的要求，由于传统的物理样机试验设计方法的局限性，采用虚拟样机技术将是系统仿真发展的必然要求。

１．　１．　３虚拟样机技术的形成和发展

虚拟样机技术起源于对多体系统动力学的研究。２０世纪６０年代，古典的刚体力

学、分析力学与计算机技术相结合的力学分支—多体系统动力学产生了，其主要任

务是，６１： ［Ｉ］建立复杂机械系统运动学和动力学程序化的数学模型，开发实现这个数学模

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系统仿真和虚拟现实基础上的，通过在计算机上建立在一定程度上具有与物理样机相

似的功能真实度的数字模型（包括几何外形、传动和连接关系、物理特性、动力学和

运动学特性等）表示物理样机的各个部分、各个部件以及整个原型样机，能够方便地对系统反复进行修改，直至达到满意的设计性能指标的一种新概念技术１１１１３１。

１．１．２虚拟样机技术的背景１４１１５１

任何一项技术的产生及广泛应用都有其原因，其中最重要的是市场的需求和技术

本身的成熟程度。 虚拟样机技术的产生有其经济背景。随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激

烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低设计成本以及对市场的灵活反

应成为竞争者们所追求的目标。谁早推出产品，谁就占有市场，然而，传统的设计与

制造方式无法满足这些要求。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计．在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚至是破坏

性的。当通过实验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周ｒａｎ复始的设计一实验一设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其是

对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了，同时，样

机的单机手工制造增加了成本。在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场

以及设计成本的考虑而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。在竞争

的市场的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质最提高，成

本降低和对市场的占有。 如果基于实际样机上的设计验证能像小孩子搭积木一样简单，这个问题便迎刃而

解。虽然复杂的机械系统不可能用积木搭出来，但我们可以通过计算机类似做到这一

点。机械系统的运动必须受制于物理规律，我们只要掌握了这些规律并定义了描述机械系统的方法，就可以像搭积木一样把机械系统组装起来，形成虚拟样机，然后观察它是怎样运动的，通过计算机的仿真结果，工程师和设计师们便可以评价机械系统的

设计质量。 虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程当中。在概念设计和方案论证中，设计师将自己的经验与想象融于计算机的虚拟样机设计中，充分发挥想象力和创造力，并替代物理样机进行性能模拟试验，通过试验中的反馈信息不断地指导设计，顺利地完

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成产品研发过程。由于虚拟样机比物理样机更易于产生和显示，能方便快捷地反复修改，因此可以有效地节省研制资金的投入和缩短研制周期，提高设计质量和效率，满

足市场需求和竞争的需要。 虚拟样机技术是许多技术的综合，其产生的技术背景比较复杂。它的核心部分是

多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，作为应用数学一个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效的快速算法，近年来的计算机可视化技术及动画技

术的发展为这项技术提供了友好的用户界面。

虚拟样机技术在技术与市场两个方面的成熟也与计算机辅助设计（ＣＡＤ）技术的成熟及大规模推广应用分不开。首先，ＣＡＤ中的三维几何造型技术能够使设计师们的

精力集中在创造性设计上，把绘图等烦燥的工作交给计算机去做。这样设计师就有额外的精力关注设计的正确和优化问题。其次，三维造型技术使虚拟样机技术中的机械系统描述问题变得简单。第三，由于ＣＡＤ强大的三维几何编辑修改技术，使机械系

统设计的快速修改变为可能，在这基础上，在计算机上的设计一实验一设计的反复过

程才有时间上的意义。 虚拟样机技术的发展直接受其构成技术的制约。一个明显的例子是它对于计算机

硬件的依赖，这种依赖在处理复杂系统时尤其明显。例如，火星探测器的动力学及控

制系统模拟是在惠普７００工作站上进行的，ＣＰＵ时间用了７５０小时：另一个例子是在数值方法上的进步发展都会对基于虚拟样机的仿真速度及精度有积极的影响。

此外，虚拟样机技术近年来的快速发展与人们的如下认识有关：即使系统中的每个零件都是经过优化的，也不能保证整个系统的性能是良好的，即系统的优化不是系

统中零件优化的简单盈加。在多种现代设计方法，如有限元法、疲劳设计，可靠性设

计广泛应用于工程实践后，单个零件的设计方法己经趋于成熟，进行系统级优化设计成为进一步的要求，由于传统的物理样机试验设计方法的局限性，采用虚拟样机技术将是系统仿真发展的必然要求。