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虚拟样机技术在装备研制中的
作用与应用研究
邢俊文，杨静波，迟宝山
（装甲兵工程学院，北京#）" " " ) !
摘要：该文对虚拟样机技术的概念、特点、发展及其功用进行了阐述，并结合国军标
+, -&" " #. /! " " #有关规定，对该技术在我军装备研制中的作用和应用范围进行了具体
而深入的研究0特别指出它在提高装备研制质量与效率、降低研制风险方面能够发挥出
的巨大效能0从而为该技术的推广和应用指明了方向和途径0
关键词：虚拟样机；装备研制；应用研究
中图分类号：1, $##文献标识码：.
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虚拟样机技术是一项新生的工程技术0是工程师们在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统的设计与过程的技术0
虚拟样机技术是许多技术的综合0它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现0作为应用数学的一个分支的数值算法及时地提供了求解这种问题的有效的快速算法0近年来的计算机硬件技术、可视化技术及动画技术的发展为这项技术提供了可靠的运行环境和友好的用户界面；同时，2／. 345. 等技术的发展也为虚拟样机技术的应用提供了技术环境0
虚拟样机技术的迅速发展和广泛应用与其特点密不可分0虚拟样机技术最重要的特点是能够缩短开发周期，提高产品质量，降低产品成本而且改变产品设计的过程顺序0同时，依据该技术所建立的虚拟模型可以完成许多在方案设计论证阶段无法实施的试验测量任务0并可对产品性能进行预测0
3虚拟样机技术的发展与应用现状
34! 虚拟样机技术的发展背景
! " 年前，复杂机械系统运动学和动力学的理论框架就已搭起，相应的数学方法业已提出0研究人员走出了象牙塔，努力把研究成果转化为商品，使其被工业界接受并变成一项相对独立的产业技术，改变了传统的设计思想，对制造业产生了深远的影响0
收稿日期：! " " #$#%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试验，有时这些试验甚至是破坏性的! 当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证! 只有通过周而复始的设计! 试验! 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! 样机的单机手工制造增加了成本! 在市场竞争的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品质量提高、成本降低和对市场的占有!
虚拟样机技术的应用贯穿在整个设计过程当中! 它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机里的虚拟模型里，让想象力和创造力充分发挥! 当虚拟模型用来代替实际模型验证设计时，开发周期缩短，设计质量和效率得到了提高!
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" ##工作站上进行的，$%&时间用了" ’#(! 另一个例子是在数值方法上的进步发展都会对基于虚拟模型的仿真的速度及精度有积极的影响!
虚拟样机技术也与计算机辅助设计（$技术的成熟及大规模推广应用分不开! 首先，) *）
$) *中的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造性设计上，把绘图等烦琐的工作交给计算机去做，这样设计师就有更多的精力关注设计的正确和优化问题；其次，三维造型技术使虚拟样机技术中的机械系统描述问题变得简单；第三，由于$) *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，在计算机上的设计实验、设计的反复过程才有时间上的意义，如+、%／, -. /. 0, 123456、7*8等软件!
随着计算机软硬件技术的迅猛发展和机械系统动力学和控制理论的完善，虚拟样机技术变得越来越成熟，能够完成的虚拟样机功能越来越强大，国外虚拟样机技术的商品化过程早已完成，目前有二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争，比较有影响的产品包括机械动力学公司（7）的) ，$9:(; . :3?
%) $A ! 而7*? 公司占据了市场的" #B ，最近，韩国又推出了49:C 1/
和履带式结构仿真中有较好的效果!
! " ! 虚拟样机技术在国外的应用情况
虚拟样机技术已广泛应用在各领域里：汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业! 涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快门，从火箭到轮船的锚机! 在各领域里，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节省了开支、时间，并提供了满意的设计方案! 特别是在军用装备的研制、生产和试验中，该技术正发挥着前所未有的作用!
美国陆军训练与条例司令部于D E E F 年’月成立了作战实验室综合技术处，下设六个实验室! 主要任务是在国防经费有限的情况下，寻求高回报率的技术途径! 实验室最突出的特点是全面采用仿真技术，首先用计算机对新发展的或改进研制的武器系统的虚拟样机进行计算机模拟试验，然后才进行生产投资，以此来提出精确的要求，缩短采办周期，加快武器装备研究进度，达到节省日益短缺的国防资源的目的! 美军认为，由于装备研制和试验费用不断上涨，仿真技术成本不断降低和逼真度不断提高，仿真技术具有越来越大的应用价值! 据资料介绍，美军在先进两栖车) ) ) G 的研制中全面使用了该技术，该车是目前世界上最先
进的两栖突击车!
国外成功应用该技术的事例还有很多：工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动一直困扰着设计师及用户! 由于工程机械系统非常复杂，传统的分析方法无能为力，找不出原因! 约翰・迪尔（）公司的工程师利用虚拟模型技术对其工程机械产品" #$%&’’(’
进行分析，不仅找到了原因，而且提出了改进方案并且在虚拟模型上验证了方案的有效性! 通过实际改进，该公司产品的高速行驶性能与重载作业性能大为提高!
! 虚拟样机技术在我军装备研制中的作用
! " #能够有效提高研制质量并降低研制风险
我军为规范军用装备研制与生产程序，进一步提高装备研制质量，有关部门批准颁布了国家军用标准) " *+, , -. /0, , -! 在该标准的“12-产品实现的策划”对军品规定“组织对复杂产品实现的各阶段都应进行风险分析与评估，形成各阶段风险分析文件，并提供给顾客! ”同时在“1232-设计与开发策划”中规定“运用优化设计和可靠性、维修性、综合保障等专业工程技术进行产品设计与开发”! 运用虚拟设计技术可对军品研制进行有效的风险分析、优化及可靠性维修性设计，因此，这些规定从根本上体现了虚拟样机技术在军品研制中的地位和作用!
! " $能够有效缩短研制周期并减少研制成本
虚拟样机技术由于改变了产品设计的过程顺序，可进行优化与可靠性设计，大大降低产品研制的风险! 避免进行反复的物理样机试验与改制过程，有效地缩短装备的研制开发周期，降低装备的研制成本! 此特点非常适于军品开发时效性的要求! 因为在战时，谁拥有高性能的武器装备，谁就有可能赢得战争的胜利，而谁最先研制出高性能的装备，谁就会必然赢得战场的主动权! 因此，将该技术成熟地应用在我军的装备研制中也非常紧迫!
如果在军用装备的研制初期进行虚拟样机设计，建立装备完整的虚拟样机模型，军方就可对研制单位的产品在方案评审中进行准确的评价，从而避免因设计方案不妥而发生的不应该继续实施的装备研制进程! 同时，如果建立了大量装备虚拟样机与部件数据库后，军方的指标要求和方案要求都可以由此与研制单位进行交流与确认! 可把装备研制中的可能发生的问题解决在初始的设计阶段，既降低风险、提高质量；又加快了进度，减少了成本! %虚拟样机仿真平台的结构
近年来，该技术在国内有所发展，并引进了国外一些相关商业化软件，如美国4&5公司开发的. &. 46软件，韩国的7’89(:%软件等，并且出现了各相关领域的虚拟实验室! ;
虚拟样机仿真平台依托于多种高性能的仿真软件，图-就是一个典型的虚拟样机软件平台! 在该平台下，工程师通过数学建模、运动学、动力学、结构和其他性能分析，快速建立包括控制系统、液压系统、气动系统在内的复杂机械系统虚拟样机，并对其进行深入的仿真分析与研究，以达到优化设计和正确评估的目的!
图! 虚拟样机的软件平台
! 应用范围与前景
虚拟样机技术作为一门新技术，应用在新产品研制中可使开发的周期缩短、费用降低、质量提高，这种特点尤其适用于军用新装备的研制，它可被应用在装备的论证、设计、制造、试验、故障再现和性能评估等各个环节"
它在装备研制中的应用体现在虚拟设计的每一阶段：
以轿车的虚拟设计过程为例，它分为概念设计、虚拟样机设计、虚拟验证与试验和物理样机设计四个阶段" 在每一阶段，装备研制的虚拟设计都包含着不同的具体内容（如图#）" 如果新装备的论证和研制采用这项技术，它将会缩短研制时间、降低费用、提高装备性能，从而使装备能快速生成强大的战斗力" 同时，如果采用该技术，可从各个方面对现装备性能得到较为准确的评估，从而可有针对性地提高现装备的性能"
图#虚拟样机技术在装备研制中的应用情况
在现代高科技的战争中，装备性能的好坏直接影响着部队的作战能力" 谁最先研制出高性能的装备，谁的武器开发费效比低，谁就能赢得战场的主动权，而虚拟样机技术正适应这种军事斗争的需要" 因此，加快虚拟样机在军用装备研制中的应用，必将会有效提高我军装备的战斗力
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参考文献：
［］" ［+］! #$%&&! ’() &&! *质量管理体系要求解释提纲与实施要点*
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参考文献：
［］李洪人*液压控制系统［T ］! *北京：国防工业出版社，! %U ! *
［］何钺*现代控制理论基础［T ］) *北京：机械工业出版社，! %U U *
［］薛定宇*反馈系统计算机仿真［T ］V *北京：清华大学出版社，) &&&*
［］金达峰等*主动油气悬架试验模型的研制［］，（）：S #*汽车工程，) &&&) ! &&(! &V *
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虚拟样机技术的迅速发展和广泛应用与其特点密不可分0虚拟样机技术最重要的特点是能够缩短开发周期，提高产品质量，降低产品成本而且改变产品设计的过程顺序0同时，依据该技术所建立的虚拟模型可以完成许多在方案设计论证阶段无法实施的试验测量任务0并可对产品性能进行预测0
3虚拟样机技术的发展与应用现状
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随着计算机软硬件技术的迅猛发展和机械系统动力学和控制理论的完善，虚拟样机技术变得越来越成熟，能够完成的虚拟样机功能越来越强大，国外虚拟样机技术的商品化过程早已完成，目前有二十多家公司在这个日益增长的市场上竞争，比较有影响的产品包括机械动力学公司（7）的) ，$9:(; . :3?
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国外成功应用该技术的事例还有很多：工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动一直困扰着设计师及用户! 由于工程机械系统非常复杂，传统的分析方法无能为力，找不出原因! 约翰・迪尔（）公司的工程师利用虚拟模型技术对其工程机械产品" #$%&’’(’
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图! 虚拟样机的软件平台
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