虚拟样机-概述性文章

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1、虚拟样机技术研究及其在固体火箭发动机一体化设计中的初步实践王锦荷梁伟王俊红冯筠中国航天科工集团六院41所在固体火箭发动机设计领域，许多先进的CAD/CAE软件得到广泛的应用，CAD/CAE软件应用为提高设计自动化水平，提高设计效率和设计质量起到积极推动作用。但对发动机总体设计效率的提高并没有预期的那么显著，其原因在于以下两点：其一，固体火箭发动机设计过程是一项复杂多学科多用户协作的反复迭代过程，在提高部门自动化水平后，形成部门信息化孤岛，发动机设计效率提高的瓶颈在于不同学科领域、不同设计人员、不同工具及模型之间交互的

2、困难，具体体现在工程师不得不在信息获取、维护设计数据的一致性上花费大量时间。其二，在固体火箭发动机设计领域，工程师所利用的应用工具及相应计算模型和数据模型极其复杂，加上设计流程本身固有的复杂性，使得应用之间的交互及对整体设计过程的控制非常困难，设计者之间难以交流设计情况，使得整个系统总体设计效率低下。因此，有必要在固体火箭发动机设计过程中引入并行设计、虚拟样机等现代设计理念，以期获得更高安全性、可靠性，更短设计周期、更少设计花费。1虚拟样机技术传统的产品设计过程，从新产品研制到产品批量生产，需制作多个产品物理原型，但

3、是物理原型特别是具有产品内在功能的原型，其设计周期长、成本高。九十年代以来，随着计算机技术、信息技术、仿真技术和计算机集成制造技术（CIMS）的迅速发展，虚拟原型在产品设计和制造中显示出越来越重要的作用。虚拟原型（VirtualPrototype，VP），即数字化模型（digitalmock-up）是产品物理原型的计算机仿真，是根据产品设计信息或概念描述产生的在功能、行为以及感官（视觉、听觉、触觉等）特性方面与实际产品尽可能相似的可仿真数字模型。虚拟样机（VirtualPrototyping）是建立（Construc

4、tion）和应用（Testing）虚拟原型的过程。包括虚拟原型建模与仿真、虚拟原型设计评价及其他支撑技术如集成设计环境技术、信息集成技术、网络通讯技术等。协同虚拟样机技术（CollaborativeVirtualPrototyping）是在分布的环境下，多领域专家协作建立和应用虚拟原型的方法，它是并行设计、协同设计与虚拟样机技术的综合。62　虚拟样机技术的应用虚拟样机技术的目的是尽可能逼真虚拟产品的物理原型，因此虚拟样机研究具有鲜明的领域特色。当前国际上对虚拟样机技术研究主要集中在以下四个方向：第一种是面向虚拟现实的

5、虚拟样机，强调数字模型在感观特性方面与实际产品的一致性，可以通过数据手套、头盔等对虚拟原型进行实际操作，验证原型外在特性和内部功能及性能等，主要应用在消费类电子、通讯产品及医学等领域，如芬兰的VTT实验室研究的手机虚拟原型。第二种是面向行为、结构仿真的虚拟样机，或称为机械系统仿真，强调数字模型在行为及结构方面与实际产品的一致性，主要是利用虚拟原型仿真产品的几何和运动特性，通过原型可视化进行产品外形设计、布局设计、可达性设计、运动和动力学仿真、装配仿真等，主要应用于机械设计领域。典型的应用是机械系统仿真软件Adams。

6、第三种是面向并行工程的虚拟样机，强调从概念、设计、分析到可制造性等阶段连续的计算机仿真，目的是减少设计反复，缩短产品研制周期，降低成本，主要应用在航空航天、船舶等领域，有代表性的实例是Boeing公司Boeing777客机和西克斯基飞机公司的科曼奇武装直升机研制，采用虚拟原型技术后，前者比起以往飞机设计，减少了94%的花费，减少了93%的设计更改，后者减少了11590小时飞行测试时间，节约经费总计六亿七千三百万美元，获得巨大经济效益。第四种是面向国防工业虚拟采办的虚拟样机。强调虚拟原型在虚拟环境中功能与实际产品的一致

7、性，如美国国防部联合建模和仿真系统（简称J-MASS），J-MASS体现了对新型武器系统研制进行全寿命周期管理的思想，是协同虚拟样机技术在虚拟采办领域的一个典型应用。３　固体火箭发动机虚拟样机技术虚拟样机技术是仿真技术、信息技术和各种计算机辅助技术的集成化综合应用，涉及的领域极其广泛，包括建模技术、管理技术、仿真技术、CAX技术等。固体火箭发动机虚拟样机属于上述虚拟样机应用中的第三种，即面向并行工程的虚拟样机，将虚拟样机技术应用于产品从概念设计、详细设计直至可制造性分析的全过程，以期缩短设计周期，降低成本。固体火箭发

8、动机虚拟样机具有其突出的领域特点。３．１　以数字化产品模型为基础传统的建模方法，如二维几何建模、三维几何建模、特征建模、集成建模等主要集中在产品几何信息的描述上，对虚拟原型这样的复杂系统，模型信息和种类大大拓宽了，包含了许多非几何信息，尤其是系统的动态行为信息。这就要求对这些模型进行有效描述、组织和管理，给用户提供一个逻辑上一致的公共产品信息模