一种基于面向对象的机械系统虚拟样机技术初探

穆以东　尹成强　赵岭

摘 要:本文首先简要叙述了机械系统仿真技术的概念及其应用，同时，还将本轮开发的主要过程进行了简单的描述。对于本次机械系统虚拟样机的开发研究的主要内容只是在理念方面做了相应的陈述。最后，对于机械系统虚拟样机技术的应用场合和效果给予了简要的概括。本文旨在理念和概念方面给虚拟样机开发技术起到一定的借鉴和引导作用。

关键词:面向对象虚拟样机仿真分析原型系统

中图分类号:TH122 文献标识码：A 文章编号:1674-098X(2012)07(c)-0042-01

虚拟现实(Virtual Reality)技术是一种研究人与计算机之间理想交互方式的技术，以实现人-计算机界面的理想匹配为目标。即采用以计算机技术为核心的现代高技术生成逼真的视、听、触角一体化的特定范围的虚拟环境，用户借助必要的装备以自然方式与虚拟环境中的客体进行交互作用、相互影响，从而产生亲临等同真实环境的感受和体验。一方面，人们习惯于日常生活中的人与人、人与环境之间的交互方式，其特点是形象、直观、自然，如可见、可听、可触、可摸。另一方面，计算机有着很强的计算能力，随着图形生成、图像处理、语音处理、传感器以及多媒体技术的发展，计算机处理视觉、听觉、触觉、力觉等信息的能力大大增强，而且这种能力是随着技术的发展而逐步提高的。

1 机械系统运动仿真的应用

利用机械系统仿真技术的的开发过程是:(1)概念形成;(2)构思原理;(3)建模;(4)仿真试验;(5)建造样机;(6)物理样机试验，因为仿真试验的反复开展均是在计算机上进行的，所以过程快捷有效;而且通过其反复进行排除了设计中的大多数动力学故障，从而大大降低了物理样机实验的失败率。利用机械系统运动仿真技术的开发方法具有开发周期短、节奏快、开发成本低、反馈信息迅速全面、容易掌握等特点。

2 机械系统虚拟样机技术研究的主要内容

2.1 在机械系统运动仿真分析中应用面向对象技术

面向对象技术是一种起源于面向对象的计算机语言，同时又优越于计算机程序设计和软件开发的技术。由于面向对象技术的概念和方法是建立在人类在认识和理解客观现实世界的过程中普通运用的三个法则的基础之上的，亦即区分对象及其属性，区分整体对象及其组成部分和不同对象类的形成及区分。因此，人们能利用一种更符合人们的思维习惯，更适合于解决复杂问题的方式来处理所研究对象。目前，面向对象技术已遍布计算机软硬件的各个领域，如面向对象语言、面向对象的程序设计方法学、面向对象的计算机体系结构等。

2.2 确定用于描述机械系统的数据结构

数据结构是介于数学、计算机硬件和计算机软件之间的非常重要的技术基础。其实质就是对确定的问题选择一种好的数据结构，同时也选择一种好的算法。目前，数据结构不仅是一般程序设计的基础，而且是设计和实现编译程序、操作系统、数据库系统及其它系统程序和大型应用程序的重要基础。

首先，“机械系统虚拟样机”计算机通用软件系统需能准确、恰当、完整的存储整个机械系统的模型，描述组成系统的各零部件间的连接关系、受力情况、运动激励等;其次，各种信息必须易于添加、修改、删除和查找;此外，也要考虑到机械系统的多样性和复杂性。因此，数据结构本身不能对机械系统的形式和规模有限制。由于机械系统的拓扑结构可由网络图来描述，其接点间的关系可以是任意的，任意两个数据元素之间都可能相关，因此不能用线性或层次数据结构来描述。为此，应该以图形表达方式来作为基础数据结构将物理空间中的机械系统映射到计算机中，以方便对其进行操作。

2.3 建立基于图形的前、后处理界面

计算机图形用户界面以方便、自然、友好的人机交互方式为主要优点。但“机械系统虚拟样机”计算机通用软件系统本身涉及到较深的力学及数学专业知识，要使通用软件达到上述要求，其关键就在于对其前、后处理界面的设计。对于前后处理界面的要求是:只要用户采用常用的工程技术语言进行简单的操作，输入系统必须具有明确物理意义的参数，提出对于将进行的仿真分析及所关心的分析结果的基本要求即可，其余的工作都交由计算机来完成，最后由计算机以直观、简明的方式为用户给出最终结果。而计算机所进行的所有操作对用户而言是“透明”的。

“机械系统虚拟样机”计算机通用软件系统的用户为国内机械制造业的广大工程技术人员，他们当中大多数人员的专业技术水平很高，但英语及计算机水平却参差不齐，而且通常缺乏对刚体系统动力学的系统学习和专门了解。因此，开发软件系统前、后处理组件的目的在于:一方面将用户常用的工程技术语言及简单的操作方式转化为计算机系统所能识别并且易于操作的数据，另一方面将用户的输入结果及计算机的处理结果转化为直观、准确的信息反馈给用户;并且对用户的输入信息机械处理及扩充，以便于其它组件的调用和处理。

2.4 建立进行机械系统动力学仿真分析的算法

“机械系统虚拟样机”计算机通用软件系统的核心是运用多体系统动力学的理论与方法对物理机械系统的力学模型进行计算分析。通过对于多体系统动力学理论的分析研究，在兼顾理论与实践两方面情况的前提下，采用具有几何与计算相统一的优点的休斯敦方法，作为具有凯恩方法的优点。此外，为方便起见采用多体系和相对坐标进行物性参数的描述。该算法可用于进行系统的运动学及动力学分析。

2.5 软件原型系统的实现

综合运用以上建模原理及算法，并使用相应的显示设备(大屏幕显示、CRT显示等)、跟踪设备(头部、手部跟踪设备)、手动数字化设备(三位鼠标、空间球等)及其他感官设备，同时使用快速立体图像生成、三维交互、分布式实时处理系统等软件系统，设计开发一套具有自主版权并具有良好人机界面的，面向我国中、小型机械企业的、商品化的“机械系统虚拟样机”计算机通用软件系统。

3 结语

总之，通过以上方法设计出的机械系统虚拟样机技术不但可用于系统方案论证及评估，而且还可用于产品的概念设计阶段、设计细化阶段、实验规划阶段以及工作状态再现等的全过程中。由此可见，机械系统虚拟样机技术作为进行样机设计、仿真研究复杂机械系统动力学问题的有效手段，它不但可以帮助产品制造商摆脱对于物理样机的过分依赖，而且大大缩短了产品的设计开发周期，降低成本，进而突破制约产品设计水平提高的“瓶颈”。

参考文献

[1] 续彦芳,崔俊杰,苏铁雄.虚拟样机技术及其在ADAMS中的应用[J].机械管理开发,2005(01).

[2] 郑晓曦,孙国正.虚拟样机系统[J].计算机工程与应用,2005(01).