虚拟样机技术在采掘机械领域中的应用与展望

马国成 盖东民 王功民

1.沈阳航天新光集团有限公司，辽宁 沈阳 110143；

2.沈阳航天新光集团有限公司，辽宁 沈阳 110143；

3.辽宁汽轮动力葫芦岛有限公司，辽宁 葫芦岛 110143

20世纪80年代以来，伴随着经济全球化的浪潮，全球市场在相互交流促进的同时，竞争也愈来愈激烈；因此越来越多的企业开始积极主动地采用更加先进的制造技术。而虚拟样机技术作为新兴的重要设计研发手段，正在成为各国研究的热点和重点[1]。计算机虚拟仿真的重要作用主要体现在以下四个方面。

（1）能够分析样机在不同工况下的性能；

（2）以虚拟的环境代替真实的环境使产品研发更加科学高效；

（3）作为评价各种不同设计方案优劣的有效工具，能够进行最优选择；

（4）能够模拟各种实验环境，分析系统的状态，对系统进行定量和定性分析。

1 国内采煤机研究现状

我国对于采煤机的研发开始于20世纪50年代初期，以从苏联引进链式联合采煤机为起点，自行组织研发生产。但因其生产率低、可靠性差，没能得到广泛的使用；60年代，引进了波兰先进的滚筒式采煤机，并组织科研人员研发了同类产品；70年代初，从德国、法国等当时采煤机比较先进的国家大量引进采煤机，通过不断的研究和学习，到80年代已经基本掌握了液压牵引采煤机的相关技术。至90年代中期已掌握了先进的技术，如交流变频电动牵引采煤机。特别是最近几年以MG型为代表的各类自主研发的采煤机在我国各大煤矿得到广泛使用。

2 传统设计方法

我国传统采煤机的设计方法是“由下到上”，即从部件到整体设计[2]。根据以往设计实例和经验，研发人员在图纸上设计出所需的样机，生产人员再按照设计图纸做出样机，然后对样机进行各项性能实验。如果物理样机出现问题或者不能满足预定的设计要求，就要对样机进行修改、实验直到满足要求为止。这样，不仅拉长了产品从研发到投入市场的周期；而且大大增加了设计研发的投入。虚拟样机制造技术将产品研制工作中虚拟装配的样机得以在计算机虚拟的工作环境下进行虚拟仿真，广泛应用前沿的计算机软、硬件技术检测产品质量，提高产品性能，缩短开发周期[3]。

3 虚拟样机技术的发展

虚拟样机技术是一种较新的设计方法，产生于20世纪80年代，并在20世纪90年代初得以高速长发展。一些发达国家已经将其大量地应用在工程机械、航空航天、国防工业等领域[4，5]。当前，虚拟样机已经从单学科主导慢慢向多学科交叉融合的方向转变，传统的设计也正在向考虑全寿命周期的动态综合设计方向发展[6]。

该技术也是一种基于计算机仿真模型的产品数字化设计方法，在计算机营造的虚拟仿真环境下对虚拟样机进行各项性能实验。此外虚拟仿真还可以将不同工程领域的模型结合在一起，在产品实验阶段用以替代物理样机对产品的性能、结构进行改进优化和仿真评估[7]。虚拟样机技术在采掘机械领域的广泛应用，使产品开发从传统的“设计—样机制造—试验分析”模式走向了“设计—数字仿真—产品样机”的新模式。这对于促进产品的改进创新，提高设计质量，缩短开发周期，降低生产成本，具有重要意义[8]。

4 虚拟样机技术研究概况

目前，虚拟样机技术的研究主要建立在校企合作基础之上，大致可以分为三个阶段。

首先，以美国Iowa大学与Caterpillar公司合作为例:共同开发了装载机专用仿真软件IDS (Iowa Driving Simulator）。至开发经历了以下3个阶段：

（1）在综合考虑轮胎和液压系统的前提下，建立了装载机虚拟模型，模拟了装载机工作过程，检测了各项性能。

（2）研究开发了用户界面，建立了矿山生产条件下的装载机虚拟仿真环境。研究人员可以在用户界面中修改装载机模型的参数，包括传动系统参数、液压系统参数和轮胎参数等。修改所需要研究的参数后，装载机能够在虚拟环境中按照修改后的参数重新装配仿真，精确性较高，实时性较强。

（3）由于装载机的发动机采用液压马达驱动，因此仿真模型中连接了液压与传动系统，该系统的仿真精度得到了进一步提高。在研究中，成功地解决了机械与液压系统的协调问题，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能[9]。

其次，以沃尔沃公司与Linkoping、Royal Institute of Technology等公司的合作为例。合作制订了VISP研究项目，用以解决复杂工程车辆多学科仿真问题。VISP以装载机为研究对象，为研发人员提供合适的方法，开发友好的动力学分析研究软件平台，用以进行复杂工程车辆的建模和仿真。

5 虚拟样机技术的特点

现在研发已从传统设计方法:设计—试制—试验—改进的漫长过程中解脱出来，用虚拟样机替代物理样机进行产品的开发，用计算机进行仿真测试，进行产品模拟试验。虚拟样机技术与传统的基于物理样机的产品设计方法相比具有如下特点。

（1）直观性:能够生动形象地表达产品的设计方案。

（2）虚拟性:用虚拟的样机在虚拟的工作环境下进行虚拟模拟仿真。

（3）实时性:可以根据仿真结果在虚拟环境下对样机修改再仿真。

（4）综合性：支持不同学科领域间的虚拟化协同设计与仿真。

6 虚拟样机技术发展展望

从虚拟样机发展的历程来看，大致可以分为两个阶段。

第一类主要是依赖键盘、鼠标、显示器等常规计算机输入输出设备进行分析和模拟仿真的分析型虚拟样机(Analytical Virtual Prototyping)。这类虚拟样机可以为研发者提供建模、加载以及仿真平台。其中MSC. Software公司的ADAMS和CADSI公司的DADS较成熟。

第二类是以计算机硬件技术的发展为基础，利用人机交互技术，并配备数据手套、头盔等设备，使得设计者能够身临其境地感受虚拟工作环境。数据手套、数据头盔等的出现给虚拟样机技术的发展带来了机遇。在虚拟现实的条件下，对虚拟样机技术设计的产品进行测试和评估将是今后虚拟样机技术的主要发展方向，简言之，就是在虚拟现实环境下的虚拟样机技术。