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1、武器系统动力学,Dynamics of Weapon Systems By Guolai Yang Department of Artillery Engineering,Tel: 025-84315894, 13770729621 Email: Address: 主楼205,第一章 绪论,机械系统的虚拟设计及虚拟样机技术 数字化功能样机及机械系统动力学分析与仿真 机械系统动力学分析与仿真的发展方向及前沿,1.1 机械系统的虚拟设计及虚拟样机技术,1.1.1 虚拟产品开发与虚拟样机技术的来源你知道有哪些新的设计方法与理论？ 1) 波音777的研制,波音777的研制成为现代产品开发新技术应用的
2、里程碑，其采用的开发过程 称之为虚拟产品开发（Virtual Product Development, VPD)，应用的开发技术 称为虚拟样机技术(Virtual Prototyping, VP),2） 虚拟产品开发和虚拟样机技术产生的背景是市场激烈竞争的拉动和技术迅速发展的推动共同作用的结果；解决T（最快的上市时间）、Q（最好的研制质量）、C（最低的研制成本） 以及S（良好的服务）和E（尽量少的环境污染）难题的需要；世界已经进入 全球化的知识经济时代，现代信息技术特别是计算机技术得到 了飞速发展与广泛应用。,1.1.2 虚拟产品开发技术,1、虚拟产品开发的特点 1）什么叫虚拟产品开发？根据上
3、述定义，可以发现虚拟产品开发的特点为： 2）虚拟产品开发的特点数字化方式；产品全生命周期；网络协同,数字化方式,虚拟产品开发是产品设计制造的真实过程在虚拟环境中的映像。虚拟产品开发数字化的特征表现在三个方面：产品存在的数字化，产品在开发过程中的不同阶段，直至成品出现之前，都以数字化方式存在，称之为产品的数字化模型。开发管理的数字化，在产品开发过程中，开发过程的管理采用数字化的方式，开发网络的任务是以数字化方式确定和分配的。信息交流的数字化，在产品设计制造的全生命周期中，同一阶段或不同阶段之间，如设计单位内部或设计与制造单位之间，产品信息的交流采用数字化方式，基于数字化模型实现无纸化设计。,产品
4、全生命周期,虚拟产品开发是从产品研究、产品规划、产品设计、产品试验、产品制造、产品销售、产品使用到产品最终报废的产品全生命周期在计算机上构造的虚拟环境中予以实现，其目标不仅是对产品的物质形态和制造过程进行模拟和可视化，而且对产品的性能、行为和功能以及在产品实现的各个阶段中的实施方案进行预测、评价和优化。产品全生命周期的数字化是由CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计），CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）CAM（Computer Aided Manufacture，计算机辅助制造）/PDM（Product Data Mana
5、gement，产品数据管理）技术支持的。目前，CADCAECAM/PDM 技术有了进一步的发展，称之为VP（Vrtual Prototype，虚拟样机）PLM（Product Life-Cycle Management，产品全生命周期管理）, 网络协同,虚拟产品开发是开发网络协同工作的结果，产品本身及其开发过程的复杂性，使得单一公司或部门难以胜任全部的工作，往往是由相关的部门和公司共同组成一个开发网络，协同开发。如上述波音777开发过程中，日本三菱、川崎和富士重工业株式会社承担了20的结构工作。同样，对于复杂的武器系统的研制和开发，也需要多个部门的协调设计、制造与总装总调等。虚拟产品开发的数字
6、化特性以及现代网络技术的发展使得网络协同成为现实，基于网络的协同开发(Collaborative Development)和并行工程(Concurrent Engineering)成为VPD的重要特征。,2、虚拟产品开发使能技术,为了实现具有上述三个特点的虚拟产品开发，需要有相关的使能技术(Enable Technology)支持。虚拟产品开发主要有以下四个方面的使能技术：产品数字化建模；PDM/PLM网络协同技术业务流程重组, 产品数字化建模,虚拟产品开发技术是利用计算机虚拟地实现产品全生命周期的所有活动，这就要求建立一个全数字化的适宜于产品全生命周期的产品模型。与产品开发过程相适应，产品全
7、生命周期数字化模型应该包容以下内容：首先是产品几何模型，几何模型与产品结构设计相 对应，是后续一系列过程进行的基础；其次是产品分析模型，分析模型要求支持以保证和提高产品性能为主旨的各种工程分析，如有限元分析、运动学和动力学分析以及与具体产品类型相关联的特性分析等；再者是产品制造模型，以支持产品的虚拟制造过程。, PDM/PLM,虚拟产品开发技术以数字化方式统一产品的全生命周期过程，但是产品开发过程中的不同阶段有着不同的侧重点，同时不同阶段之间存在着频繁的资料和信息交流，这就要求采用某种方式或工具以实现产品开发不同阶段的产品信息的表示、存储和操作，以及异地设计人员的直接交流，这是靠产品数据管理P
8、DM）系统来实现的。目前产品数据管理系统已经进一步发展为产品全生命周期管理(PLM）系统。,网络协同技术,虚拟产品开发技术将产品的模型定义在计算机上，利用计算机网络通信的技术，使处于异地的产品设计人员也可方便地进行交流，协同进行产品的开发。除了包含设计、制造、装配、试验等专业人员外，还可以有合作开发伙伴以及具体的用户参加，这样便可以使产品的开发者与需求者能共同进行产品的设计。所有活动都是在对计算机中的产品数据模型进行操作，使得产品的开发过程中发现的问题可以通过对产品模型的调整得到迅速的解决。, 业务流程重组,虚拟产品开发技术相对于传统产品开发而言，不只是一种新技术的采用，它改变了传统产品开发过
9、程的几乎所有环节，这就要求生产企业针对自身的实际情况，面向虚拟产品开发进行业务流程的重组并建立相应的数字化过程模型，包括：建立产品开发过程模型，实现过程模型表示、处理、调整、优化和电子化；根据实际生产环境制定相应的生产组织模型，设定各种组织结构、活动分工、责任权限；建立资源模型来描述生产过程中的各种活动信息，如加工设备、工作人员等；制定合适的约束规则和协调机制，从而使产品最终能满足用户的要求。,3、虚拟产品开发流程,产品全生命周期,概念设计和详细设计,数字化设计,迭代过程， 耗时耗费,虚拟产品开发的优点,虚拟产品开发，将传统的产品设计样机建造测试评估反馈设计的循环过程采用虚拟样机技术，以数字化
10、方式进行，避免了物理样机的建造，不仅有利于缩短产品开发周期和降低产品开发成本，而且数字化方式的采用有利于协同工作的进行，数字化模型的应用使得产品全生命周期的统一成为可能。,虚拟样机与虚拟样机技术,由虚拟产品的开发流程可以看到，在虚拟产品开发过程中，起到核心作用的是虚拟样机（Virtual Prototype)， 它统一了产品开发过程中的产品设计样机建造测试评估过程。虚拟样机（Virtual Prototype）和虚拟样机技术(Virtual PrototyPing）是相近的两个概念，但有所区别：虚拟样机侧重于产品的数字化模型，指对一个与物理样机具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机
11、的仿真；虚拟样机技术则侧重于虚拟样机的应用，指使用虚拟样机来代替物理样机对候选设计方案的某方面或综合的特性进行仿真测试和评估的过程。,1.1.3 虚拟样机技术,虚拟样机技术是近些年在产品开发的 CAX如 CAD、CAE、CAM等技术和DFX如DFA（Design For Assembly，面向装配的设计）、DFM（Design For Manufacture，面向制造的设计）等技术基础上发展起来的，它进一步融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统开发模式，利用虚拟样机代替物
12、理样机对产品进行创新设计测试和评估，以缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。,1）虚拟样机技术的内容,数字化物理样机对应于产品的装配过程DMU充分利用镶嵌式的三维零件实体造型技术，以增强对大型系统的快速显示和浏览能力，实现造型、装配、浏览、运动轨迹包络、冲突检测等功能，并有效支持协同设计、巡航测览、干涉碰撞检测等。在与产品数据管理（PDM）系统集成的情况下，DMU能提供有效的方法以保证产品的所有零部件配合良好（fit 特性），并且显示为所设计的形态（form 特性）。国外在这方面领导潮流的公司或产品主要有Tecoplan、EDSVisMockup、
13、Clarus和 Division等。, 功能虚拟样机对应于产品分析过程利用三维零件的实体模型和零件有限元模型的模态表示和动力学模型，在虚拟实验室或虚拟试验场的仿真试验中精确地预测产品的操作性能，如运动操纵性、振动噪声、耐久性疲劳、安全性冲击、工效学舒适性等等。在这方面居领先地位的主要产品有MSCADAMS、LMSDADS、Simpack等。虚拟工厂仿真对应于产品的制造过程用于评价产品的制造性能，比较典型的软件有TecnomatixeMPower、DenebQUEST（现为Delmia公司产品）。,1.2数字化功能样机及机械系统动力学分析与仿真,在虚拟样机技术三个主要内容中，狭义的虚拟样机技术及
14、其实现功能虚拟样机起着重要的作用，它不仅将传统的基于有限元的CAE技术推广到系统级的功能与性能的分析与仿真，更具意义的是功能虚拟样机实现了虚拟试验数字化物理样机与试验环境的集成。在功能虚拟样机或数字化功能样机内容中，机械系统动力学分析与仿真起着重要作用，下面我们主要对机械系统动力学分析与仿真的内容，及其在数字化功能样机中的地位，将进行初步的讨论。,1.2.1 功能虚拟样机,1）功能虚拟样机的作用 借助于功能虚拟样机技术，在产品设计阶段，工程师就可以驱动数字化功能样机进行未来物理样机在实验室或试验场所能做的性能测试与评估，并直接根据评估结果进行设计过程中的修改； 功能虚拟样机还能直接实现多功能优
15、化，以取得运动学与动力学性能、安全性、耐久性、舒适性及成本等全面性能要求的良好平衡（Trade-off）。 借助于功能虚拟样机技术，可以实现工程师之间更为紧密的合作，还可以建立制造商与供应商之间更为和谐的关系。,2）功能虚拟样机实现的过程,建造过程功能虚拟样机的建模过程。实体建模，利用三维建模软件创建实体模型，对于已经存在数字化物理样机的产品，可以直接从已有的几何模型引入零件实体模型；有限元建模，通过有限元分析软件引入零件有限元模型；构建功能虚拟样机，定义物体、运动学约束、载荷等，建立起功能虚拟样机的模型。在功能虚拟样机中，子系统或系统级虚拟样机由数学定义的约束连接刚性或柔性的组件零件组成，其
16、中几何和质量属性来自组件实体模型，结构、热和振动属性来自组件有限元模型或实验测试。功能虚拟样机贯穿于产品设计全阶段，在产品概念设计，建模过程是从简单的示意图开始的，随着产品结构的细化与完善，功能虚拟样机也逐步接近于目标产品。,测试功能虚拟样机的重要目标传统的实物理样机包括不同情况下的试验室试验和试验场试验，虚拟样机也包括与之对应的两种试验。为了建立虚拟试验室，需要构建虚拟实验设备，以再现实际中在固定设备和机器上进行的试验过程，并确定边界条件；对于虚拟试验场，需要构建体现物理试验场中实际操作条件的虚拟模型，如汽车试验的标准跑道，飞机试验的起落跑道，武器射击的标准靶场等。为了实现有效的功能虚拟样机
17、，物理样机的物理试验与虚拟样机的仿真试验之间的紧密配合是必不可少的，两者的配合是从零部件和系统两个级别实现的。, 验证目的：通过将虚拟试验的结果与物理试验相对照，根据两者差别调整虚拟样机模型参数和假定，以期建立与物理试验相一致的功能虚拟样机。传统的试验：物理样机试验往往是针对不同特性从多个角度进行的，如汽车，就要进行平顺性、操纵稳定性、NVH、耐久性等试验，而且每种特性试验往往要重复多次，这些都是非常费时、费力、费钱的；作用：借助验证合理的功能虚拟样机，可以大大地减少物理试验的种类和次数，并且功能虚拟样机可以产生足够多的信息以支持产品决策。在验证阶段，还可以通过参数敏捷性分析确定对所关心性能指标或目标函数影响最大的若干关键参数，作为改进设计的根据。,
