虚拟原型技术（精选六篇）
虚拟原型技术 篇1
1.1 机电一体化简介
机电一体化技术实现了机械、信息和微电子三门技术的交叉融合, 通过相关软件将电子设备和机械设备结合成一个有机系统, 在这个系统中融合了更为具体的自动控制技术、信息处理技术、伺服传动技术以及系统技术等。因此, 机电一体化是一个实现多学科交叉的技术密集型系统工程。利用机电一体化技术, 在机械设计和制造领域可以实现产品结构、性能以及材料的变更, 达到缩小体积、改善性能、提高精度的目的。
1.2 机电一体化的前景
在当今科学技术发展日新月异的年代, 各种新工艺和新技术不断涌现, 间接地促进了机电一体化的持续向前发展, 其特点主要体现在以下几个方面:
(1) 智能化。机电一体化以控制理论为基础, 通过吸收信息技术、人工智能、运筹学、心理学以及生理学等各种学科最新的设计思想, 可以达到模拟人类思维的能力, 在一定程度上代替人的脑力劳动, 有利于更高水平地实现控制目标。
(2) 微型化。目前, 利用先进的半导体蚀刻技术已经可以将微米级别的机械元件生产出来, 如果将这些元件用于实际的生产过程就没有必要区分机械部分和控制器, 实现了机械和电子的完全融合, 机体、CPU、执行机构和传感器等集成在一起而成为一种体积小的自律元件。微机电一体化产品有占有空间小、有效的节约能源以及运动敏捷灵活等特点。
(3) 光机电一体化。由于机电一体化系统由能源系统、传感系统、机械系统和信息系统等多个部分组成, 因此在机电一体化系统中引入光学技术可以充分利用光学技术的优点, 对上述系统进行改进, 使其性能更优越。
(4) 产品绿色化。产品的绿色化是指产品在使用的过程中不会对生态环境造成破坏, 并且在产品报废后还能被重复利用。因此, 机电一体化产品在设计、研发及生产的过程中应符合保护生产环境和人类健康的要求, 尽可能降低对生态环境的危害, 不断提高资源的利用率。
2 机电一体化与虚拟原型技术
机电一体化的迅猛发展, 取代了传统机械设计的固定模式, 超越了动力机械和操作机械的范畴。机电一体化产品的研发设计过程经历了如下三个阶段:单行开发、并行操作的开发、基于虚拟原型的先进研发过程。
利用单行研发方式进行机械产品的设计时有研发周期长、研发成本高等缺点, 同时产品的机械性能也得不到保证。而基于虚拟原型的并行设计方式充分融合了机电一体化技术的优点, 改进了传统设计方式的不足之处, 打破了各方面的设计壁垒, 在样机制造完成之前就可以将产品不同功能的部分进行优化和改进, 从而以最小的投入获得最好的设计效果。
虚拟一体化设计理念的提出全面考虑了机电系统中的虚实结合问题, 对虚拟设计模式的思想更是进一步的完善和丰富。虚拟设计着重于产品前期的设计研发阶段, 对于产品初步设计和详细设计阶段的应用日趋成熟, 能很好的解决并行设计所带来的不足, 满足复杂产品研发多领域的要求, 更重要的是克服了传统设计所带来的问题。
3 虚拟原型的机电一体化的设计结合
虚拟原型技术在机械产品的研发设计和制造过程中扮演的角色越来越重, 为后续的加工奠定了基础, 具有传统的机械设计方法所不具有的优点, 本文以具体的设计案例对此加以说明。图1为以基于虚拟原型设计的液压伺服机构, 利用Solid Works软件绘制。
如图1所示, 利用Solid Works软件所带的仿真插件, 模拟此机构的运动。当给系统输入定值后, 在采集模块softmotion将采集到的数据传递给线性马达, 进而带动工作台运动。
此虚拟模型的液压机构, 可以模拟液压系统在各种复杂情况下位移、压力和流量等参数的变化情况, 通过液压流量公式将流量转化为工作台的速度。对采集到的数据, 利用Solid Works中的运动分析性能可进行驱动仿真, 通过这样的虚拟模拟, 不仅大大节约了研发的成本, 节约了时间, 还能更好的掌握机械产品各方面的性能, 有利于提高产品的可靠性。
摘要：随着社会的快速发展, 各个学科之间相互交叉与渗透, 机械工程、电力电子与控制工程的协同集成, 促进了机电一体化技术的蓬勃兴起。在此前提下, 虚拟化原型设计得到了充分的运用, 在产品样机制造前, 实现一次到位的产品开发定型, 大量节约了产品的开发时间。虚拟设计是以现实为依据, 在虚拟的场景下, 以机械产品为研发设计对象进行开发的方法。
关键词：机电一体化技术,虚拟原型技术,同步仿真
参考文献
[1]王惠能.基于虚拟原型的机电一体化设计研究[D].西安电子科技大学硕士学位论文, 2011.
[2]朱喜林, 张代治.机电一体化设计基础[M].北京:科学技术出版社, 2004.
虚拟原型技术 篇2
随着计算机科学技术的发展, 互联网中使用HTML (Hyper Text Markup Language, 超文本标记语言) 对三维物体的显示效果越来越不能令人满意, 单调、交互性差的弱点越来越明显。VRML (Virtual Reality Modeling Language, 虚拟现实建模语言) 可以通过创建一个虚拟场景而达到现实中的效果, 从而创建一个全新的可进入、可参与的三维立体虚拟现实世界。
1 虚拟现实技术概述
虚拟现实是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式。虚拟现实中的“现实”是泛指在物理意义上或功能意义上存在于世界上的任何事物或环境, 它可以是实际上可实现的, 也可以是实际上难以实现的或根本无法实现的。而“虚拟”是指用计算机生成的意思。因此, 虚拟现实是指用计算机生成的一种特殊环境, 人可以通过使用各种特殊装置将自己“投射”到这个环境中, 并操作、控制环境, 实现特殊的目的, 即人是这种环境的主宰[1]。
虚拟环境的实现过程基本分为三步:第一步是几何建模, 主要包括用多边形或三角形拼构成对象的立体外形;第二步是形象建模 (也称物理建模) , 主要包括对几何建模的结果进行纹理、颜色、光照等处理;第三步是具体程序实现。前两步是虚拟场景的构建过程, 第三步则是场景的控制过程[2]。
2 房屋原型系统的几何建模
几何建模就是形体的描述和表达, 是建立在几何信息和拓扑信息基础的建模。几何信息一般是指物体在欧氏空间 (欧氏几何所研究的空间称欧氏空间, 它是现实空间的一个最简单并且相当确切的近似描述) 中的形状、位置和大小, 一般指点、线、面、体的信息。拓扑信息则是指物体各分量的数目及其相互间的联接关系[3]。
实体建模用于构造具有封闭空间, 称为实体的几何形体。实体建模在表面模型的基础上明确定义了在表面的那一测存在实体, 增加了给定点与形体之间的关系信息。它能完整地表示物体的所有形状信息, 具有完整性、清晰性、准确性。在实体造型系统中, 可以得到所有与几何实体相关的信息。由实体造型构造的模型称为实体模型 (Solid Model) 。
根据产品模型的生成描述方式不同, 实体建模生成物体的方法有体素法、扫描法等。但在房屋原型系统的设计中主要使用的是构造的实体几何表示法 (Constructive Solid Geometry Representation) , 简称CSG法。CSG法以二叉树的形式说明通过基本体素间的几何运算来构造复杂形体的过程, 这种形式称为CSG树形结构。CSG树形结构的叶子节点表示体素或其几何变换参数, 中间节点表示施加与其上的集合运算或几何变换的定义, 其根节点为构造的几何形体。
房屋建筑原型的结构组成主要由28个三维实体 (如图1所示) , 这28个实体是通过CSG法组合而成, 使用VRMLPad先对其简单定义, 然后导入Cosmo Worlds进行实体的颜色, 大小以及纹理的调整。
3 房屋原型系统的形象建模
光源的作用是照亮物体, 使物体表面看上去更加清晰。光源的设置可以让VRML场景内容更加丰富。VRML技术对现实世界中光源的模拟实质上是一种对光亮度的计算。VRML通过对物体表面的明暗分布的计算, 使物体与环境产生明暗对比。在VRML中可以模拟直接光线和环境光线所产生的效果。为了控制环境光线的多少, 对VRML提供的光源节点, 可以设置一个环境度值, 如果该值高, 则表示VRML世界中产生的环境光线较多。DirectionalLight定义了一个有方向的平行光光源, 光源的面积可认为是无限大。这一光源只照亮由父节点支出的所有节点对象。intensity域指定直射光强度, 取1.0到0.0之间的值;color域指定光源颜色;direction域在节点的局部坐标系内指定光源照射方向的矢量。on域是光源开关, on=TURE时光源发生作用。SpotLight节点在节点的局部坐标系中定义了一个有方向性的光源, 光线从指定点向指定方向在一定立体角范围内发射, 形成一个光锥。光源照亮所有的节点对象。beamWidth和cutOffAngle这两个域指定发光角度的范围, 取值范围是从0.0到∏/2。其中, cutOffAngle域指定光线偏离中心轴的最大角度, 在此角度外光强0。beamWidth域指定全强度光线偏离中心轴的最大角度, 在此角度内, 光线强度与角度无关。在这两个角度之间, Spot Light表现为伯朗光源, 光强随偏离中心轴的角度加大而衰减, 基本上服从具有幂的余弦变化。radius在局部坐标系中指定光源的作用半径, 必须大于或等于0, 在此半径外, 光源照明不起作用[4]。
tex Coord和textureCoordinate域决定了材质坐标点对几何体顶点的映射方法。浏览器通过对覆盖在几何体表面材质的拉伸处理, 是与几何题定点处的像点在材质坐标上的坐标符合texCoord引用的TextureCoordinate节点的指定, 同时决定了在几何体其他位置处的材质像点。图片纹理节点Image Texture用于指定一个外部的静态文件来作为材质的表面贴图。它包含一个JPEG、GIF或PNG格式图像文件的URL地址。在VRML文件中可以指定这些贴图文件的位置。在用浏览器浏览该VRML文件时, 浏览器会从指定位置读取贴图文件, 然后再把它们映射到指定的空间造型表面上去[4]。
在房屋原型系统的形象建模中加入了7个观察点 (由Viewpoint节点控制) , 可以从7个不同的角度对图形进行观察。另外在适当位置加入了4个点光源, 由PointLight节点控制, 此节点将点光源定义在一个固定的三维位置上。
4 房屋原型系统的实现
VRML网页与HTML网页的最大区别在于对三维物体的交互性上, 在房屋建筑原型系统中最能体现交互效果的部分是门的交互式动画效果。其主要代码如下:
在实现门的交互式动画效果中主要使用了TouchSensor节点, TouchSensor (触动传感器) 节点产生基于定点输入设备的事件。这些事件表明用户是否正在点选某个几何体和用户在什么地方, 以及在什么时候按了定点设备的键。
触动传感器监视的几何体是传感器的兄弟几何体传感器父组节点的所有子节点。
若定点设备未指向传感器的兄弟几何体, 而用户开始将定点设备移到传感器的兄弟几何体时, 传感器将产生一个is Over事件, 并将其值设置为TRUE;相反, 若定点设备已经指向传感器的兄弟几何体, 此时用户将定点设备移出传感器的兄弟几何体, 传感器将产生一个is Over事件, 并将其值设置为FALSE。
当用户将定点设备从几何体的一点移动到另一点时, 传感器将发送一系列事件:hitPoint_changed、hitNormal_changed、hitTexCoord_changed, 分别表明用户所指的位置、该点的法向量和纹理坐标。
当用户点击被TouchSensor监视的对象时, 传感器将产生值为TRUE的is Active事件;而当用户释放定点设备的键时, 传感器将产生is Active为FALSE的事件。
若用户在指向几何体时按下鼠标键, 然后在仍然指向这个几何体 (或又回到这个几何体) 时释放鼠标键, 传感器将要发送一个touchTime事件, 表明键被释放的时间。可以使用这一事件来模拟许多常用的用户接口 (如只有在用户点击和释放定点设备按键时才产生的动作) 。
当一个触动传感器正处理事件时, 其它定点设备传感器不会产生事件。
Enabled TRUE表明此传感器对定点输入设备 (鼠标点击) 做出反应。
PositionInterpolator定义关键帧位置只在X轴方向平移, 就是开门的动画效果。
ROUTE语句定义的是事件的路由。路由提供了一种机制, 可以让事件的节点通过路由传递事件到相关节点。
由Time Sensor节点的fraction_changed事件控制输出事件的连续性, 传达到PositionInterpolator节点的动画帧完成。
发生事件的位置是从动画帧完成的末位置开始到末位置结束, 这就是后来点击产生的推拉门效果。
5 房屋原型系统的效果
在未嵌入二维网页前, 房屋原型系统可以从预先设置好的8 个视点进行浏览, 从视点1和视点2浏览的效果图分别如图2、图3和图4所示:
将房屋建筑原型导入网页中, 控制代码是。页面效果如图4所示。
摘要：围绕房屋建筑原型系统的开发过程, 在对虚拟现实技术和计算机几何建模技术进行研究的基础上, 设计了房屋建筑的整体结构, 并以VRML为开发语言, 开发出了具有三维真实感的房屋原型系统, 使其具有良好交互性和三维显示效果, 克服了HTML单调、交互性差的弱点。
关键词：虚拟现实,VRML,真实感图形,交互式动画
参考文献
[1]胡小强.虚拟现实技术[M].北京:北京邮电大学出版社, 2005.
[2]王绍棣, 辛晨昀, 王汝传, 等.三维造型工具在VRML场景构造中的研究[J].上海:工程图学学报, 2001.
[3]杨钦, 徐永安.计算机图形学[M].北京:清华大学出版社, 2005.
SoC设计:虚拟原型成为主流 篇3
另一方面,那些较早进入市场的公司则拥可有更高的产量,并且一直保持着大幅度的增长。在一个两年半的开发周期中将软件开发提速缩减7个月的时间,则在产品生命周期中可以额外增加5千万美元的收益(如图2)。
于是,顺理成章的是越来越多的软件团队会欣然接受一些可以帮助他们加速开发周期和编写更高质量代码的技术和流程。然后,当需要抉择时他们可以继续使用这些技术,如董事会会因为对更好的开发人员产品开发工作的赏识而给开发人员一种优势。
在虚拟原型验证解决方案出现在市场上的几年间,软件复杂度的增加以及开发成本的暴增正在驱动着主流用户对其的需求。
什么是虚拟原型?
虚拟原型是被开发系统的快速且具有完整功能的软件模型。因为虚拟原型可以执行未修改的产品代码,工程师不需要等到硬件(芯片或开发板)完成就可以开发软件。相对于传统的方法,这能够为软件开发团队在开发嵌入式系统时带来9~12个月的优势,并且在硬件真正完成时更易于配置系统。一旦硬件得以实现,虚拟原型可被用来调试发现难以查找的问题,为开发过程提供了更多的系统级可见度。
虚拟原型通过结合软件行为与硬件来提供一种平台级视图来加速软件纠错。这种视图使开发人员能够在数小时之内就能够辨识出缺陷的根本原因,而不是数天或数周。开发人员可以设置和重设硬件寄存器的值,停止和启动调试周期,或者在一个特定的、有问题的区域内放大观察,而无需对软件进行大的改变。
因为它们将硬件和软件相连,虚拟原型使设计团队能够更高效地沟通。使用者可以识别和纠正潜在的规格或阐释错误,并在整个硬件上使用各种软件驱动的脚本来验证系统。
虚拟原型还可以通过提升测试覆盖率来提高质量。开发人员可以进行更多的边界测试,更好地理解问题的潜在根本原因,以及通过生成和自动地对软件和硬件进行基于脚本的测试。
易于使用,易于导入
尽管虚拟原型技术被越来越多地采用,一些开发人员仍然坚持他们的观点,即虚拟原型技术很难使用和部署到他们的流程中。但是,业界一直以来都在努力克服这些曾经存在的导入障碍。
快速而准确的事务级模型的出现是成功的虚拟原型的关键。现在许多处理器供应商都发布虚拟模型以实现与其最新的内核的匹配。例如,Synopsys自有的DesignWare知识产权(IP)库包含了完整的接口IP解决方案,由控制器、物理层(PHY)和验证IP组成,可适应于各种广为使用的协议、模拟IP、嵌入式存储器、逻辑库、处理器内核和子系统。
另一项已落实到位的重要资源是行业性的事务级模型(TLM)列表网站,它被称为TLMCentral。TLMCentral是事务级模型的一个行业性网络门户,可为全行业提供多达970种模型。它为模型开发人员、架构师和软件工程师提供了一条在模型与建模方法上进行合作以及虚拟原型推广方面的途径。TLMCentral为与系统级和软件开发社群相关的新闻、论坛和博客提供了一个集中的基础平台。
最终,通过引入其Virtualizer Development Kit(VDK),Synopsys为软件开发人员将虚拟原型演化成一套现成可用的参考开发工具包。这样可将工具及开发人员熟知的SoC的参考虚拟原型交到软件开发人员的手中,用以测试驱动、扩展和进行定制。
这些资源为开发人员建立模型带来了一个良好的开端,使他们能够为他们的设计填充许多需要使用的已存在的模型,而不必从头开始去创造他们。
改善工具和流程
除了更多样化的可用模型外,更成熟的工具和开发人员环境使专家和新手都可用虚拟原型来实现更高产能。
Synopsys推出的用于生成虚拟原型的工具包Virtualizer的最新版本具备许多增强功能,它们专注于提高生产率和使用方便性。例如,一个新的图形化仿真分析器可使仿真团队更方便地发现并解决仿真瓶颈。
新的模型建立界面简化并自动进行带有新功能的模型的生成,如自动设计规则校验和设计灵敏的设计,可使虚拟原型专家以及那些缺乏经验的新手都提高生产效率。
Virtualizer还可以使用户导入现已有的、采用流行格式IP规范,如IP-XACT、Excel和Word,并通过生成SystemC模型和TLM-2.0总线接口而进一步加速了模型开发。
与软件工具更紧密地集成
各种Virtualizer开发工具包(VDK)就像一个真实的器件那样运行,并确保了对多核平台的完全控制,也是更早得到器件、增强的除错及易于部署的关键。
与流行的除错程序和安装程序相结合,各种VDK确保了有效地进行除错和分析。Virtualizer为流行软件除错程序中的各种最新应用程序接口(API)提供了开箱即用的支持,例如Lauterbach的TRACE32系统和ARM的Development Studio 5(DS-5),这就使得软件开发团队能使用VDK为非侵入性的多核软件调试创建一个强大的集成化环境。
这种集成使工程师在虚拟原型的设计流程中能早早开始软件的开发,而当他们过渡到真实的硬件时无需切换到其它调试工具。
用户关注重点
设计师和开发人员现正在多样化的开发任务中使用虚拟原型。它们包括软件集成、驱动开发、软件移植、操作系统启动、软件测试、硬件验证、SoC集成和完整的系统验证和测试。
虽然半导体公司一直最早采用虚拟原型技术,主流应用则已经扩展到那些专注于移动、消费电子和汽车的原始设备制造商(OEM)和芯片开发商,以及开发各种工业应用的客户。
成功案例
理光使用了包括Virtualizer在内的多种Synopsys的产品,以加速其专用集成电路(ASIC)和系统级芯片(SoC)的开发。理光的设计规模及复杂度都在不断地增加,同时软件内容也在不断升级,因此自然的契合是采用一种系统级的方法来准确高效地实现他们的设计。采用这种方法的好处包括:
●通过使用虚拟原型解决方案可加速其嵌入式软件的开发,节省数月时间;
●除去Synopsys的工具易于与互补性的合作伙伴解决方案实现集成外,还能够在一个仿真器上实现其主处理器与一个图形处理器(GPU)的虚拟原型进行联合仿真;
●Synopsys方案的应用案例多样性,例如建筑勘探、软件开发和硬件性能验证,可提高测试覆盖范围并缩短其设计的上市时间。
“通过使用Virtualizer,我们能在极短的时间段内将整个SoC的设计概述到一个虚拟原型中,以便于很早开始软件开发和硬/软件的集成,”理光公司嵌入式平台开发部的Satoshi Aoki说道,“我们相信Virtualizer是SoC开发中必备的一种工具。”
参考文献
[1]SoC FPGA Virtual Target:A Virtual Prototyping Application[R/OL].https://event.on24.com/eventRegistration/prereg/register.jsp?eventid=411154&sessionid=1&key=BA9FA4905D668317AC63A0B1F6DC6277
[2]Synopsys Unveils Virtualizer Development Kits to Accelerate Software Development for ARM big.LITTLE Processing[R/OL].http://news.synopsys.com/index.php?s=43&item=1011
[3]Virtual prototyping demo:VDK for ARM Cortex-A15MPCore:Try it Today[R/OL].http://www.synopsys.com/Systems/VirtualPrototyping/Pages/VP-Learn-Experience.aspx
[4]Step On It:How to drive fast on the Autobahn and still arrive safely at your destination.(2012-12-18)[R/OL].http://blogs.synopsys.com/viewfromtop/
探讨容错并行虚拟机原型系统的实现 篇4
1 容错并行虚拟机原型系统的体系结构
FTPVM原型系统体系结构如图1所示。其中SPTC (single processes tree checkpo inting) 单元是在LINUX操作内核内实现单进程树检查点设置的模块。整个系统建立在一个由PC机组成的集群之上。在集群系统中实现检查点卷回恢复技术时, 应该采用镜像平均存储策略, 即以一定的原则选择备份机, 使各节点的镜像节点是均衡分布的, 这样既保证负载均衡, 又避免了瓶颈, 能够更好地实现容错。
2 容错并行虚拟机原型系统的实现
2.1 检查点的恢复
在发生故障后, 检查点的卷回恢复过程可以分为两个阶段:派生阶段和重新加入阶段。
第一阶段:派生阶段。M_pvmd (pvmd) 读取全局检查点文件, 根据文件提供的信息分别在备份节点和其他正常节点机上重新启动用户进程, 重新启动用户进程的过程就是根据单进程检查点文件卷回恢复进程到上一个检查点时刻继续执行。
第二阶段:重新加入阶段。在各个进程成功的卷回恢复后, 重新加入到并行虚拟机PVM中, 但这时还不能马上恢复计算任务。所其中涉及到的主要数据结构如下描述。
(1) Pvmgs返回消息GSLS的结构。
int ngroups//任务组总数
GROUP_STRUCT*groups//存放任务组信息的数组
(2) 同步请求消息DXB_SYN的结构。
int ntids//同步任务数
int*t ids//存放同步任务TID的数组
(3) 任务重新加入PVM消息DXB_RJN的结构。
int otid//任务最早的任务标识符
int ct id//任务当前的任务标识符
(4) 消息路由表更新消息DXB_LST的结构。
int count//表中元素的个数
int otids[count]//由最早的任务标识符tid组成的表
int ntids[count]//由最新的任务标识符tid组成的表
2.2 故障检测和处理
故障在这里主要是指节点机故障, 同时我们假定节点机发生故障和节点机不可达属于同一种情况。在FTPVM原型系统中沿用了PVM原有的故障检测方法。PVM原有的故障检测方法非常巧妙, 它结合心跳法和捎带法两者的优点, 能够及时地检测节点机的故障, 同时又不会明显增加系统的负担[2]。在节点机之间的一般通信中, 即pvmd-pvmd之间的一般通信中, 如果发送的某个消息在规定的时间内无应答, 则可以断定目的节点故障。
PVM中断定一个节点机故障所需要的时间同具体的应用相关。在通信密集型应用中, 主要由D D M I N T I M E O U T决定:在计算密集型应用中, 主要由DDPINGTIME决定。D D M I N T I M E O U T等于D D M I N R E T R I E S*D D M A X R T T*。其中D D M I N R E T R I E S是pvmd-pvmd通信中的最小重发次数, 默认值为10;DDMAXRTT是pvmd-pvmd通信中的最大等待时间, 默认值为9秒;是一个系数, 默认值为2。所以在默认情况下, DDMI N T I M E O U T等于1 8 0秒。
FTPVM原型系统的节点机故障处理是在PVM原有的故障处理之上新增加了任务检查点恢复模块。故障处理模块的算法描述如下。
3 结语
并行虚拟机PVM是当今最流行的并行计算环境之一, 本文在保留原有PVM优点的基础之上, 提出了融入检查点技术的FTPVM原型系统的设计方案。FTPVM系统都能够自动采用检查点卷回恢复CRR技术在集群内恢复故障进程, 并且得到正确的计算结果。
参考文献
[1]汪东升.一种基于检查点的卷回恢复与进程迁移系统[J].软件学报, 2007, 10 (1) :68～73.
快速原型制造技术 篇5
该项目为国家高技术研究发展计划 (863) 课题。是湖北省科技厅下达的重点科学技术发展项目计划“快速成型技术及设备研究”的继续项目。
快速成型技术是利用逐层离散/堆积的原理, 用计算机三维数据模型直接制造出零件原型。采用该技术, 能大大缩短新产品开发周期和提高企业竞争能力。根据该技术的发展趋势及我国市场情况, 在国家科技部、“863”/CIMS主题, 国家自然科学基金委、湖北省科技厅等相关部门的领导和支持下, 华中科技大学、武汉滨湖机电技术产业有限公司在承担本项目时, 就将目标定位于在保证高可靠和高性能前提下, 研究和开发低成本的快速成型系统。为实现上述目标, 进行了大量的工作, 取得7项创新成果 (其中实施了4项专利) , 使薄材叠层快速成型技术和系统综合性能指标达到国际领先水平, 开发成功的快速成型系统已进入市场, 获得用户高度评价, 产生显著经济效益, 有良好的市场前景。
该项目的创新点如下:
1、无拉力叠层材料送进装置, 送进可靠, 材料利用率高;
2、工作台为四柱导向和双丝杆传动, 导向精度高, 传动平稳;
3、叠层加压加热装置, 不仅能使制件粘结牢固, 而且能保证制件的加工精度;
4、抽风排烟装置能及时、充分地排出烟尘;
5、开发成功基于网络通讯的多任务、大数据量、多运动轴、高速实时控制系统;
6、开发成功具有显著特色的软件。该软件除具备STL文件可视化、图形变换、STL文件诊断、实时分层、原型制作实时动态仿真、高速插补控制、激光能量控制、系统故障诊断等功能外, 还形成以下独有的特色: (1) 容错切片和数据过滤; (2) 直接切片; (3) 速度规划和任意组合曲线的高速连续加工;
7、开发出粘结可靠、强度高、废料容易剥离、制作精度稳定、成本低廉、对环境无污染的新型LOM工艺用材料, 综合性能已达到国外先进水平, 并已开始工业化生产。
据市场调查和预测, 近几年内快速成型系统在国内的潜在市场约有400台左右, 如该产品占需求量的25%, 将有100台的市场拥有量。近期将可形成年工业总产值1200万元, 年销售收入1000万元, 年利税300万元。用户替代进口所节约的外汇折合人民币2000多万元。而用户在使用该设备后, 由于缩短了新产品开发周期和降低开发投资额风险, 所取得的经济效益将远远超过此值。此外, 因优良的性能价格比, 可望在近几年内进入国际市场。
二、选择性激光烧结快速成形系统 (SLS)
本项目为国家863/CIMS重大目标产品项目“快速原型制造系统”的内容之一。
选择性激光烧结是典型的快速成形方法之一。它应用分层制造思想, 以固体粉末材料直接成形三维实体零件, 不受零件形状复杂程度的限制, 不需要任何的工装模具, 就能将CAD三维模型直接转换为实体零件。从理论上来说, 任何受热后能烧结的粉末都可以用作SLS的原材料, 其范围已覆盖高分子、陶瓷、金属粉末和它们的复合材料粉末。由于SLS成形材料的多样化、适合多用途、成形过程无须支撑、材料利用率高, 以及在快速制造功能件方面的独特优势, 使得SLS的应用范围非常广阔, 日益受到各行各业的广泛重视。为此, 华中科技大学、武汉滨湖机电技术产业有限公司经过市场调查和充分考虑我国国情, 选择了SLS快速成形技术作为研究的主要方向之一。
在承担本项目时, 将其目标定位于, 在保证高可靠和高性能前提下, 研究和开发低成本的SLS快速成形系统。为实现上述目标, 进行了大量的工作, 取得多项创新成果 (其中实施和申报了三项专利) , 使选择性激光烧结快速成形技术及系统综合性能指标达到国际领先水平, 开发成功的HRPS-Ⅲ快速成形系统已经产品化, 具有良好的市场前景。
本项目的创新成果如下:
1、发明和实施了一种独特的上送粉装置, 在成形空间大于国外同类产品条件下, 使SLS系统的主机结构紧凑, 体积仅为国外同类产品的44%, 铺粉时间节约40%, 保护气体消耗量减少40%;
2、开发成功基于软件芯片的实时控制系统, 使控制系统的硬件成本大幅度降低;
3、开发成功国外系统尚未配备并具有显著特色的软件: (1) STL文件容错切片, (2) 计算机三维实体模型直接切片, (3) 分区变向扫描, (4) 由离散数据反求STL文件, (5) 新的STL文件压缩数据存储格式, 使STL文件的大小压缩至原来的1/2～1/3。
4、开发成功适合不同用途、制件精度稳定、成本低廉、对环境无污染的五种新型SLS粉末材料及两种后处理材料。
5、研究和开发成功HRPS-Ⅲ型快速成形系统。该系统在采用国外著名公司生产的振镜扫描系统和激光器、设备的关键元器件与国外产品处于同一水平的条件下, 而整机价格仅为国外同类产品的1/5, 具有很高的性能价格比, 在国内外同类产品中具有很强的竞争力。
综上所述, 所研究和开发的选择性激光烧结快速成形技术及系统, 制作精度达到国际同类产品水平, 整机结构、软件功能、材料工艺均有创新, 综合性能指标达到国际先进水平。
单位:华中科技大学
地址:湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
数字原型技术应用与实践 篇6
1 项目内容
(1) 建立CAD/CAE应用软硬件技术环境。
(2) 在新车型开发过程中集成各种CAE工具, 优化新车型开发过程, 实现新车型CAD/CAE并行设计。
(3) 在汽车零部件级, 进行关键零部件的CAD/CAE关键技术应用研究。
(4) 在汽车系统级, 进行悬架系、转向系等关键系统CAE建模和数字仿真技术研究。
(5) 在汽车整车级, 进行整车性能虚拟试验技术研究。
(6) 开发车身覆盖件冲压成形仿真系统。
(7) 开发汽车车身人机工程化设计与环境仿真系统, 实现基于人机工程学的驾驶室总布置设计的数字化和虚拟化。
(8) 进行新车型生产和性能试验。
(9) 进行CAD/CAE应用技术人员技术培训。
(10) 进行数字原型技术的试验验证与推广应用。
2 数字原型技术应用与实践
(1) 在CAD/CAE软硬件环境建设方面。课题研究组建立了基于PDM、以汽车行业主流CAD软件 (UG、CATIA等) 和CAE软件 (ANSYS、Hypmesh、Imageware等) 和自主开发软件为新产品开发平台的CAD/CAE应用软硬件技术环境。
(2) 在CAD/CAE并行工程研究方面, 课题研究组结合企业实际情况, 对新车型开发过程进行了研究和分析, 提出了适合企业的CAD/CAE并行设计开发流程, 在该并行开发流程中, 从产品概念设计开始, 集成了各种CAD和CAE工具, 使产品开发过程得到了优化。
(3) 在汽车零部件级CAE技术研究 (关键零部件CAE技术研究) 方面, 课题研究组对卡车轮毂疲劳强度分析及结构优化。采用有限元方法和灵敏度分析技术, 对影响卡车轮毂疲劳寿命的结构参数进行分析, 并在此基础上, 对卡车轮毂进行结构优化, 提出了新的结构设计方案, 成功解决了卡车轮毂可靠性不足的问题。
(4) 卡车钢板弹簧应力分析及结构优化。采用接触问题建模方法, 建立了钢板弹簧有限元分析模型, 对各片弹簧的应力进行了分析, 并对结构进行了优化, 成功解决了多片式钢板弹簧有限元模型建模中的接触问题和大变形问题等技术难题, 新的结构设计方案满足了疲劳寿命要求。
(5) 卡车车架强度CAE分析。结合FC19车型, 建立了FC19车型完整的车架CAD模型, 并在此基础上, 建立了包括悬架系统在内的车架CAE模型, 对车架弯曲工况、扭转工况、转弯工况和制动工况等极限工况的强度进行了分析, 找出了车架在各种工况下的应力分布、位移变化等, 得到了车架的强度、刚度特性。通过计算发现该车车架的前端驾驶室的第一根支撑梁附近属于车架中位置相对薄弱部位, 必须对该部位通过加厚壁厚或设置加强筋等方式而使此部位的强度、刚度的到提高, 从而防止在使用过程中该部位的断裂或损坏情况的发生。仿真计算结果与车架实际情况相符, 为指导车架设计提供了有力的技术支持。
(6) 卡车驾驶室悬置系统优化设计。建立了驾驶室振动系统动力学模型, 根据FC19金麒麟中卡的有关参数, 以国标的加权加速度均方根值为目标函数对驾驶室悬置进行参数优化, 得到悬置刚度和阻尼的最佳匹配;根据金麒麟中卡改型的具体要求设计计算了4点橡胶减振垫支承的非翻转式驾驶室悬置系统, 并给出合理的刚度和阻尼匹配;对金麒麟中卡现有驾驶室悬置系统进行了计算、分析和评价。
(7) 汽车排气噪声试验与仿真分析。建立了两类常用的主消声器 (B和C) 和一种副消声器 (A) 的模型, 对他们的不同组合进行仿真和试验研究, 研究分析了不同入口速度、不同入口温度情况下不同组合方案的功率损失情况;对不同组合与动力总成匹配后的噪声特性进行了仿真分析;对不同组合与整车匹配的噪声特性进行了仿真分析;对不同组合噪声进行试验测试。该子项目研究分析了影响排气消声器性能的主要使用参数, 总结使用计算机仿真分析软件进行消声器设计的方法, 提出了降低汽车排气噪声的消声器设计方法和流程, 从而指导企业设计, 降低噪声水平。
(8) 轿车行李架空气动力学特性仿真分析。结合企业乘用车加装行李架后, 噪声增大的技术问题, 对轿车行李架空气动力学特性进行仿真分析, 项目对简化的直背式轿车模型周围流场进行数值模拟, 建立了空气动力学仿真模型, 对不同模拟分析方法的精度进行对比研究, 通过与试验结果的对比, 确定轿车外流场数值模拟中精度最高的湍流模型、离散格式和速度与压力耦合的半隐式算法。对行李架加装在不同高度的轿车车身的外流场进行数值模拟, 得到了不同的行李架定位的情况下轿车外部的速度场数据, 并对其进行分析, 结果表明:行李架距车顶间隙越小, 气动阻力系数越大, 气动升力系数越小;在两种来流速度下, 阻力系数和升力系数随行李架的间隙的变化趋势基本上是一致的。对加装三种不同形状行李架后的轿车车身的外流长进行数值模拟, 结果表明在不同车速的情况下, 加装三种行李架后的轿车阻力系数均比加装前高, 升力系数则均比加装前低;无论是加装行李架前还是加装行李架后, 阻力系数和升力系数均随车速的提高而减小;加装三种不同的行李架后对轿车的气动特性的影响方面, 在不同的车速下, 无论是阻力系数还是升力系数, 均是行李架Ⅱ>行李架Ⅰ>行李架Ⅲ。
(9) 汽车碰撞安全性仿真分析。在系统总结国内外汽车碰撞仿真技术的基础上, 提出了汽车碰撞安全性仿真分析技术路线, 建立了汽车覆盖件典型结构——薄壁粱碰撞模型, 研究了薄壁粱建模的关键技术, 对其碰撞特性进行了研究, 并与试验结果进行了对比分析, 仿真结果与试验误差仅为3.9%, 在此基础上, 提出了闭口帽形薄壁梁设计的两步法:设计截面尺寸特征来决定结构形式, 以控制屈曲压溃模式和吸能总量;籍以不同焊点布置方案来控制吸能平顺性。两步设计法使吸能最大化与吸能平顺化的矛盾得以解决, 对于车架前端的设计思路具有重要的指导意义。另外, 还对某车型的白车身碰撞进行了建模和仿真分析, 其结果对于指导车身结果设计具有重要意义。
(10) 汽车动力性及燃油经济性仿真系统。通过对汽车动力性、燃油经济性采用数学描述的方法, 编制了汽车动力性与燃油经济性模拟计算软件。运用该计算软件, 不仅可以获得较好的计算结果, 而且还能了解结构及性能参数对汽车动力性、燃油经济性的影响程度, 从而找到最佳的动力传动系的匹配参数。该子项目开发的动力学经济性仿真计算的主要功能包括:最大车速、最大爬坡度、加速时间等三大动力特性和等速、加速、减速与怠速工况工况油耗计算以及货车国家标准六工况油耗计算等燃油经济性计算功能, 并能够把全部仿真计算结果以图形的形式直观地表示出来, 使新车型设计过程中动力性、经济性计算分析以及动力传动系统匹配变得非常容易, 时间大大缩短, 计算精度明显提高。另外, 该子项目开发的系统已成功应用到FC19车型及其他车型的动力性和燃油经济性仿真计算。
(11) 卡车车架强度及整车动力学仿真分析。建立了卡车车架及底盘的CAD模型和CAE分析模型, 在对卡车车架静态强度分析的基础上, 利用Lanczos分析方法, 对车架自由模态进行了分析。根据国标GB7031-86中“车辆振动输入路面平度表示方法”, 建立了B级路面谱 (白噪声) 的不平度数据曲线, 作为道路虚拟试验的输入数据和底盘系统的输入信号, 选择车架和整车上的关键点 (驾驶室前安装点、驾驶室后安装点、前板簧前吊耳处、前板簧后吊耳处、后板簧前吊耳处、后板簧后吊耳处、发动机支架、货厢支撑点A、货厢支撑点B、货厢支撑点C、货厢支撑点D、货厢支撑点E) , 研究了车架和整车的动力学特性:包括在B级路面输入条件下的动态位移响应特性;在B级路面输入条件下的动态应力响应特性;在B级路面输入条件下的动态应变响应特性;在B级路面输入条件下车架和整车约束反力的瞬态响应特性。整车的动力学特性不仅可以指导汽车整车设计, 而且, 直接关系汽车的舒适性和操作稳定性, 汽车动力学特性仿真对于指导汽车舒适性、操作稳定性设计也具有非常重要的意义。
(12) 道路虚拟试验数据库。对GB7031-1986建议的公路路面功率谱密度的拟和表达式进行了系统的研究, 在分析了所关心的汽车固有振动频率和行驶速度的影响后, 获得分布在一定频率范围内的离散功率谱密度数据, 利用计算、分析获得路面不平度的离散傅立叶变换, 进而利用离散傅立叶逆变换得到路面不平度值, 在此基础上, 建立了满足国标要求的随机路面不平度B级路面谱, 为车辆虚拟试验建立了所需的基本的道路虚拟试验数据库。所采用的方法思路明确、便于操作, 并且利用这种方法得到的路面不平度对应的功率谱密度可以达到与给定的功率谱密度一致。
(13) 汽车整车制动性建模和仿真分析。结合FC19产品, 应用计算机仿真技术, 通过重点研究气压系统的动态特性, 建立气压制动系统的数学模型, 将其引入随后建立起来的制动系统的动力学模型, 以模拟整个制动过程。应用matlab/simulink软件对制动过程进行仿真分析, 分析制动系各个参数对制动性能的影响, 由于制动系统是一个复杂的系统, 本子项目通过建立包括气压系统模型、制动器模型、轮胎模型、整车模型在内的一系列模型来描述整个制动系统的动态过程。通过动力学控制系统来补偿常规系统的缺陷, 从而达到各种工况下的最优控制, 对于提高设计效率、缩短新产品开发周期, 特别是提高整车制动性能都非常重要。
(14) 冲压仿真技术研究。后门侧立柱冲压成型仿真分析。结合FC19产品, 建立了FC19车型的后门侧立柱CAD模型, 并在CAD模型基础上, 建立CAE模型, 对后门侧立柱冲压成型过程进行了动态仿真, 分析了冲压成型中可能出现的缺陷, 并针对可能出现的缺陷, 提出了两种不同的方案, 指导设计, 使结构设计和模具设计, 实现了一次试模成功, 大大缩短了试模时间和费用。
(15) 卡车车门有限元分析。建立了车门CAD模型, 在此基础上通过合理简化, 建立了CAE分析模型, 对覆盖件仿真分析中的几个关键技术难题:单元选择、连接处焊点处理、网格划分、网格质量控制、载荷与约束条件确定等进行了系统的研究, 并提出了合理化建议;对车门的模态进行了分析, 指出了结构设计中存在的不足, 并提出了改进结构设计的意见。改进后的车门设计, 很好地满足了设计要求。
(16) 车顶盖成型有限元分析。系统研究了有限元法在车身覆盖件成型分析中的作用和特点, 对车顶盖成型特性进行了系统分析, 完成了车顶盖拉延部分设计、冲压方向确定、压料面设计、工艺补充面设计等, 另外, 还对车门拉延件和侧围拉延件的设计和成型进行了仿真分析。
另外, 结合FC驾驶室设计和冲压仿真, 该项目还对参数化设计和车身逆向工程技术、复杂曲面造型技术等进行了研究, 形成了具有企业特点的从车身造型概念设计-油泥模型制作-油泥模型数字化点云采集-复杂曲面拟合和重构-车身覆盖件结构设计-车身覆盖件成型分析-车身模具设计等一整套车身逆向设计开发流程, 完成了FC19驾驶室改型设计, 在FC19车门、后门侧立柱和车顶盖等车身典型覆盖年冲压仿真分析的基础上, 对车身结构进行了优化, 对车身覆盖件模具进行了优化, 使车型改型设计速度明显提高, 车身曲面造型设计-车身结构设计-车身覆盖件模具设计实现了无缝连接。
(17) 人机工程仿真3D人体数据库。首先研究了人体尺寸的差异性和人体测量尺寸的统计特性, 研究了人体的骨骼体系、对人体模型主要关节类型进行了分析, 从运动轴的角度, 讨论了人体模型运动所涉及到的主要关节的类别和自由度数, 研究了人体模型体表体系的表达、人体模型体表体系与骨骼体系的关联, 在此基础上, 以CATIA软件里的人机工程学设计与分析模块为基础建立了人体模型:模型构建由人体构造模块 (Human builder) 完成;模型的修正由人体尺寸编辑模块 (Human Measurement Edit) 完成;运动学分析由人体动作分析模块 (Human Activity Analysis) 完成;姿态分析由人体姿态分析模块 (Human Posture Analysis) 完成。该3D人体模型可以方便地植入3D CAD系统, 实现驾驶室等人机界面的辅助设计的空间及运动校核等。
(18) 卡车驾驶室布置模型研究。结合人机工程仿真3D人体数据库所开发的3D人体数模, 对如何利用3D人体数模进行轻卡驾驶室布置设计进行了系统的分析, 提出了眼椭圆绘制与视野校核、仪表板的布置与盲区校核、后视镜的布置与后视野的校核、前风窗雨刮器的布置与刮净率的校核等的基本原则和基本方法。研究成果已经成功应用于FC系列车型开发。
(19) 驾驶室总布置CAD系统及驾驶室总布置设计的数字化和虚拟化。基于人机工程学, 基于知识工程, 完成了驾驶室总布置系统的开发, 建立了中国三维人体模型;实现了驾驶室总布置中的视野模拟、视野校核、A柱设计、脚踏板与手操纵件的设计、操纵空间与操纵力校核、安全带固定点位置范围确定等的数字化和虚拟化;基于模糊决策论的驾驶室总布置设计方案评价方法研究, 分别应用模糊综合评判法、基于模糊集重心的模糊评价法和二元对比排序法对汽车内部设计方案中的定性与定量因素进行评价, 建立了整车内部布置与设计的多级评价体系。
(20) 新车样车试制和样车试验。完成了新车FC19的样车试制、试验和试生产, 通过了国家试验检测部门的试验和测试, 并上国家发改委汽车公告, 已批量生产。
(21) 组织CAD/CAE技术培训。推广应用推广结合项目进展, 采取派出去和请进来等不同方式, 对企业CAD/CAE应用技术人员进行了PDM/CAD/CAE初级、中级和高级技术培训, 累计超过500人天。获得各种培训资格证书43个。其中2人取得EDS公司认证的PLM证书, 5人取得EDS公司认证的高级工程师证书, 11人获得CAD/CAM工程师证书, 9人获得CAD/CAE工程师证书, 16人获得CATIA培训证书。
(22) 试验验证与推广应用。对新车型进行可靠性试验, 跟踪新车型用户, 进行了用户使用情况调查, 对FC19项目实施过程中取得的经验和积累, 在后续的新车型开发中进行了推广使用, 目前, 新开发车型都是基于该项目建立的CAD/CAE软件开发平台, 工程技术人员已经利用本项目取得的成果, 成功完成了其他新车型的开发, 经济效益和社会效益明显。
3 结语