基于事件的运动学仿真系统推进虚拟样机技术发展
DS SolidWorks 张 俊
摘要：本文首先回顾了虚拟样机技术的发展历史及虚拟样机的概念。在讨论了传统虚拟样机技术的局限性的基础上，探讨了下一代虚拟样机技术的特征。并以DS SolidWorks的技术平台为例，展示了新的虚拟样机平台雏形，并以SolidWorks Motion 2010所提出的基于事件的运动学仿真系统为例，介绍了其创新特性。并对这种基于事件的运动学仿真系统推动新一代虚拟样机技术发展的商业前景进行了展望。
关键词：虚拟样机，多体动力学，事件仿真，SolidWorks Motion 2010
1 虚拟样机技术的发展历史回顾
二十世纪九十年代初，美国波音公司正式启动波音777飞机研制计划，采用一种全新的设计与制造方式，4年半之后，于1994年6月12日直接进行了第1架波音777的首次试飞。波音777飞机的研制采用了全数字化的无纸设计技术，整机外型、结构件和整机飞机系统100%采用三维数字化定义，100%应用数字化预装配，整个设计制造过程无需模型和样机，一次成功，首次实现了整机数字化设计、数字化制造和数字化协调。对比以往的飞机研制，波音777成本降低了25%，出错返工率减少了75%，制造周期缩短了50%。波音777的研制成为现代产品开发新技术应用的里程碑，其采用的开发过程现在称之为虚拟产品开发（Virtual Product Development - VPD），应用的开发技术称之为虚拟样机技术（Virtual Prototyping - VP）。
虚拟产品开发和虚拟样机技术的出现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。随着世界经济的一体化发展，市场竞争日趋激烈，多品种小批量生产和大批量定制生产逐渐成为主导的生产形式。在这种情况下，企业要求得生存与发展，就必须调整其产品开发和生产组织模式，解决T（最快的上市时间）、Q（最好的产品质量）、C（最低的产品成本）、S（良好的产品服务）和E（尽少的环境污染）难题。另一方面，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飞速发展与广泛应用，这为TQCSE难题的解决提供了机遇。在这样的背景条件下，虚拟产品开发和虚拟样机技术应运而生。
虚拟样机技术是面向系统级设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包含有数字化物理样机（Digital Mock-up）、功能虚拟样机（Functional Virtual Prototyping）和虚拟工厂仿真（Virtual Factory Simulation）三个方面内容。
功能虚拟样机（FVP – Functional Virtual Prototyping）解决方案充分利用三维零件的实体模型，通过CAE技术在虚拟实验室或虚拟试验场的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公司/产品有MSC/ADAMS、LMS/DADS、FunvtionBay/RecurDry等。
下图展示了基于PDM和PLM平台的面向系统的虚拟样机技术与独立的传统的面向零部件的CAD/CAE/CAM技术架构。
2 传统虚拟样机技术局限性
以上提及的“面向系统的虚拟样机技术”在理论基础，技术集成体系等方面已经相当完善，但是其具有天然的局限性，近几年来发展较为缓慢，影响了其广泛适用性，为了区别笔者在此探讨的“下一代的虚拟样机平台”，在此将其称之为“传统虚拟样机技术”。
针对目前理论基础较为完善的“传统虚拟样机技术”，特别是在中小企业的推广举步维艰，产生的效果不明显的基础，我认为存在着以下三个主要的原因。
2.1 C3P技术无缝集成度不高：由于传统的CAD、CAE、CAM、PDM/PLM由不同的专业厂家提供，其具有天然的技术局限性。各种产品在数据结构和数据库上具有各自的体系，使数据交流、继承等成为较大的技术障碍，因此不同产品之间的无缝集成基本只具有“强大DEMO”功能，用户在真正使用时会遇到重重集成障碍。
2.2 技术门槛较高：由于虚拟样机是基于多学科技术特征，因此需要在工作中使用不同公司提供的不同产品，针对不同的产品，需要不同的人员进行学习和使用，使用人员之间的交流平台不一致，特别阻碍了中小型企业用户的使用和推广。
2.3 仿真数据管理困难：由于企业选用了不同的虚拟样机产品解决不同的技术问题，随着时间的推移，原有的系统即使采用了PLM平台或者SDM平台，但是由于会增加不同的仿真产品或者现有的仿真产品升级，造成现有系统难于升级和管理，造成数据上的混乱，影响企业的创新性。
3 新一代虚拟样机技术特征
针对传统虚拟样机技术的局限性，目前的虚拟样机产品提供厂家通过各种途径来改变这种现状。
3.1 C3P技术无缝集成：目前主流的CAD厂家通过收购、整合来实现C3P技术无缝集成。如法国达索公司收购了Matrix One、Abaqus、Insight等具有行业领先地位的产品，来提升其原有产品在PLM、CAE、优化等方面的缺陷，并实现技术架构无缝整合。
对于传统CAE厂家也积极寻求突破，如美国ANSYS公司，在收购CFX ，Fluent，Ansoft等多家产品的基础上，将FEA、CFD、电磁、爆炸等多学科技术整合在其Workbench平台上。为了弥补其在于CAD技术集成上的缺陷，近期也与SpaceClaim公司达成合作协议在其新发布的ANSYS 12.0上使用SpaceClaim公司的三维模型直接编辑技术，实现与3维CAD产品的整合。
