随着全球经济的一体化，工程机械产品市场的竞争日益激烈。为了提高市场竞争力，各企业必须不断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低开发成本。在这种需求下，以虚拟现实技术为代表的计算机技术不断发展，使虚拟设计逐步成为工程领域一种新的现代化设计手段。运用虚拟设计的方法，可以在产品设计初期，设计、分析和评估产品的性能，确定和优化物理样机参数，从而降低新产品的开发风险，缩短开发周期，提高产品性能。

　　在各种成熟的三维CAD、CAE商业计算机软件的推动下，虚拟样机技术（Virtual Prototype）不断发展，使工程机械产品的虚拟设计逐步走向成熟。但对于虚拟样机技术这种新观念、新技术，目前尚无统一的定义与体系结构，因此许多国内企业面对市场上众多的CAD、CAE商业软件，却不能充分应用虚拟样机技术。本文从虚拟样机技术的概念出发，基于并行设计思想，构建了适合工程机械的虚拟样机研究平台。

1 虚拟样机技术

　　虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，它是在制造第一台物理样机之前，以机械系统运动学、多体动力学、有限元分析和控制理论为核心，运用成熟的计算机图形技术，将产品各零部件的设计和分析集成在一起，建立机械系统的数字模型，从而为产品的设计、研究、优化提供基于计算机虚拟现实的研究平台。因此虚拟样机亦被称为数字化功能样机。

　　虚拟样机技术不仅是计算机技术在工程领域的成功应用，更是一种全新的机械产品设计理念。一方面与传统的仿真分析相比，传统的仿真一般是针对单个子系统的仿真，而虚拟样机技术则是强调整体的优化，它通过虚拟整机与虚拟环境的耦合，对产品多种设计方案进行测试、评估，并不断改进设计方案，直到获得最优的整机性能。另一方面，传统的产品设计方法是一个串行的过程，各子系统（如：整机结构、液压系统、控制系统等）的设计都是独立的，忽略了各子系统之间的动态交互与协同求解，因此设计的不足往往到产品开发的后期才被发现，造成严重浪费。运用虚拟样机技术可以快速地建立包括控制系统、液压系统、气动系统在内的多体动力学虚拟样机，实现产品的并行设计，可在产品设计初期及时发现问题、解决问题，把系统的测试分析作为整个产品设计过程的驱动。

　　虚拟样机技术已被广泛应用在航空航天、汽车制造、工程机械、铁道、造船、军事装备、机械电子，以及娱乐设备等各个领域。在航空航天领域有许多成功应用：空间系统的捕捉与对接，飞船与空间飞行器发射、对接、着陆过程仿真，太阳帆板展开机构分析与设计，飞机起落架工作过程等。在军用装备方面有目标跟踪系统与控制系统设计，武器装填与发射系统仿真，履带式和轮式车辆动力学仿真，重型坦克跨越障碍能力，坦克行驶稳定性优化与炮塔控制等。通用机械方面，虚拟样机技术在机器人、纺织机械、工业机床、包装机械等生产机械领域有更广泛的应用。

　　虚拟样机技术在工程机械领域可应用的方面有：履带式和轮式车辆稳定性、操作性能研究，液压系统、牵引设备性能预测，推土机、挖掘机、林业机械等动态性能研究，零部件和发动机载荷预测与尺寸确定，驾驶员视野研究，预测挖掘机所需要的功率，工作效率研究，可靠性分析等。图1为液压挖掘机虚拟样机，图2为履带虚拟样机正在进行性能测试。

2 基于并行设计的虚拟样机研究平台

　　工程机械产品传统的设计过程如图3所示。传统设计过程难以发现现有方案中存在的不足，产品有潜在的质量问题；物理样机设计、制造和测试周期长，消耗大，方案不易改动；难以找到最优方案，造成产品材料的浪费；难以预测产品寿命，产品可靠性不高。

　　针对产品传统设计过程的弊端，根据并行设计思想，利用现有虚拟样机技术的构成技术和产品，可构建工程机械产品开发的虚拟样机研究平台，如图4所示。

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