摘  要： 以功能相似理論為基礎(chǔ)，認(rèn)為虛擬樣機(jī)技術(shù)中存在大量的相似問題，主要集中在虛擬樣機(jī)建模和虛擬試驗(yàn)仿真兩個方面，其中虛擬樣機(jī)建模是核心和關(guān)鍵。以立式行星磨設(shè)備為例，探討了虛擬樣機(jī)建模仿真方法，并對所開發(fā)的虛擬樣機(jī)的置信度進(jìn)行了研究和評估。
關(guān)鍵詞： 置信度；虛擬樣機(jī)；仿真；相似理論；立式行星磨

　虛擬樣機(jī)是一種計算機(jī)的數(shù)字模型，它能夠反映實(shí)際產(chǎn)品的特性，包括外觀、空間關(guān)系以及運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的特性。借助于虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以在計算機(jī)上建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化模型，伴之以三維可視化處理，模擬在現(xiàn)實(shí)環(huán)境下系統(tǒng)的運(yùn)動和動力特性并根據(jù)仿真結(jié)果精化、優(yōu)化系統(tǒng)。虛擬樣機(jī)技術(shù)就是利用計算機(jī)仿真技術(shù)，對一個與實(shí)際系統(tǒng)具有功能相似性的系統(tǒng)或子系統(tǒng)進(jìn)行可視化的數(shù)字仿真，并對數(shù)字模型進(jìn)行評估和測試，從而獲取最優(yōu)設(shè)計方案。虛擬樣機(jī)技術(shù)利用抽象的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)模仿實(shí)際系統(tǒng)的某些行為特征。既然是一個系統(tǒng)模仿另一個系統(tǒng)，當(dāng)然兩者不可能完全等同，但是最基本的內(nèi)容應(yīng)該相同，即虛擬樣機(jī)必須反映實(shí)際系統(tǒng)的主要特性，而如何判斷兩個系統(tǒng)的“可模仿性”變得尤為重要，本文將探討虛擬樣機(jī)建模及仿真置信度評估方法[1-4]。
1 虛擬樣機(jī)相似建模
　基于虛擬樣機(jī)的系統(tǒng)仿真過程中存在大量的相似問題，其包含兩個方面：虛擬樣機(jī)建模和虛擬試驗(yàn)，其中虛擬樣機(jī)建模是核心和關(guān)鍵。功能相似的虛擬樣機(jī)仿真過程如圖1所示。
虛擬樣機(jī)建模的本質(zhì)是在數(shù)字模型與實(shí)際系統(tǒng)之間建立相似關(guān)系，其途徑就是抽象，抽象過程是建模過程的基礎(chǔ)。為了保證仿真結(jié)果的可信度，勢必要進(jìn)行驗(yàn)?zāi)?，?yàn)?zāi)Ｖ辽侔瑑蓪右馑?，一是檢驗(yàn)仿真模型與特定數(shù)學(xué)模型是等價的，稱為檢驗(yàn)(Verification)；二是驗(yàn)證仿真結(jié)果同試驗(yàn)結(jié)果是否一致，若不一致，則修改仿真模型/特定數(shù)學(xué)模型，直到一致。這個過程稱為驗(yàn)證(Validation)。
　圖2所示為建模、驗(yàn)?zāi)Ｒ话氵^程。建模有三類主要信息源：目的、先驗(yàn)知識和試驗(yàn)。通過驗(yàn)?zāi)＿M(jìn)行可信性分析，著重在邏輯上正確、數(shù)學(xué)上嚴(yán)格的含義上進(jìn)行演繹分析。總之，可信性分析都?xì)w結(jié)為模型行為與真實(shí)系統(tǒng)行為之間的比較。如果運(yùn)用一個模型能達(dá)到預(yù)期目的，那么這個模型就是成功的、可信的。從相似理論的角度看，明確建模目的有助于確定虛擬樣機(jī)應(yīng)具有的相似的形式、把握建模過程所要用到的相似方法及建模的復(fù)雜程序。

　相似方式的種類很多，最主要的有經(jīng)典相似和功能相似兩種。虛擬樣機(jī)建模仿真就是一種以功能相似為基礎(chǔ)的仿真方法，按照此種方法只需依據(jù)功能相似原理建立功能相似的虛擬樣機(jī)，然后在該樣機(jī)上進(jìn)行功能模擬，以研究實(shí)際系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和動態(tài)行為。
依據(jù)相似系統(tǒng)建模原則，虛擬樣機(jī)的建模要點(diǎn)是：使得建立的虛擬樣機(jī)模型真實(shí)反映系統(tǒng)相似的特征，建立要素間的對應(yīng)關(guān)系，并使虛擬樣機(jī)與實(shí)際系統(tǒng)間要素相似、要素間相互關(guān)系等方面的特性相似。

3 實(shí)例
3.1 立式行星磨虛擬樣機(jī)建模
　建立切合實(shí)際情況的磨機(jī)虛擬樣機(jī)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真和優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。開發(fā)虛擬樣機(jī)的過程見圖3。主要包括實(shí)體建模、設(shè)定運(yùn)動學(xué)關(guān)系、設(shè)定動力學(xué)關(guān)系。
　其中實(shí)體建模包括零件實(shí)體建模和實(shí)體零件裝配，運(yùn)動學(xué)關(guān)系包括行星架約束的施加、行星架與固定塊之間的運(yùn)動關(guān)系、固定塊與行星輪之間的運(yùn)動關(guān)系、行星輪與襯套之間的運(yùn)動關(guān)系，動力學(xué)關(guān)系包括行星架的主旋轉(zhuǎn)運(yùn)動激勵和行星輪所受力矩的施加?；谠O(shè)備機(jī)械系統(tǒng)力學(xué)模型，本文建立了該設(shè)備的虛擬樣機(jī)數(shù)字模型見圖4，模型校驗(yàn)信息見表1。

　將上面的權(quán)重數(shù)值代入系統(tǒng)相似度的計算公式便可以得到：
　Q(A，B)=0.19×0.6+0.14×1+0.14×1+0.16×0.8+0.16×0.8+0.19×0.68+0.02×1=0.8
　通過對虛擬系統(tǒng)的可信度分析及相似度的計算結(jié)果，可知本文開發(fā)的設(shè)備數(shù)字模型非常符合實(shí)際，由此數(shù)字建模進(jìn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)得到的仿真結(jié)果是可信的。
　建立一個虛擬樣機(jī)一般要經(jīng)過從實(shí)際系統(tǒng)到基本模型，從基本模型再轉(zhuǎn)換成數(shù)字樣機(jī)的過程。由于對實(shí)際系統(tǒng)的觀察不全面，數(shù)據(jù)的獲取也不可能完全。但只要把基本模型中的有關(guān)分量集中起來，簡化它們之間的相互關(guān)系，建立起相對簡單相似模型并數(shù)字化成虛擬樣機(jī)，這樣，虛擬樣機(jī)的仿真結(jié)果便能夠完全可信。本文對虛擬樣機(jī)的相似建模及仿真的置信度評估進(jìn)行研究與探討，相信會對實(shí)際系統(tǒng)的虛擬仿真、特別是對復(fù)雜系統(tǒng)虛擬樣機(jī)的建模和有效性判定具有一定的指導(dǎo)意義。
參考文獻(xiàn)
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