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产品开发的重要支撑—虚拟现实模拟仿真技术
2010年9月3日    评论:    分享:

    来源:第三维度

    ISO标准《数据处理词汇》原本给出这样的解释:

    模拟(Simulation)是指选取一个物理的或抽象的系统的某些行为特征,用另一个系统来表示它们的过程。

    仿真(Emulation)是指用另一数据处理系统,主要用硬件来全部或部分地模仿某一数据处理系统,以致于模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的数据,执行同样的程序,获得同样的结果。

    虚拟现实(Virtual Reality) 是指存在于计算机系统中的逻辑环境,通过输出设备模拟显示现实世界中的三维物体和它们的运动规律和方式。 虚拟现实是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界,提供使用者关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟,让使用者如同身历其境一般,可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

    但是,人们在许多场合却习惯于将模拟仿真两个词连用,并用Simulation来表示,指的是:用模型(物理模型或数学模型)来模仿实际系统,代替实际系统来进行实验和研究,而模拟(Analog)却被用来仅指应用模拟计算机进行仿真。

    事实上,习惯定义的虚拟现实与模拟仿真,即用模型来模仿实际系统进行实验和研究,从来就是产品开发中的常用技术手段。例如:人们要设计一架飞机,为了研究其空气动力学性能,总是要先制造一个缩小的飞机模型,放在气流场相似的风洞中进行实验研究;人们要设计一艘轮船,为了了解轮船的各种性能,常常要先做一个缩小的轮船模型,在水池中进行各种试验等等。当然,这些模拟仿真用的都是几何相似的物理模型。自从电子计算机问世以后,模拟仿真这个概念就越来越紧密地与计算机联在一起了,人们越来越多地通过数学模型应用计算机来进行模拟仿真。例如:美国不久前研制成功的新一代波音777飞机,宣称进行了“不上天的试飞(Testing without flying)”,就是用计算机完成了模拟试飞,取得了和实际上天试飞的同样效果。这一事例充分显示计算机模拟仿真技术的当代发展水平,同时也说明计算机模拟仿真已成为现代产品开发中的重要支撑技术。

    模拟仿真,尤其是计算机模拟仿真技术之所以能在现代产品开发中发挥其重要作用,主要是因为:

    1.应用模拟仿真技术,可以提高产品开发质量

    现代产品开发,强调“最优化设计”—以追求产品全寿命周期的综合性能最佳以核心准则。这是传统的产品开发不可能做到的,传统的产品开发有时甚至仅仅以满足使用要求为准则,局限为“可用化设计”。但是,产品在其全寿命周期内可能遇到各种各样复杂的工作环境,而且这些复杂的工作环境往往是人工难以复现的。应用计算机模拟仿真技术,可以甚至在产品尚未最终设计出来之前,就考察研究它们在各种工作环境下的表现,从而保证其综合性能的最优。这正是模拟仿真技术首先被应用于航天、航空、军事、原子反应堆等领域的重要原因。例如:第一台模拟计算机用于飞机设计,第一台混合计算机用于导弹轨迹计算等。

    2.应用模拟仿真技术,可以缩短产品开发周期

    产品开发周期主要由设计周期、加工准备周期、制造同期三部分组成。传统的产品开发,常常要经历方案设计→图样设计→样机制造→工艺设计(必要时伴以工艺试验)→批量生产这样一系列步骤,在任何一个步骤中发现问题,常常要回退到前面的某一步骤重新循环。此外,样机制作、工艺试验本身也要花费很多时间,因而造成产品开发周期的冗长。应用模拟仿真技术,可以从以下几个方面大大缩短产品的开发时间。

    (1)在方案设计中,可以同时对多个方案进行综合性能的模拟预测,以便迅速确定最佳方案。

    (2)在图样设计阶段,可以通过模拟仿真,对结构、参数是否适合产品综合性能要求进行验证。

    (3)模拟仿真可以代替或部分代替样机制作、工艺试验。

    (4)可以通过对制造过程、装配过程的模拟,及早在设计阶段就发现并解决工艺设计、加工制造中可能发生的问题。

    3.应用模拟仿真技术,可以降低产品开发费用

    用计算机模拟仿真代替样机或实体模型试验,不仅可以缩短产品开发周期,而且可以大大节省开发费用。例如,在大型变压器产品开始中必须进行电磁场的计算,用传统的解析法已无法计算,多年来一直是通过1:1的实体模型试验来取得数据,每做一件模型就要花费几十万甚至几百万元,现在用计算机进行电磁场波过程仿真,节省下可观的模型制作费用。

    又如,汽车车身覆盖件的设计中,不仅要考虑其运行阻力、外观造型等因素,而且要考虑安全因素——当汽车受到碰撞时,车身的变形应尽可能少地危及乘员的安全。为此,每设计一个车型总要拿出十几辆车,从不同方向进行撞车试验,验证车身的变形状况。现在美国等工业发达国家已实现用计算机进行撞车模拟试验,从过去毁坏十几辆车作撞车试验,减少到只用5辆。

    4.应用模拟仿真技术,还可进行复杂产品的操作使用训练

    要掌握复杂产品(如飞机)或复杂技术系统(如核电站)的操作控制,必须进行训练,采用真实产品或系统进行训练,不仅费用昂贵,而且风险巨大。应用模拟仿真技术,可以让受训人员“身临其境”地学习操作、控制性能;还可以制造出许多罕见的“故障”和“险情”,让受训人员学会处理和排除,取得用真实产品或系统所达不到的训练效果。

 

标签:模拟仿真虚拟现实
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