摘要： 介绍了虚拟样机技术的功能和特点，并以1000MW的发电机定子铁心为例分析论述了该方法的原理与特点,研究了其实现方法与具体步骤，通过应用表明，虚拟样机技术有助于设计者进行复杂的产品设计与性能的优化研究。
Abstract: In this paper，the functions and features of virtual prototype were introduced. It expounded and analysed the functions and features of this method taking the issue of 1000MW generator"s stator core, its realization approach and detailed process are discussed. The results indicate, virtual prototype technology was helpful to optimize th eresearch of mechanical system design and performance.
关键词： 虚拟样机；仿真；应用
Key words: virtual prototype；simulation；application
中图分类号：TP391.9文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）16-0165-02
作者简介：苏涛（1975-），男，河南开封人，硕士，助教，研究方向为虚拟样机及仿真设计。
0 引言
随着21世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈。产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展。面对无法预测、持续发展的市场需求，企业为了提高竞争力，必须尽快推出新产品，更新设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新性设计，这样才能对快速多变的市场需求做出敏捷响应，从而在市场竞争中获得相当的市场份额和利润。虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology）就是在这种迫切需要的驱动下产生的。
1 虚拟样机技术的特点
虚拟样机技术使新产品的设计摆脱了对物理样机的依赖，是一种全新的研发模式。它是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中，工程设计人员可以直接利用CAD系统所提供的各种零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件问的约束关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观测并试验各组成部分的相互运动情况。利用虚拟样机技术可方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直到获得最优设计方案之后，再制造物理样机。（如图1所示）
2 虚拟样机技术在仿真设计中的应用
虚拟样机仿真技术包括两方面的内容，一是几何仿真，即机构的几何特性与装配关系的仿真；二是性能仿真，即系统运动性能及动力特性的仿真。
几何仿真是通过虚拟造型技术直观、准确地反映产品的几何特征与装配关系，进而在设计早期预测系统干涉、检验装配缺陷，以便顺利进入下一步的运动学、动力学仿真中。建模的过程是为几何模型施加切合实际的特性，如约束、驱动力、摩擦及刚度等性能参数。合理的几何仿真是通过性能仿真进行优化设计的前提与基础。性能仿真的核心是多体系统动力学，多体系统动力学是由多刚体系统动力学与多柔体系统动力学组成的。多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整的约束，非完整的约束定常或非定常的约束。研究这些动力学需要建立非线性运动方程，能量表达式，运动学表达式以及其他一些量的表达式。多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。
虚拟样机技术在机构设计中的运用十分广泛，主要包括结构尺寸设计、结构强度和刚度分析、运动性能分析、动力学性能分析、加工工艺分析等等。
对于尺寸结构设计，目前，三维设计产品设计软件在企业已得到广泛应用，而传统的二维设计软件正在逐渐退出。概括地说，现代生产中产品设计和开发就是建立虚拟样机。相对于二维产品设计，三维设计不仅可以让设计者直观评价产品，而且使设计本身更加便捷、快速。
结构强度和刚度分析：对于某些零件，在进行结构尺寸设计的同时，设计人员还要对其进行结构强度和刚度的分析，进行材料以及结构的优化设计。有限元法在机械结构强度和刚度分析方面因具有了极为方便的分析手段。
动力学仿真分析：进行机构结构等的设计时，还需要了解机构的运动和动力学的参数。设计人员可以采用刚体或者多体动力学分析的方法对运动机构进行全方面的仿真分析，并对这些性能进行优化，从而达到提高产品性能、缩短开发时间、减少开发费用的目的。
下面以1000MW汽轮发电机定子铁心为例进行虚拟样机的模态仿真设计过程。
建立汽轮发电机定子铁心参数化模型首先要建立定子硅钢片的三维模型，接着生成定子铁心段及定子铁心体，然后装入由定位肋和穿心螺杆构成的内定子中，随后通过切除命令生成定子的定位槽及绕组槽等。最后通过干涉检查确定定子铁心模型不存在任何干涉，建成定子铁心模型。通过设置定子铁心装配参考平面与定位肋、穿心螺杆参考平面之间贴合，各基准轴线平行并且保持一定的间距等。在构建装配体时将零部件安装到默认位置，得到汽轮发电机定子铁心的装配体模型，如图2所示。
通过有限元方法（使用ANSYS软件）计算得出1000MW汽轮发电机定子铁心的第一阶固有频率为126.24hz、129.39Hz、180.46Hz，分别给出第一阶振型图、同时分别给出了三种型号汽轮发电机定子铁心的前10阶模态频率。定子铁心的自由模态分别存在椭圆变形模态振型（第81阶），如图3和图4所示。
根据分析得到的N阶模态频率可以清楚地指导所设计的定子铁心的安全工作时间以及在何时会靠向倍频，从而清晰的掌握定子铁心的整个工作状态。随时调整设计方案以及快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得系统的最佳设计方案为止。虚拟样机技术的应用贯穿于整个设计过程中，它可用在概念设计和方案论证中，设计者将自己的经验与想象结合在虚拟样机里，让想象力和创造力得到充分发挥。用虚拟样机替代物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计效率也得到了提高。
3 结束语
虚拟样机技术是工程机械领域内一门新兴技术,它使产品设计可以摆脱对物理样机的依赖。围绕产品的概念设计、定型生产到整个研发周期,再从设计师、决策层、制造商、销售商到用户群等全方位的观察和研究产品,虚拟样机技术显示其强大的优势和发展潜力。作为一种先进的设计方法,虚拟样机技术有助于企业做出前瞻性的决策,实现产品总体优化目标,为企业赢得用户给市场提供了有利条件。可以预见，在21世纪虚拟样机技术势必会成为工程机械领域产品研发的主要手段。
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