摘 要： 以功能相似理論為基礎，認為虛擬樣機技術中存在大量的相似問題，主要集中在虛擬樣機建模和虛擬試驗仿真兩個方面，其中虛擬樣機建模是核心和關鍵。以立式行星磨設備為例，探討了虛擬樣機建模仿真方法，并對所開發的虛擬樣機的置信度進行了研究和評估。
關鍵詞： 置信度；虛擬樣機；仿真；相似理論；立式行星磨
虛擬樣機是一種計算機的數字模型，它能夠反映實際產品的特性，包括外觀、空間關系以及運動學和動力學的特性。借助于虛擬樣機技術，可以在計算機上建立機械系統的數字化模型，伴之以三維可視化處理，模擬在現實環境下系統的運動和動力特性并根據仿真結果精化、優化系統。虛擬樣機技術就是利用計算機仿真技術，對一個與實際系統具有功能相似性的系統或子系統進行可視化的數字仿真，并對數字模型進行評估和測試，從而獲取最優設計方案。虛擬樣機技術利用抽象的虛擬樣機系統模仿實際系統的某些行為特征。既然是一個系統模仿另一個系統，當然兩者不可能完全等同，但是最基本的內容應該相同，即虛擬樣機必須反映實際系統的主要特性，而如何判斷兩個系統的“可模仿性”變得尤為重要，本文將探討虛擬樣機建模及仿真置信度評估方法[1-4]。
1 虛擬樣機相似建模
基于虛擬樣機的系統仿真過程中存在大量的相似問題，其包含兩個方面：虛擬樣機建模和虛擬試驗，其中虛擬樣機建模是核心和關鍵。功能相似的虛擬樣機仿真過程如圖1所示。
虛擬樣機建模的本質是在數字模型與實際系統之間建立相似關系，其途徑就是抽象，抽象過程是建模過程的基礎。為了保證仿真結果的可信度，勢必要進行驗模，驗模至少包含兩層意思，一是檢驗仿真模型與特定數學模型是等價的，稱為檢驗(Verification)；二是驗證仿真結果同試驗結果是否一致，若不一致，則修改仿真模型/特定數學模型，直到一致。這個過程稱為驗證(Validation)。
圖2所示為建模、驗模一般過程。建模有三類主要信息源：目的、先驗知識和試驗。通過驗模進行可信性分析，著重在邏輯上正確、數學上嚴格的含義上進行演繹分析。總之，可信性分析都歸結為模型行為與真實系統行為之間的比較。如果運用一個模型能達到預期目的，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應具有的相似的形式、把握建模過程所要用到的相似方法及建模的復雜程序。
相似方式的種類很多，最主要的有經典相似和功能相似兩種。虛擬樣機建模仿真就是一種以功能相似為基礎的仿真方法，按照此種方法只需依據功能相似原理建立功能相似的虛擬樣機，然后在該樣機上進行功能模擬，以研究實際系統結構和動態行為。
依據相似系統建模原則，虛擬樣機的建模要點是：使得建立的虛擬樣機模型真實反映系統相似的特征，建立要素間的對應關系，并使虛擬樣機與實際系統間要素相似、要素間相互關系等方面的特性相似。
3 實例
3.1 立式行星磨虛擬樣機建模
建立切合實際情況的磨機虛擬樣機是實現系統仿真和優化設計的關鍵和基礎。開發虛擬樣機的過程見圖3。主要包括實體建模、設定運動學關系、設定動力學關系。
其中實體建模包括零件實體建模和實體零件裝配，運動學關系包括行星架約束的施加、行星架與固定塊之間的運動關系、固定塊與行星輪之間的運動關系、行星輪與襯套之間的運動關系，動力學關系包括行星架的主旋轉運動激勵和行星輪所受力矩的施加。基于設備機械系統力學模型，本文建立了該設備的虛擬樣機數字模型見圖4，模型校驗信息見表1。
將上面的權重數值代入系統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
通過對虛擬系統的可信度分析及相似度的計算結果，可知本文開發的設備數字模型非常符合實際，由此數字建模進行的虛擬實驗得到的仿真結果是可信的。
建立一個虛擬樣機一般要經過從實際系統到基本模型，從基本模型再轉換成數字樣機的過程。由于對實際系統的觀察不全面，數據的獲取也不可能完全。但只要把基本模型中的有關分量集中起來，簡化它們之間的相互關系，建立起相對簡單相似模型并數字化成虛擬樣機，這樣，虛擬樣機的仿真結果便能夠完全可信。本文對虛擬樣機的相似建模及仿真的置信度評估進行研究與探討，相信會對實際系統的虛擬仿真、特別是對復雜系統虛擬樣機的建模和有效性判定具有一定的指導意義。
參考文獻
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