虛擬原型技術是在虛擬的逼真環(huán)境下，對產品設計信息進行協(xié)同仿真驗證的有效手段，它可有效支持并行設計，縮短產品開發(fā)周期.在分析了虛擬原型與并行設計的關系后，提出了基于域對象的虛擬原型建模與仿真方法，并闡述了支持虛擬原型的集成框架的關鍵技術.
1、引言
面對現(xiàn)代高技術產品的設計復雜性障礙和激烈的市場競爭，產品設計生產部門非常需要能有效地提高產品設計質量、縮短產品研制周期、降低產品開發(fā)和生產成本的新技術的支持。
在傳統(tǒng)的產品設計與制造過程中，為了驗證產品的整體性能，往往采用物理原型(Physical Prototype)方法，但是這種方法生產周期長，成本高.進入90年代后，隨著計算機技術和CIMS技術的迅猛發(fā)展，虛擬原型(Virtual Prototype)在產品設計和制造過程中起到越來越大的作用.虛擬原型是根據(jù)產品設計信息或產品概念產生的在功能、行為以及感官(視覺、聽覺、觸覺等)特性方面與實際產品盡可能相似的可仿真數(shù)字模型.由于虛擬原型技術對推動并行工程和擬實制造技術的發(fā)展有重要意義，國外許多研究機構和軟件供應商都很重視研究、開發(fā)和應用虛擬原型技術，現(xiàn)已深入到機械、電子、航空航天、船舶、汽車與通訊等多個領域。
本文分析了虛擬原型與并行設計的關系，提出了基于域對象的虛擬原型建模與仿真方法，并重點闡述了支持虛擬原型的集成框架的關鍵技術。
2、虛擬原型與并行設計
并行設計是對產品及其相關過程集成地、并行地進行設計.強調產品開發(fā)人員一開始考慮產品從概念設計到消亡的整個生命周期里的所有相關因素的影響，把一切可能產生的錯誤、矛盾和沖突盡可能及早地發(fā)現(xiàn)和解決，以縮短產品開發(fā)周期、降低產品成本、提高產品質量.
并行設計包含2個方面：其一是多過程集成的并行設計，其二是多個產品開發(fā)組(Teams)協(xié)同的并行設計.
虛擬原型是實現(xiàn)并行設計的重要手段，它在上述2個方面都可對并行設計提供有力的支持.
2.1 虛擬原型與上下游并行設計 虛擬原型與上下游并行設計
在進行上游概念設計和功能設計的同時，進行下游物理規(guī)劃或虛擬物理設計，并行、全面地規(guī)劃影響產品質量、成本和周期的各種相關因素，產生合理的約束，用約束驅動設計，并重視上游設計的充分驗證。
圖1是采用虛擬原型的產品并行設計流程示意圖.在上游結構功能設計與驗證完成后，根據(jù)產品功能結構信息、庫元件信息及一些經驗數(shù)據(jù)生成產品的虛擬原型；虛擬原型中包含有所需的系統(tǒng)結構行為、結構和物理設計信息.以虛擬原型為基礎，并行設計規(guī)劃綜合考慮各種約束，對虛擬原型進行仿真和測試，對物理參數(shù)信息進行分析和規(guī)劃，判斷性能指標是否能夠滿足，設計方案是否合理，并給出產品的工程可實現(xiàn)性評價.如果發(fā)現(xiàn)性能指標和各種約束不能滿足，則提出相應的修改建議，重新生成虛擬原型或修改設計方案；否則，規(guī)劃出設計優(yōu)化約束規(guī)則，驅動下游設計。
圖1 采用虛擬原型的產品并行設計流程示意圖
2.2 虛擬原型與協(xié)同設計
產品的設計空間可以看作是一個多維空間，每一維表示影響產品生命周期的一個制約因素，如性能、成本、可制造性、可維護性等，而這些制約因素之間又相互影響.對某一維而言，某個產品的設計方案可能是很好的，但由于受到其它維因素的制約，有可能成為不可行方案.在設計中，每一個領域內的專家由于受知識與主觀愿望的制約，總是會過多地考慮產品某一方面的指標，而忽略了產品的綜合指標.對復雜產品，由多個專家協(xié)作設計是不可避免的.而產品設計中的評價多是不確定性問題，用傳統(tǒng)方法無法解決.采用虛擬原型是解決多專家協(xié)同設計的有效途徑。
在多個產品開發(fā)組協(xié)同設計環(huán)境中，分布在不同地點、不同部門的專業(yè)人員圍繞逼真的虛擬原型，從不同角度、不同需求出發(fā)，對虛擬原型進行測試、仿真和評價，并改進和完善.他們也可通過虛擬原型達到相互交流和共享信息的目的.這可以確保在產品設計開發(fā)的早期消除設計隱患，提高產品設計質量，縮短產品開發(fā)時間。
3、基于域對象的虛擬原型建模與仿真
3.1 域對象與領域實體對象
域對象是為了在不同工具或領域間實現(xiàn)異構數(shù)據(jù)的共享，將領域中相應的工具、模型、數(shù)據(jù)及方法進行封裝，形成的一個具有真實產品部件功能特性的實體.域對象由智能接口、設計數(shù)據(jù)和仿真工具等部分組成.智能接口是域對象和外部世界之間的智能代理.域對象內部的設計數(shù)據(jù)由同一種設計工具產生，而不同域對象之間則存在著很大的異構性.在域對象外部，可以把產品部件看成是具有一定功能的實體，只關心其激勵響應特性，而不考慮其內部細節(jié).從而便于消除工具間的差異，實現(xiàn)異構的集成。
對于每一類域對象，在虛擬原型服務器上都有一個領域實體對象與之對應.領域實體對象中存有和該設計實體相關的屬性信息，由設計者在總體設計階段創(chuàng)建.針對不同領域的設計實體，系統(tǒng)為領域實體對象的創(chuàng)建提供一些預定義的模板，用戶根據(jù)設計需要選用，并定制自己的領域實體對象.同時，可以用圖形編輯的方式定義各領域實體對象間的結構關系，系統(tǒng)可以根據(jù)互連關系及各領域實體對象的定義自動產生接口關系信息。
