虛擬樣機建模仿真的置信度評估

虛擬樣機建模仿真的置信度評估李瑞濤【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(fā)的虛擬樣機的置信度進行了研究和評估。%Inthispaper,fromfunctionsimilaritytheorypointofview,thereislotsofsimilarityinmodelingandsimulationofvirtualprototyping,andthemodelingofvirtualprototypeisakeypoint.Modelingmethodofvirtualprototypearediscussedfromtheexampleofvirtualprototypeofverticalplanetarymill,atthesametime,credibilityofdevelopedvirtualprototypeisstudiedandevaluated.【期刊名稱】《微型機與應用》【年(卷)，期】2011(030)023【總頁數(shù)】3頁(P71-73)【關鍵詞】置信度;虛擬樣機;仿真;相似理論;立式行星磨【作者】李瑞濤【作者單位】金蜂通信有限責任公司，北京100083【正文語種】中文【中圖分類】TP391.9虛擬樣機是一種計算機的數(shù)字模型，它能夠反映實際產(chǎn)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(tǒng)的數(shù)字化模型，伴之以三維可視化處理，模擬在現(xiàn)實環(huán)境下系統(tǒng)的運動和動力特性并根據(jù)仿真結果精化、優(yōu)化系統(tǒng)。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(tǒng)具有功能相似性的系統(tǒng)或子系統(tǒng)進行可視化的數(shù)字仿真，并對數(shù)字模型進行評估和測試，從而獲取最優(yōu)設計方案。虛擬樣機技術利用抽象的虛擬樣機系統(tǒng)模仿實際系統(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(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建模及仿真置信度評估方法［1-4］。1虛擬樣機相似建?；谔摂M樣機的系統(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。圖1功能相似的虛擬樣機仿真過程示意虛擬樣機建模的本質是在數(shù)字模型與實際系統(tǒng)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(shù)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(shù)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(shù)學上嚴格的含義上進行演繹分析?？傊?，可信性分析都歸結為模型行為與真實系統(tǒng)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。圖2建模、驗模一般過程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(jù)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(tǒng)結構和動態(tài)行為。依據(jù)相似系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)間要素相似、要素間相互關系等方面的特性相似。2系統(tǒng)置信度評估根據(jù)相似理論，可以采用如下方法對虛擬樣機系統(tǒng)的置信度進行評估。相似元數(shù)值確定的相似度Qu為：兩個系統(tǒng)之間要素數(shù)量的相似度Qn為：則系統(tǒng)相似度計算公式為：其中：K為虛擬系統(tǒng)A的要素組成數(shù)量，l為實際系統(tǒng)B的要素組成數(shù)量，n為系統(tǒng)A、B間存在的相似要素數(shù)量，q(ui)為相似元邛i為每一相似元對相似系統(tǒng)相似程度的影響權重。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(xiàn)系統(tǒng)仿真和優(yōu)化設計的關鍵和基礎。開發(fā)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?；谠O備機械系統(tǒng)力學模型，本文建立了該設備的虛擬樣機數(shù)字模型見圖4,模型校驗信息見表1。3.2立式行星磨仿真置信度評估根據(jù)設備的工作原理和力學系統(tǒng)模型，本文在虛擬樣機和實際設備相似系統(tǒng)之間構造7個相似元，記為uij（ai，bj），其中i=j=7，分別為行星輪、固定塊、行星架、固定塊與行星架的相對運動關系、固定塊與行星輪的相對運動關系、行星架輪與襯套之間的關系、殼體。首先計算行星架的相似度，設虛擬樣機的行星架（a3）與實際系統(tǒng)行星架（b3）構成相似元u3（a3，b3），主要特征包括各種幾何尺寸及轉速。特征值記為Sj（j=1，2），可計算得到特征比例系數(shù)為r3j（j=1，2）:則相似元的相似度為：q（u3）=1其次，計算固定塊與行星架的相對運動關系的相似度。很顯然，在固定塊與行星架的相對運動關系方面，虛擬樣機與實際系統(tǒng)構成相似元u4（a4，b4），相對運動形式和摩擦是主要特征，特征值記為Sj（j=1，2），特征比例系數(shù)為r4j（j=1，2），則特征比例系數(shù)r41=1，r42=0（因為在虛擬樣機中，固定塊與行星架的運動是理想狀態(tài)的)，則：同理，可以得到：q(u1)=0.6,q(u2)=1,q(u5)=0.8,q(u6)=0.68,q(u7)=1。最后，按照上面公式可以計算系統(tǒng)的相似度，即：其中，權重為Piopi數(shù)值可以通過層次分析法確定。首先，由相似元的評價因素組成評價因素集：可以判斷矩陣P為：將判斷矩陣每列歸一化后得：將上面的權重數(shù)值代入系統(tǒng)相似度的計算公式便可以得到：通過對虛擬系統(tǒng)的可信度分析及相似度的計算結果，可知本文開發(fā)的設備數(shù)字模型非常符合實際，由此數(shù)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(jīng)過從實際系統(tǒng)到基本模型，從基本模型再轉換成數(shù)字樣機的過程。由于對實際系統(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(shù)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(tǒng)的虛擬仿真、特別是對復雜系統(tǒng)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【相關文獻】李瑞濤，方湄，張文明.虛擬樣機技術及其在礦山機械領域的應用展望[J].礦山機械，2000(5):11-12.李瑞濤，方湄，張文明，等.虛擬樣機技術在立式行星磨設計中的應用研究[J].冶金設備，2001(3):4-8.LiRuitao，F(xiàn)angMei，ZhangWenming，etal.