虚拟样机及仿真技术在飞机调试中的应用

崔少华

摘要：仿真技术，又被称为模拟技术，其存在，就是使用一套虚拟的系统来模拟另外一种真实系统及环境的技术。仿真技术已经在医疗、工业、建筑等行业发挥了重要的作用， 其低价、高效、真实模拟等特点，极其适用于飞机调试上，仿真技术必将发挥出巨大的经济效益和技术优势。

关键词：虚拟样机；仿真技术；调试；数据分析

一、虚拟仿真技术的基本特性和现状

1.虚拟仿真技术具有以下四个基本特性：

（1）沉浸性。在虚拟仿真系统中，操作者，可以通过视觉、听觉、触感等方面，来获得身临其境的感受，从而反映出特定环境下，操作者紧急处理办法等。理想的虚拟仿真系统应该具有能够给人所有感知信息的功能。

（2）交互性。虚拟仿真系统中，不仅环境能够作用于人，人也可以对环境进行控制，而且人是以近乎自然的行为（自身的语言、肢体的动作等）进行控制的，虚拟环境还能够对人的操作予以实时的反应。例如，当飞行员按动导弹发射按钮时，会看见虚拟的导弹发射出去并跟踪虚拟的目标；当导弹碰到目标时会发生爆炸，能够看到爆炸的碎片和火光。

（3）虚幻性。虚拟仿真系统，可以模拟出特定情况下才會发生的事件，比如自然灾害、机械故障失灵等环境，来测试工作人员的应急反应。也可以创造出古代、未来、甚至是不存的虚幻世界。

（4）逼真性。虚拟仿真系统的逼真性表现在两个方面：一方面，虚拟环境给人的的各种感觉与所模拟的客观世界非常相像，一切感觉都是那么逼真，如同在真实世界一样；另一方面，当人以自然的行为作用于虚拟环境时，环境做出的反应也符合客观世界的有关规律。如当给虚幻物体一个作用力，该物体的运动就会符合力学定律，会沿着力的方向产生相应的加速度；当它遇到障碍物时，会被阻挡。

2.仿真虚拟技术的现状

我国仿真虚拟技术发展较晚，资金投入相对较少，因此，与国外有一定的技术差距，主要表现在建模、系统工程、经济效益等方面。

建模需要对实物或者环境，有着深入的了解和长时间积累的经验作为前提。国外在这方面起步早，有着丰富的建模经验和实验数据，而我国由于经验不足和资金缺乏，大部分建模是用计算数据作为参考，效率较低。

在经济方面，国内的仿真模拟技术并未形成产业化，仍然处于起步阶段，技术大多是像国外学习，没有自主创新的能力。但是，这并不妨碍仿真模拟技术为各行业做出贡献。

二、虚拟样机和仿真技术在飞机研制、生产、调试中的应用

1.虚拟样机的优势和特点

（1）虚拟样机可以在开发阶段，就可以给用户看到模拟出的样机。提前对用户的满意度进行评估，听取用户意见，提高样机的完成速度、减少修改率。

（2）直观、快速的将设计师的想法，展现给用户，可以对功能等方面早作评测。

（3）使用虚拟样机进行测试与评估，可以尽早发现设计上的漏洞，对飞行数据提前进行分析，大大减少了返工率。

图2.1仿真软件进行虚拟调试图

飞机，是世界空军中的战斗主力，利用虚拟仿真技术，可以及早的在生产环节，根据数据测试，提前发现试飞时可能出现的问题，进行预防处理，不论是从经济、还是效率上，都可进行极大的节省与提高。

2.在飞机研制中的应用

（1）运动和动力学仿真。飞机的气动布局是否符合空气动力学原理、运动过程中的阻力、其内部结构布局的合理性等，在飞机设计阶段就可利用计算机仿真技术展示出产品的行为，动态表现产品的性能，产品设计必须解决运动构件工作时的运动协调关系、运动范围设计、可能的运动干涉检查、产品动力学性能、强度、刚度等。例如，生产线上各个环节的动作协调和配合是比较复杂的，采用仿真技术，可以直观地进行配置和设计，保证工作的协调。

（2）虚拟建模设计。在飞机设计、生产过程中往往需要制造数量非常庞大的部/附件原型，而实际工作中不可能一次性就将成千上万个部件正确地装配在一起来满足设计要求。 部/附件之间的配合性和可装配性是设计人员常易出现错误的地方，以往要到产品最后装配时才能发现，导致零件的报废和工期的延误，造成巨大的经济损失和浪费。因为采用二维图样进行线性设计，无法预先发现设计造成的装配干扰等问题。

目前，机械设计基于CE原则，采用三维图样的立体模型，使得在设计产品时就可以确定产品的所有物理性能，包括重力、质量、剖面特性及重心等。通过装配模拟软件，产品设计人员可以检查部件的间隙和相互干扰，并在实际加工之前就建立整个产品的虚拟工作原型，对此虚拟原型进行试验、分析应力和变型等。若设计不符合标准，可以十分方便地更改模型，并重新生成模型。

图2.2正在进行中的飞机调试图

另外，虚拟制造系统可以提供可合作性的分析支持，为合作伙伴提供协同工作环境和虚拟制造动态组合及运行支持环境。虚拟制造系统可以将异地的、各具优势的研究开发力量，通过网络和视像系统联系起来，进行异地开发，网上讨论。从飞机需求分析、设计、零部件生产、总成装配、试验、试飞以至后续服务这一全过程中各个环节都可以进行仿真，为虚拟制造动态组合提供支持

三、结束语

虚拟样机及仿真技术，作为一门新兴的技术，对于设计、生产、调试等方面，有着极大的经济效益和技术优势。国外已经将此技术广泛应用于各个领域。我国在此技术上，虽然起步较晚，但是仍然涌现出大批高技术人才。鉴于航空领域的复杂性和综合性，虚拟仿真技术，必将能在此领域大展拳脚，为企业创造出巨大的经济效益。

参考文献：

[1] 陈军，周晓平，郝江涛 等.基于MatLab & Simulink的电工电子技术仿真实验平台[J].