隨著全球經濟的一體化，工程機械產品市場的競爭日益激烈。為了提高市場競爭力，各企業必須不斷縮短新產品的研發周期，提高產品質量、性能，降低開發成本。在這種需求下，以虛擬現實技術為代表的計算機技術不斷發展，使虛擬設計逐步成為工程領域一種新的現代化設計手段。運用虛擬設計的方法，可以在產品設計初期，設計、分析和評估產品的性能，確定和優化物理樣機參數，從而降低新產品的開發風險，縮短開發周期，提高產品性能。
在各種成熟的三維CAD、CAE商業計算機軟體的推動下，虛擬樣機技術（Virtual Prototype）不斷發展，使工程機械產品的虛擬設計逐步走向成熟。但對於虛擬樣機技術這種新觀念、新技術，目前尚無統一的定義與體系結構，因此許多國內企業面對市場上眾多的CAD、CAE商業軟體，卻不能充分應用虛擬樣機技術。本文從虛擬樣機技術的概念出發，基於并行設計思想，構建了適合工程機械的虛擬樣機研究平台。
1 虛擬樣機技術
虛擬樣機技術是一門綜合多學科的技術，它是在製造第一台物理樣機之前，以機械系統運動學、多體動力學、有限元分析和控制理論為核心，運用成熟的計算機圖形技術，將產品各零部件的設計和分析集成在一起，建立機械系統的數字模型，從而為產品的設計、研究、優化提供基於計算機虛擬現實的研究平台。因此虛擬樣機亦被稱為數字化功能樣機。
虛擬樣機技術不僅是計算機技術在工程領域的成功應用，更是一種全新的機械產品設計理念。一方面與傳統的模擬分析相比，傳統的模擬一般是針對單個子系統的模擬，而虛擬樣機技術則是強調整體的優化，它通過虛擬整機與虛擬環境的耦合，對產品多種設計方案進行測試、評估，並不斷改進設計方案，直到獲得最優的整機性能。另一方面，傳統的產品設計方法是一個串列的過程，各子系統（如：整機結構、液壓系統、控制系統等）的設計都是獨立的，忽略了各子系統之間的動態交互與協同求解，因此設計的不足往往到產品開發的後期才被發現，造成嚴重浪費。運用虛擬樣機技術可以快速地建立包括控制系統、液壓系統、氣動系統在內的多體動力學虛擬樣機，實現產品的并行設計，可在產品設計初期及時發現問題、解決問題，把系統的測試分析作為整個產品設計過程的驅動。
虛擬樣機技術已被廣泛應用在航空航天、汽車製造、工程機械、鐵道、造船、軍事裝備、機械電子，以及娛樂設備等各個領域。在航空航天領域有許多成功應用：空間系統的捕捉與對接，飛船與空間飛行器發射、對接、著陸過程模擬，太陽帆板展開機構分析與設計，飛機起落架工作過程等。在軍用裝備方面有目標跟蹤系統與控制系統設計，武器裝填與發射系統模擬，履帶式和輪式車輛動力學模擬，重型坦克跨越障礙能力，坦克行駛穩定性優化與炮塔控制等。通用機械方面，虛擬樣機技術在機器人、紡織機械、工業機床、包裝機械等生產機械領域有更廣泛的應用。
虛擬樣機技術在工程機械領域可應用的方面有：履帶式和輪式車輛穩定性、操作性能研究，液壓系統、牽引設備性能預測，推土機、挖掘機、林業機械等動態性能研究，零部件和發動機載荷預測與尺寸確定，駕駛員視野研究，預測挖掘機所需要的功率，工作效率研究，可靠性分析等。圖1為液壓挖掘機虛擬樣機，圖2為履帶虛擬樣機正在進行性能測試。
2 基於并行設計的虛擬樣機研究平台
工程機械產品傳統的設計過程如圖3所示。傳統設計過程難以發現現有方案中存在的不足，產品有潛在的質量問題；物理樣機設計、製造和測試周期長，消耗大，方案不易改動；難以找到最優方案，造成產品材料的浪費；難以預測產品壽命，產品可靠性不高。
針對產品傳統設計過程的弊端，根據并行設計思想，利用現有虛擬樣機技術的構成技術和產品，可構建工程機械產品開發的虛擬樣機研究平台，如圖4所示。
按照圖4所示的設計體系，產品的設計流程包含結構設計、結構有限元分析、系統運動學與動力學分析、控制系統設計、虛擬樣機作業過程模擬、系統穩定性與安全性評價、系統故障預測及冗餘設計等。該設計過程在設計初期就充分考慮結構系統與控制系統的相互耦合作用，並進行產品作業全過程的計算機模擬，預測產品的性能、壽命及可靠性，從而縮短了開發周期，降低產品開發成本和開發風險。
運用目前市場上一批成熟的CAD、CAE商業軟體，可實現如圖4所示工程領域虛擬樣機研究平台。在產品結構三維CAD設計方面有 Pro/Engineer、UG、SolidWorks、SolidEdge等。結構分析軟體有ANSYS、PATRAN、NASTRAN、MARC等。運動學和動力學模擬軟體可採用ADAMS軟體<
