虚拟现实及增强现实技术在工业设计中的应用
虚拟现实技术(VRT)是面向21世纪的先进技术。它产生于20世纪80年代，以计算机仿真技术为前提，综合了在各个领域诞生的各项新技术，包括计算机、图像生成与显示、立体影像(全息照像)、立体声响、传感器、测试控制、通信、多媒体、科学视算、人工智能等软硬件工程技术。虚拟技术的应用领域非常广泛，涉及制造、建筑、医疗、环保、管理、和教学等方面。由于国内外汽车业市场竞争加剧，缩短汽车开发周期，降低开发成本成为决定汽车业竞争力的首要因素。世界各发达工业化国家都竞相把的制造技术应用于汽车制造业，以提高本国在国际汽车市场的竞争力。基于计算机和信息技术的虚拟技术被认为是加速汽车新产品开发的有效手段，即以最快的上市速度、的质量、的成本、的服务来提高汽车业的竞争力。虚拟现实技术在美国、德国、日本等工业国家都已得到不同程度的应用，尤其是在汽车领域，应用更广泛。在这一领域，美国处于国际研究的前沿，GM公司、Ford公司、戴一克公司、MCI公司和CEI汽车零部件都是应用虚拟技术的典型。
1虚拟设计技术在汽车工业中的应用传统汽车产品的研制，都要先制造出几台样车，进行性能试验，然后，根据试验结果进行改进，周期长、耗资大。而采用虚拟样机的概念，可以在计算机上进行设计、性能测试与检验。采用虚拟设计技术，可以在计算机中实现整车零部件的概念设计、造型设计、总布置设计和结构设计等，同时对其性能如刚度、强度、固有频率、动态响应及疲劳使用寿命和噪声等进行模拟分析，以便在设计阶段就发现问题并尽可能解决问题，从而提高一次成功率。虚拟设计技术的基础是三维CAD／CAE技术，通过建立可视化程度很高的三维数字化主模型，当需要各种绘图数据时，可以快速、方便地从三维模型中提取。由于零部件的虚拟设计是三维实体设计，而且可以赋予各种真实的材质，因而可以直接从计算机中获得零部件的体积、质量、质心位置、截面积、截面惯性矩、截面抗弯、抗扭模量等各种参数信息，为设计人员决策和管理人员核定成本提供方便，从而实现产品整体性能在实际制造前的优化设计。应用虚拟设计技术可以快捷地建立产品的模型族，迅速实现产品的变型设计和系列化设计。采用虚拟设计，可以明显地缩短汽车研发周期，降低开发成本，提高设计质量。汽车产品的创造过程所面临的挑战在于新车型的开发，的车型，是那种以最短的时间、的成本、的质量得以实施的，这些都可以通过虚拟设计来实现。20世纪90年代车辆的研发时间是48—60个月，采用了虚拟设计技术后已经缩短到24～36个月，甚至18个月。
2虚拟装配技术在汽车工业中的应用
利用虚拟样机技术，在产品开发阶段就进行装配评价，从而在设计阶段就可从整个产品的装配角度考虑产品的可制造性，而不是从单个零件的角度进行考虑，避免了设计上的失误，为以后的生产定型提供了方便并节省了时间。采用二维图纸进行线性设计和平面设计，无法预先发现设计造成的装配干扰(装配干涉或不到位)等问题，其结果往往要等到所有零件加工制造好后实际装配时才发现。一旦发现装配干扰问题，往往只有不惜代价重新设计或修改，再进行零件的加工制造和装配，反复多次才能成功，造成时间和资金的很大浪费。通过使用装配过程模拟软件，应用虚拟装配技术(VAT)，设计人员在产品原型实际加工之前就可以全方位地检查零部件之间的装配间隙和干涉，也可通过程序自动检查装配状态。福特汽车公司已经将虚拟装配技术应用到新车型的开发之中。他们将车辆的零部件在CAD系统中建模，然后将模型文件传输到虚拟环境中，系统的硬件设备采用SGI图形工作站、大屏幕显示器、数据手套和头盔等。通过头盔的定位装置跟踪用户头部运动位置，从而改变显示器中的虚拟场景，浏览货架上的零件；通过数据手套检测手的各种动作，实现对虚拟场景中零件的抓取、移动、装配等动作，从而可充分发挥人的主动性、创造性，实现产品装配的过程。
3虚拟试验技术在汽车工业中的应用
采用虚拟实验技术可以在建立了汽车整车或分系统的CAD模型之后，在计算机上模拟真实的实验环境、实验条件、实验负荷进行虚拟仿真实验。通过虚拟实验，可以在汽车实际产品加工以前，预测它的安全性、可靠性、动力性、气动性、经济性及舒适性等各种性能，同时对不满意的地方进行改进设计，与传统试验相比，具有周期短、成本低、安全性好、灵活性强等特点。虚拟试验除了可以模拟汽车整车的动力性、经济性等常规性能外，还可以进行虚拟人机工程学评价、虚拟风洞试验、虚拟碰撞试验等。
(1)人机工程学评价车身布置必须满足人体
工程学的设计要求，从乘员的舒适性出发，利用人体工程学的研究成果确定乘员所必须的空间，并保证驾驶员的操作方便性、准确性、视野和乘坐的方便性、安全性等。虚拟产品开发技术比传统的CAD技术能更好地适应这种要求，将上述各种条件集成在设计过程中，可减少用于验证设计概念所需的模型个数。如可用一个虚拟的座位，把虚拟现实技术与物理模型联接在一起，通过考察驾驶室内部空间的主观感知检查内部空间设计是否使用户感到舒适，
同时还可以检查汽车内部仪器的定位及其可操作性来验证内部空间设计是否符合人机工程学。
(2)虚拟风洞试验传统的风洞实验方法，是用实车的1／4模型放在风洞实验场实验，通过使用烟雾气使人们可以用肉眼直接观察到气体与车身的作用情况，因而大大提高了人们对车身动力性特性的了解。但是由于模型与实物大小的不同，所以实验结果和实际情况有一定误差，并且人无法近距离观察试验情况。虚拟风洞可以让用户看到模拟的空气流场，感到如同真的站在风洞里一样。虚拟风洞的目的是让设计师分析多旋涡的复杂三维性质和效果、空气循环区域、旋涡被破坏时的乱流等，而这些分析利用通常的数字仿真是很难实现可视化的。
系统可以将一个汽车的CAD模型数据调入到该虚拟风洞进行性能分析，分析空气流的模式可以通过数据手套将轨迹追踪物注入到空气流中，该追踪物将随气流漂移，并将其运动轨迹显示给用户。数据手套可将追踪物投向任意指定的位置，用户可以从任意视角观察。
(3)虚拟碰撞试验为了测试汽车的安全性能，发达国家传统的试验方法是手工打造25辆新车进行撞击试验，根据试验结果对原有设计做出修改。由于所有碰撞车辆均为手工打造，成本昂贵，所以通常进行汽车碰撞试验的次数较少，且不一定能找出影响安全性的所有因素。采用虚拟现实技术，可以把8 X 10 s时间内发生的碰撞，用三维图像准确地反映出来。采用这种系统，可以减少约一半的费用和时间。
(4)虚拟测试仪器虚拟实验技术在汽车工业中的另一个重要应用就是虚拟测试仪器(Ⅷ)。现代化汽车生产对测量仪器提出了更高的要求，包括仪器的品种、功能、性能、测试精度和速度、自动化程度、实时性人机界面等。随着虚拟技术的产生，20世纪80年代末也出现了虚拟仪器。1994年，全世界虚拟仪器制造商已达95家，共生产1 000多种虚拟仪器，销售额达2．93亿美元，占当年仪器销售73亿美元的4％。汽车虚拟测试仪器现已广泛应用于汽车振动分析、声学分析、故障诊断分析等方面。
4虚拟制造技术(VMT)在汽车工业中的应用虚拟制造包括热加工工艺模拟、取消、冲压过程仿真及生产过程仿真等，除了能为设计人员自身提供有关信息之外，还能为决策者提供影响产品性能、制造成本、生产周期的相关信息，以便正确地处理性能、成本、进度和生产周期之间的平衡关系。
4．1热加工工艺模拟
针对金属材料的成形特点和技术难度，对虚拟样机的成形过程进行数值模拟和物理模拟，对成形过程进行动态仿真，预测不同条件、环境下成形后的材料的组织、性能和质量，进而实现热成形件的质量与性能的优化，充分发挥材料的性能潜力，实现轻量化和一般材料化设计。
4．2切削、冲压加工过程仿真
通过在计算机中对汽车零部件的数值化主模型进行加工过程的仿真模拟，可以预先检查设计的合理性、可加工性和加工方法。对于可加工的产品，还可对产品的加工工序(如加工程序、走刀路线、切削参数、冲压参数、下料余量等)进行仿真优化设计；对于不可加工或加工性不好的模型，可以对模型进行修改再模拟。通过加工过程的模拟，还可以模拟塑料件制品的成形过程和预测成形缺陷。汽车上众多零部件采用了虚拟制造技术，如离合器壳体、汽车车身等的冲压成形过程的仿真、冷却风扇叶片的铣加工过程等，对保证加工质量，缩短加工周期、降低加工成本起到了十分重要的作用。
4．3生产过程仿真
通过对产品生产过程的模拟，可以事先检查产品生产线的布局是否合理，柔性化制造和敏捷化生产程度是否高，各种资源如人力资源、制造资源等配置是否，产品加工过程是否合理，人机环境是否协调等。这对提高企业的产品变型适应能力、缩短生产周期和降低成本也有重要的作用。
5结束语
虚拟现实技术为汽车制造业的发展提供了一种哲理、一种制造策略，它正渗入汽车工业的各个领域，如汽车的虚拟造型、虚拟设计、虚拟工艺制造、虚拟实验、虚拟装配等，它为汽车开发人员创造了更为自由的工作平台。虚拟现实技术的推广和应用将使汽车工业的思想概念、开发方式、部件供应、组织形式、市场竞争及人才培训等方面产生全方位的创新和变革。虚拟现实技术的采用不仅可以快速提升企业的竞争力，也为我国汽车工业提供了追赶发达国家的机会。