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1 前言
1.1 设计验证技术的发展
目前，CAD/CAE技术飞速发展，已经形成了相互渗透的状态。因此形成了一个新技术领域---设计验证技术，其中设计验证技术主要靠集成性的虚拟样机技术来实现。
虚拟样机（visual prototype，VP）是产品的多领域数字化模型的集合体，包含有真实产品的所有关键特征。基于虚拟样机的产品设计过程能够以低成本开发和展示产品的各种方案，评估用户的需求，提前对产品的用户满意度作检查，提高了产品设计的自由度；同时能够快速方便的将工程师的想法展示给用户，在产品开发的早期测试产品的功能；降低了出现重大设计错误的可能性；利用虚拟样机进行产品的全方面的测试和评估，可以避免重复建立物理样机，减少开发成本和时间。虚拟样机的三个组成要素为：仿真模型、CAD模型和虚拟环境模型。
对于仿真模型，涉及到不同学科之间的仿真，例如强度、刚度、热分析（稳态和瞬态）、疲劳强度、模态、动力学响应、屈曲、刚体运动学/动力学、CFD等等单学科CAE及耦合分析。目前的仿真分析对于分析专家来说，不同平台的CAE产品协同工作技术已经较为成熟，但是由于涉及到不同CAE厂家、不同的开发使用历史，不同CAE软件其界面和功能规划上不能统一和集成，因此其使用难度依然很大。
同时面向设计人员的集成性的设计验证平台也初见端倪，目前大多数CAD厂商已经或多或少的将虚拟样机技术集成于其CAD产品中，目前能完全将上述不同仿真领域集成在一个CAD平台上的软件平台最具有代表性的就是SolidWorks的COSMOS。
图1为SolidWorks和COSMOS的关系，在SolidWorks平台上提供了统一的仿真解决方案。从右图上可以看到不同的COSMOS产品具有相同的操作界面。
图1 SolidWorks和COSMOS完全集成
1.2 协同仿真分析的现状和瓶颈
传统意义上的仿真模型、CAD模型和虚拟环境模型之间是通过标准的文件交换技术进行集成，很难保证数据的统一性及执行效率。例如：对于一个复杂产品如果涉及到静强度、疲劳强度、运动学和动力学性能，结构-热耦合，结构-流场压力耦合等就必须依靠不同厂家、不同操作界面的CAD/FEA/CFD/MOTION等软件进行工作。因此基本上没有设计人员能够进入到如此高深的仿真领域进行工作，同时对于专业仿真人员来说因为要重复大量的不同软件操作的学习，也没有时间进行更有价值的仿真工作，这是目前通用协同仿真分析的瓶颈。
另外，对于目前的主流市场需求不仅是航空、航天、汽车等行业，而是普通的汽车配件、机械、消费品、电子产品等行业，普遍存在着企业规模不大，缺乏专业仿真人员。而市场又要求缩短产品研发周期，降低产品成本，提升产品质量，引入更多的创新产品。这些都需要能够提供给设计人员使用的不同领域的设计验证工具。例如小家电产品，不仅需要良好的外观设计，更需要在更小成本的条件下，满足电子散热，跌落性能，强度等要求。这些功能虽然可以请专业分析人员进行协同仿真分析，但是在效率和成本上很难推行。
针对现有协同仿真实施困难，价格昂贵，不能满足设计人员的要求。SolidWorks公司将SolidWorks和COSMOS完全集成起来，提供了全面的并适合设计人员使用的，统一化界面的协同仿真解决方案。
2 SolidWorks和COSMOS面向设计者的协同仿真分析
图2为COSMOS产品的协同仿真体系，并且这个仿真体系具有很强的扩充能力。
2.1 COSMOS产品及功能介绍
SolidWorks核心包包含了进行零件强度验证的COSMOSXpress模块(图3)，定性化的机构运动学动力学模拟功能模块(碰撞检查图4、物资动力图5、模拟图6)。同时这些简单的设计验证工具可以直接继承到COSMOS中进行高级的分析，原有的工作不会浪费。
图3 COSMOSXpress
2.2 COSMOS仿真产品：
机械设计验证工具COSMOSWorks，可以解决所有的强度和热分析；
刚体运动学和动力学验证工具COSMOSMotion，可以解决所有的机构运动问题；
计算流体力学验证工具COSMOSFloworks，可以解决所有的流体流动和热问题。
2.3 COSMOS协同仿真领域
COSMOSWorks可以完成结构和热的耦合分析(图7)；
COSMOSWorks在完成强度、模态、屈曲、热分析后可以直接进行多学科约束的优化分析；
图7 结构－热耦合分析 图8 优化分析
COSMOSWorks在进行完静强度分析后，直接进行疲劳强度验证(图9)。
图9 疲劳强度分析
COSMOSWorks可以直接读入COSMOSMotion动力学仿真过程中的惯性力，进行强度分析(图10)。
图10 输入运动载荷
COSMOSWorks可以直接读入COSMOSFloworks的流体力学计算结果，如压力，温度等等(图11)。
图11输入CFD计算结果
3 COSMOS协同仿真分析实例
对于机械设计人员来说希望能够完成产品的三维模型后就可以进行机构运动学和动力学分析，然后对于进行动力学分析的关键零部件进行静强度和疲劳强度的分析。最后还可以进行集成化的优化研究。下面将通过一个实例说明如何在统一的SOlidWorks+COSMOS的环境中进行集成的协同仿真分析。
对于上述典型仿真可以用以下流程图进行表述:
美国SeaBotix 公司为全球领先的遥控迷你潜水车开发的公司，其设计的迷你潜水车自从采用了COSMOS后设计效率提高了50%，并且最大限度避免了原型机的重复试验。图12所示的潜水车工作于1500米深的水下，可以一次夹取14磅的样品，但总重量少于25磅。其整个设计验证完全是设计工程师采用COSMOS完成。
图12基于COSMOS协同仿真设计的高性能迷你潜水车
整个潜水车由于工作条件恶劣，结构性能要求高，成本要求低。因此采用了全面的COSMOS设计验证手段和流程。
5 结论
面向设计者的协同仿真技术是目前协同仿真技术发展的一大方向，由于涉及到的学科众多，专业技术难度高，如何将现有的复杂的专业背景和操作封装、集成，是该技术实施成功的关键。
SolidWorks和COSMOS完全集成起来，提供了全面的并适合设计人员使用的，统一化界面的协同仿真解决方案。
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