虚拟样机（Virtual Prototype）是指利用电子计算机建立起产品的数字化模型。将物理样机置于虚拟的开发环境中进行试验，并利用计算机技术对一个与物理样机具有功能相似性的系统或者子系统模型进行基于计算机的仿真，以模拟产品的实际结构及功能，从概念上讲，虚拟样机侧重于产品的数字化模型。

虚拟样机技术是指在产品开发过程中，将分散的零部件设计及分析技术融合成一起，在计算机上构造产品的整体模型，并对该产品在各种实际情况下的工作状态进行预测分析，从而预测产品的性能，其实质就是利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估。从而达到缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求能力的目的。从这个意义上讲，进行的有限元分析、多体动力学分析都是利用了虚拟样机技术。

虚拟样机技术源于对多体系统动力学研究，核心是机械系统动力学、运动学和相关的控制理论，它是随着成熟的三维计算机图形技术、基于图形的用户界面技术和相关成熟的市场而成熟起来的。首先，提供一个友好方便的界面以利于建立多体系统的力学模型，并在系统内部由多体系统力学模型得到动力学数学模型；其次，需要有一个优良的求解器对数学模型进行求解，求解器要求效率高、稳定性好，并具有广泛的适应性；最后还需要对求解结果提供丰富的显示查询手段。这其中的关键技术就是自动建模技术和求解器设计，自动建模就是由多体系统力学模型自动生成其动力学数学模型，求解器的设计则必须结合系统的建模，以特定的动力学算法对模型进行求解。

针对工业界产品设计的需要，各国开发了大量商业通用软件，并在实际工程设计中发挥了巨大作用。在运动学和动力学特性分析与仿真方面，有美国的MSC/ADAMS、比利时的LMS/DADS、德国的SIMPACK、韩国的RecurDyn等。支持多领域物理系统混合建模与仿真成为当今虚拟样机仿真软件的发展方向，如RecurDyn、MSC/ADAMS等软件已经在多学科仿真技术方面取得了比较成功的经验。其中，RecurDyn是最新发展的多学科集成软件，能够将有限元分析、多体计算、系统控制等多学科技术集成在一起，分析机构的运动学和动力学性能，并对机构进行优化。

机械系统动力学分析与仿真主要解决机械系统的运动学、正向动力学、逆向动力学、静平衡四种类型的分析与仿真问题。机械系统动力学分析与仿真要经历物理建模、数学建模、问题求解和后处理四个阶段。其中，数学建模和问题求解是分析与仿真中最为复杂的过程，但是在通用的动力学仿真软件中，这个过程可以由计算机自动进行，因此，通用动力学仿真软件大大推进了多体动力学在实际设计中的应用。

虚拟样机技术在发达国家，如美国、德国、日本等都已得到广泛应用，应用领域从汽车制造、工程机械、航空航天、造船、机械电子、国防、通用机械到人机工程学、生物力学、医学，以及工程咨询等方面。

美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）成功地实现了火星探测器“探路号”在火星上的软着陆，成为轰动一时的新闻。JPL工程师利用虚拟样机技术仿真研究宇宙飞船在不同阶段（进入大气层、减速和着陆）的工作过程。在探测器发射以前，JPL的工程师们运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很可能在着陆时翻滚。工程师们针对这个问题修改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星表面，保证了火星登陆计划的成功。

Caterpillar公司是世界上最大的拖拉机、装载机和工程机械制造商之一。由于制造一台大型设备的物理样机需要数月时间，并耗资数百万美元，所以，为了提高竞争力，必须大幅度削减产品的设计、制造成本。Caterpillar公司采用虚拟样机技术，从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使其产品成本降低，性能却更加优越。同样，作为生产工程机械的著名厂商JohnDeere公司，为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题，公司的工程师利用虚拟样机技术，不仅找到了原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机上得到了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。 OZGxL1s2w4mV1jloufAk4UouDoOHXfN/BZCWtYRd6gkNJn71dfzib4tJ8pwSkiy5