产品装配是产品开发过程中最重要的、耗费大量人力和物力的关键环节,是获得产品整体性能的最后环节,对产品的质量、开发周期和生产成本有重大影响。通用CAD系统根据零件间的约束关系将待装零件定位到最终装配位置,忽略了装配过程信息,无法模拟零件间的碰撞干涉并验证装配路径的可行性。利用虚拟现实技术,在虚拟样机上建立近乎真实的装配环境,操作者能够进行与实际一致的装配过程仿真,在此基础上验证零部件可装配性、装配空间布局合理性、装配操作可达性和操作者的舒适性等。利用虚拟装配环境在产品早期设计阶段对装配方案和产品可装配性进行评价,发现潜在的装配冲突和设计缺陷,促使设计人员尽早发现错误并修改,从而优化产品装配性能,提高产品质量,缩短开发周期,提高市场竞争力。本论文旨在建立一套完整的基于物理属性的虚拟装配仿真及可装配性评价方法,实现与实际高度一致的装配过程仿真及产品可装配性的量化评价,主要涉及到基于物理属性的虚拟装配系统体系结构、虚拟零部件建模、基于物理属性的装配过程仿真、虚拟装配引导、碰撞检测方法、人机因素分析和产品可装配性评价等相关理论及关键技术。全文内容概况如下：1.阐述了基于物理属性的虚拟装配的研究目标与研究思路,在此基础上,分析了基于物理属性的虚拟装配系统的功能需求,建立了基于物理属性的虚拟装配系统的体系结构,给出了系统的工作流程,对系统的层次结构和各阶段的研究内容进行了详细分析,将系统涉及到的关键技术划分为基础性关键技术和功能性关键技术,并对每一项关键技术进行了简要描述。2.通过对虚拟装配中零部件物理属性进行需求分析,建立了虚拟零部件的物理属性模型,详细描述了该模型的数据结构及在程序中的表达方法,给出了转动惯量和质心位置等基本物理属性的计算方法。在对多刚体系统动力学的研究内容和求解流程进行分析的基础上,建立了虚拟装配环境下多刚体系统的动力学方程和运动学方程。提出了基于自适应检测线的碰撞检测算法,解决了高速运动物体进行碰撞检测时的穿越问题,给出了检测线的构造方法和发生穿越后的处理方法,通过实例对方法的检测精度和运行效率进行了详细分析,结果显示该方法通过将“体体”求交问题转化为“线体”求交问题,在保证高精度的同时,提高了碰撞检测的效率。3.提出了基于力的装配引导方法,在外力及力矩的共同作用下,通过解算动力学方程和运动学方程,得到待装零部件的运动参数和位姿响应,实现了虚拟零部件的智能引导和精确定位。建立了用于动力学分析的牛顿-欧拉方程,给出了运动参数和位姿变换矩阵的求解方法。提出了考虑人机因素和不确定性的装配力和装配转矩的计算方法,利用蒙特卡洛方法对虚拟环境下零部件的目标位置进行估计,反映了运动引导的智能性和模糊性。给出了基于碰撞响应的接触力计算方法,避免了零部件发生碰撞后相互嵌入,保证了最基本的装配真实感。4.研究了粒子滤波技术的基本原理和实现方法,阐述了蒙特卡洛方法、重要性采样方法和重采样方法的基本思想和实现过程,给出了利用MH抽样的MCMC粒子滤波算法的原理和求解步骤。在此基础上,提出了基于粒子滤波的装配引导方法,解决了现有方法无法进行自动装配并反映真实装配过程的问题。给出了方法流程和详细的位姿变换步骤,讨论了采样粒子数和零件外形对方法性能和装配效率的影响,以及已装零件对装配效率的影响。5.提出了面向人机因素的产品可装配性量化评价方法,给出了装配过程中人机因素的量化计算方法,分析了人机因素对装配性能的影响。建立了基于物性装配仿真的零件可装配性评价指标体系,分析了结构因素对零件可装配性的影响。在此基础上,结合装配顺序和所有子装配体的可装配性,提出了产品可装配性量化评价方法。该方法基于装配过程的真实仿真,与传统的通过专家打分或装配经验进行模糊评判的方法相比,评价结果具有理论依据,更加准确可靠。6.基于上述方法和关键技术开发了基于物理属性的虚拟装配原型系统PVAS (Physics-based Virtual Assembly System),介绍了系统的运行和开发环境,建立了系统功能模型,并通过实例验证了原型系统和本文所述方法的正确性与有效性。