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序論：在您撰寫虛擬樣機(jī)技術(shù)論文時，參考他人的優(yōu)秀作品可以開闊視野，小編為您整理的7篇范文，希望這些建議能夠激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，引導(dǎo)您走向新的創(chuàng)作高度。
Abstract： Through the statistical analysis on four aspects of papers' published year， involving fields， research agencies and the first author which is related to study virtual prototype technology application included in Chinese sci-tech periodical database of VIP， this paper summarized the research condition of application of virtual prototype technology in nearly 10 years， and found that the research institutions of application of virtual prototype technology focus on colleges and universities， and suggested enterprise should apply virtual prototype technology actively to improve their market competitiveness.
關(guān)鍵詞： 虛擬樣機(jī)技術(shù)；論文統(tǒng)計；計量分析
Key words： virtual prototyping technology；paper statistics；quantitative analysis
中圖分類號：C53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）09-0312-02
0 引言
虛擬樣機(jī)技術(shù)是上世紀(jì)80年代隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)計算機(jī)輔助工程技術(shù)。設(shè)計人員在計算機(jī)上建立能夠反映產(chǎn)品特性的樣機(jī)模型，用樣機(jī)模型代替物理樣機(jī)在各種工況下進(jìn)行仿真試驗(yàn)和分析，測試和評估產(chǎn)品的整體性能，進(jìn)而不斷改進(jìn)和優(yōu)化樣機(jī)模型的設(shè)計，直至獲得最優(yōu)設(shè)計方案后，再制造物理樣機(jī)[1]。虛擬樣機(jī)技術(shù)改變了傳統(tǒng)的產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計思想，極大地降低了產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計的技術(shù)風(fēng)險和開發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期，提高了產(chǎn)品性能，加速了新技術(shù)向產(chǎn)品轉(zhuǎn)化的開發(fā)、研制與使用過程。進(jìn)入21世紀(jì)以來，虛擬樣機(jī)技術(shù)及其應(yīng)用在發(fā)達(dá)國家已經(jīng)獲得重大進(jìn)展，被廣泛地應(yīng)用于各個不同領(lǐng)域。世界眾多著名的制造公司在生產(chǎn)開發(fā)過程中都廣泛采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，設(shè)計、裝機(jī)、測試都在計算機(jī)中模擬完成，保證了產(chǎn)品一次試制成功[2]。虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，使企業(yè)能夠以最低的成本快速推出產(chǎn)品，迅速搶占國際市場，提高了企業(yè)的市場競爭力，為企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。
本文依托“維普中文科技期刊數(shù)據(jù)庫”這一平臺，通過對2003～2012年10年期間與虛擬樣機(jī)技術(shù)相關(guān)的期刊論文的檢索，采用論文計量學(xué)方法，對虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究論文進(jìn)行統(tǒng)計分析，概括和總結(jié)我國虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究狀況，以期為虛擬樣機(jī)技術(shù)今后在我國更廣泛地推廣應(yīng)用提供參考。
1 數(shù)據(jù)來源及分析方法
本文以維普中文科技期刊數(shù)據(jù)庫收錄的期刊論文為統(tǒng)計分析源，以2003～2012年為時間條件，以“全部期刊”為期刊范圍，以“虛擬樣機(jī)”為題名或關(guān)鍵詞進(jìn)行全部專業(yè)論文的檢索，經(jīng)過整理匯總，刪除重復(fù)論文后共計2508篇。通過EXCEL將整理后的論文數(shù)據(jù)套錄成數(shù)據(jù)庫，采用論文計量學(xué)方法對論文的發(fā)表年份、涉及領(lǐng)域、研究機(jī)構(gòu)以及第一作者等四個方面進(jìn)行統(tǒng)計分析，概括和總結(jié)近10年來我國虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究狀況[3]。
2 統(tǒng)計分析結(jié)果
2.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究論文年份統(tǒng)計分析 從圖1和表1可以看出我國虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究論文數(shù)量的增長態(tài)勢。2003年至2009年期間，論文數(shù)量逐年增加，2004年和2005年，論文數(shù)量增加的幅度最大，之后增加幅度在逐年減小，2009年論文數(shù)量達(dá)到頂峰。這表明，2003年至2009年，我國虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究發(fā)展得比較快，并取得了大量的研究成果。但是，從2010年開始，論文數(shù)量較大幅度減少，特別是2012年，論文數(shù)量減少到152篇。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因有可能是近三年對虛擬樣機(jī)技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用研究力度減小，也有可能是相關(guān)研究論文的產(chǎn)出以及中國學(xué)術(shù)期刊庫的收錄有一定時滯性[4]。
2.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究涉及領(lǐng)域統(tǒng)計分析 筆者對研究主題涉及到我國航空航天、國防軍工、汽車與發(fā)動機(jī)、工程機(jī)械、礦產(chǎn)機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、機(jī)器人與機(jī)械手、教育等領(lǐng)域的論文數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計，結(jié)果顯示，我國虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究涉及各個領(lǐng)域，部分論文同時涉及多個領(lǐng)域，論文涉及領(lǐng)域分布情況見圖2。論文產(chǎn)出居前三位的領(lǐng)域是汽車、工程機(jī)械、機(jī)器人，這表明，隨著汽車、工程機(jī)械、機(jī)器人領(lǐng)域近十年來的迅猛發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究在這些領(lǐng)域中也取得了不斐的成果。
2.3 虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究機(jī)構(gòu)統(tǒng)計分析 在2508篇論文中，沒有署名作者單位的共有23篇。筆者將論文作者的工作單位分為本科院校、科研院所、企業(yè)和大專院校四類研究機(jī)構(gòu)，統(tǒng)計結(jié)果見表2。發(fā)文數(shù)量最多的機(jī)構(gòu)是本科院校，為2145篇，科研院所、企業(yè)和大專院校發(fā)文數(shù)量分別為419篇、368篇、117篇，其中科研院所、企業(yè)、大專院校與本科院校作者合著的論文數(shù)量分別為280篇、244篇、46篇，本科院校的發(fā)文數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他機(jī)構(gòu)。這充分顯示，本科院校是虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究的主要機(jī)構(gòu)。
2.4 虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究論文作者統(tǒng)計分析 根據(jù)論文第一作者發(fā)文數(shù)量的統(tǒng)計結(jié)果可知，無作者數(shù)據(jù)的論文10篇，大部分作者1至2篇，發(fā)文數(shù)量排列前10位的作者見表3，其中，七位是本科院校的教授或講師，二位是博士研究生，只有一位是科研院所的高級工程師，由此可見，本科院校的教授和教師是虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究的中堅(jiān)力量。
3 結(jié)論與建議
從“中國學(xué)術(shù)期刊網(wǎng)絡(luò)出版總庫”檢索及分析結(jié)果可以看出，2003～2012年10年期間，我國虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究發(fā)展迅速，至2009年達(dá)到頂峰，近年又逐漸回落；應(yīng)用研究涉及領(lǐng)域極為廣泛，研究成果比較多的是汽車、工程機(jī)械、機(jī)器人領(lǐng)域；應(yīng)用研究的主要機(jī)構(gòu)是本科院校，應(yīng)用研究的主要群體是本科院校的學(xué)者和教師。本文的檢索分析結(jié)果不一定能夠全面反映我國虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用研究狀況，但從一個側(cè)面反映了我國虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究機(jī)構(gòu)和群體比較單一。
虛擬樣機(jī)技術(shù)問世之后，得到許多發(fā)達(dá)國家制造商的高度重視，立即將這一先進(jìn)制造技術(shù)引入企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)中，取得了很好的經(jīng)濟(jì)效益。我國是一個制造大國，虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究，不應(yīng)僅在本科院校，不應(yīng)僅有本科院校的學(xué)者和教師，更應(yīng)廣泛推廣到企業(yè)和科研院所，讓廣大企業(yè)和科研院所的技術(shù)人員參與研究和應(yīng)用。
面對日益激烈的市場競爭，我國企業(yè)應(yīng)積極主動充分利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，減小產(chǎn)品的技術(shù)風(fēng)險，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低產(chǎn)品研發(fā)的成本，提高產(chǎn)品的性能，從而增強(qiáng)企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)能力，提高我國企業(yè)在世界制造業(yè)中的地位和市場競爭力。此外，虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究專家也應(yīng)加強(qiáng)向企業(yè)推廣虛擬樣機(jī)技術(shù)，推動這一先進(jìn)制造技術(shù)在我國企業(yè)和科研院所的普及和應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
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[2]熊光楞，李伯虎，柴旭東.虛擬樣機(jī)技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2001，（1）：114-117.
（①中國75240部隊(duì)，潮州 521000；②中國65370部隊(duì)，長春 130000；
③中國93593部隊(duì)，三河 065200）
（①Unit 75240 of PLA，Chaozhou 521000，China；②Unit 65370 of PLA，Changchun 130000，China；
③Unit 93593 of PLA，Sanhe 065200，China）
摘要： 為有效解決虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)通用、共享和跨平臺重用的問題，借鑒IETM的S1000D標(biāo)準(zhǔn)以數(shù)據(jù)模塊方式組織數(shù)據(jù)這一思想，構(gòu)建了基于IETM虛擬維修數(shù)據(jù)模型。經(jīng)應(yīng)用證明，基于IETM的虛擬維修數(shù)據(jù)模型有利于系統(tǒng)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化和技術(shù)文檔。
Abstract： To provide effective support for currency, communion and transplantation of Virtual Maintenance Training System, the Virtual Maintenance Data Model was designed based on Interactive Electronic Technology Manual. According to the data module of S1000D, the data model was built. The application showed that the model was useful for data standardization and technology document publishing of the Virtual Maintenance Training System.
關(guān)鍵詞 ： 虛擬維修數(shù)據(jù)模型；交互式電子技術(shù)手冊；維修過程
Key words： Virtual Maintenance Data Model；Interactive Electronic Technology Manual；maintenance process
中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）34-0230-02
作者簡介：石永亮（1986-），男，陜西寶雞人，助理工程師，主要研究方向?yàn)檠b備虛擬維修。
0 引言
虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)與交互式電子技術(shù)手冊（Interactive Electronic Technology Manual, IETM）在裝備知識與維修素材等數(shù)據(jù)方面基本一致。
本文主要研究如何借鑒IETM的S1000D標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計虛擬維修數(shù)據(jù)模型（Virtual Maintenance Data Model, VMDM），解決虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)中數(shù)據(jù)重用和共享問題。
1 IETM簡介
IETM的概念最先是由美軍提出來的，其定義是從事武器裝備系統(tǒng)的故障診斷和維護(hù)保障工作所需要的一組信息包，其中的信息內(nèi)容和格式均以最優(yōu)方式進(jìn)行了組織和編排，以便于最終用戶通過數(shù)字屏幕以交互方式使用。當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)屬美軍標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-87269和歐洲標(biāo)準(zhǔn)ASD S1000D。
2 基于IETM的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)
S1000D作為IETM在裝備全生命周期保障方面的重要標(biāo)準(zhǔn)，在其標(biāo)準(zhǔn)下制作的交互式電子技術(shù)手冊可以存儲大量的裝備保障數(shù)據(jù)，不僅包括文本、圖標(biāo)、圖片信息，還包括視頻、音頻等多媒體信息，以及和用戶進(jìn)行交互的信息。因此借鑒IETM相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)S1000D設(shè)計VMDM層次結(jié)構(gòu)如圖1所示。訓(xùn)練數(shù)據(jù)包括了虛擬維修訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)、虛擬樣機(jī)數(shù)據(jù)和工具設(shè)備數(shù)據(jù)。
2.1 維修過程VMDM 過程VMDM設(shè)計如圖2所示，數(shù)據(jù)標(biāo)記的具體含義以及其所包含內(nèi)容的定義如下。
2.1.1 procedural元素 procedural元素是描述整個虛擬維修訓(xùn)練過程的根元素，由若干個嵌套的子元素和相應(yīng)的屬性構(gòu)成，具有的屬性包括維修過程起始步驟編號startId、用來判斷維修過程是否結(jié)束的步驟編號endId、進(jìn)行本次維修訓(xùn)練的維修操作人員姓名的operatorName以及維修人員編號operatorId，同時描述人員所應(yīng)該具有的維修水平、技能skillLevel。
2.1.2 step元素 step是具體維修訓(xùn)練步驟元素，是可以重復(fù)、并列的元素，它有四個屬性值：partStateType屬性表示樣機(jī)對象子單元的運(yùn)動屬性，主要包括平移運(yùn)動、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動和復(fù)合運(yùn)動三種；stepId表示維修過程中的當(dāng)前維修步驟編號；name表示當(dāng)前維修操作的名稱；partname表示本次維修操作的樣機(jī)對象單元名稱，該名稱與虛擬維修樣機(jī)模型中對該部件的命名一致。
2.2 工具/設(shè)備VMDM 工具/設(shè)備模型設(shè)計如3所示，數(shù)據(jù)標(biāo)記的具體含義以及其所包含內(nèi)容的定義如下。
2.2.1 tool_Equipments tool_Equipments元素是工具/設(shè)備數(shù)據(jù)模型的根元素。
2.2.2 toolList toolList元素用來描述工具/設(shè)備，是可以重復(fù)的、并列出現(xiàn)的非空元素，具有三個屬性值和一個元素：toolpackageName描述專用工具包的名稱；toolname屬性值為工具設(shè)備的名稱；toolId屬性值為工具/設(shè)備型號編碼；pic元素描述設(shè)備工具的名稱、型號、在工具欄中的布局以及二維圖標(biāo)文件的存儲路徑等。
2.3 虛擬樣機(jī)VMDM 虛擬樣機(jī)，根據(jù)運(yùn)動方式，分為平移運(yùn)動樣機(jī)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動樣機(jī)和復(fù)合運(yùn)動（旋轉(zhuǎn)＋平移）樣機(jī)。本文以復(fù)合運(yùn)動樣機(jī)為例，進(jìn)行介紹。
復(fù)合運(yùn)動樣機(jī)單元VMDM設(shè)計如圖4所示。
transRotate元素是描述復(fù)合運(yùn)動樣機(jī)單元對象信息的根元素，由若干嵌套的Parts子元素構(gòu)成。Parts元素是可重復(fù)、并列出現(xiàn)的非空元素，具有以下屬性：①ID屬性。②PartID屬性。③partname屬性，為相對應(yīng)樣機(jī)單元漢語名稱。相關(guān)子元素有endXposition元素、endYposition元素、endZposition元素、attributeToObject以及attachToObject描述的內(nèi)容與平移樣機(jī)信息單元模型中所提及元素的內(nèi)容相同、類型相同。AxisRotate元素、rotateDegree元素，與旋轉(zhuǎn)類平移樣機(jī)信息單元模型中所提及的內(nèi)容相同、類型相同。transScale元素描述虛擬維修樣機(jī)單元在復(fù)合運(yùn)動過程中平移段的步長。rotateScale元素描述在復(fù)合運(yùn)動過程中的旋轉(zhuǎn)平移段的步長。length元素描述典型對象單元如螺釘?shù)拈L度，proportion元素描述旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與位移的比例關(guān)系。
3 應(yīng)用驗(yàn)證
某型復(fù)雜裝備虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)，基于上述方法建立VMDM，如圖5所示，編輯完成的系統(tǒng)能夠進(jìn)行，使得系統(tǒng)的推廣使用變得更為方便。
4 結(jié)束語
本文參考IETM的S1000D標(biāo)準(zhǔn)對于內(nèi)容數(shù)據(jù)模型的組織方法，設(shè)計了基于IETM的虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架以及虛擬維修數(shù)據(jù)模型，并利用XML Schema設(shè)計了虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，包括維修訓(xùn)練過程數(shù)據(jù)模型、工具/設(shè)備數(shù)據(jù)模型、以及樣機(jī)對象單元數(shù)據(jù)模型，并分析了模型中各個元素及屬性的具體描述含義，最后進(jìn)行了應(yīng)用驗(yàn)證。
參考文獻(xiàn)：
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論文關(guān)鍵詞：汽車設(shè)計，教學(xué)改革，探索
1 引言
《汽車設(shè)計》是車輛(汽車)工程專業(yè)或方向的一門專業(yè)核心課程，也是一門實(shí)踐性非常強(qiáng)的課程。該課程任務(wù)是使學(xué)生學(xué)會分析和評價汽車及其各總成的結(jié)構(gòu)和性能，合理選擇結(jié)構(gòu)方案及有關(guān)參數(shù)，并學(xué)到一些汽車主要零部件的設(shè)計和計算方法和總體設(shè)計的一般方法，為從事汽車技術(shù)工作打下良好的基礎(chǔ)。然而《汽車設(shè)計》課程因?yàn)樯婕皟?nèi)容廣泛、概念眾多、公式量大，因此采用傳統(tǒng)的教學(xué)模式已經(jīng)不能適應(yīng)社會需求的發(fā)展[1]。目前我校汽車設(shè)計課程在教學(xué)中存在教學(xué)過于理論化，學(xué)生對于其理論知識的學(xué)習(xí)深度不夠，知識難以接受理解。實(shí)踐教學(xué)相對理論教學(xué)滯后，因此有必要對課程教學(xué)方法進(jìn)行改革。
2教學(xué)方法改革
2.1多媒體演示教學(xué)
將多媒體教學(xué)課件引入到汽車設(shè)計理論教學(xué)中，具有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：①圖文并茂；它既能通過圖形的講解去理解結(jié)構(gòu)的設(shè)計原理，又能通過文字對內(nèi)容的歸納進(jìn)行理論教學(xué)[2]。②信息量大、滿足教學(xué)要求；枯燥的理論教學(xué)激發(fā)不了學(xué)生對課程內(nèi)容的興趣，通過課件可以引入很多實(shí)際設(shè)計中的知識從而增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)激情。③三維動畫能清楚反映總成部件的相互運(yùn)動情況，從而更好地加深學(xué)生對知識的理解。如手動變速器的設(shè)計教育論文，由于涉及眾多齒輪的設(shè)計公式，教師很難講授清楚，學(xué)生理解起來也很吃力。通過計算機(jī)課件，把變速器的設(shè)計過程通過動畫直觀展示，使學(xué)生形成清晰的感官認(rèn)識，對正確理解和掌握知識點(diǎn)發(fā)揮了很大的作用，不僅順利完成了難點(diǎn)教學(xué)，也使學(xué)生體驗(yàn)到科學(xué)的奧妙和技術(shù)的強(qiáng)大動力。④通過課件的聲、圖、文字、動畫有機(jī)的融合，能激發(fā)學(xué)生的興趣，使學(xué)生能夠集中注意力進(jìn)行聽課，從而提高課堂教學(xué)質(zhì)量的效果。
2.2 CAD/ CAE/ VPT等先進(jìn)設(shè)計方法引入汽車設(shè)計教學(xué)中
隨著計算機(jī)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,幾何模型的設(shè)計從二維轉(zhuǎn)向三維。在實(shí)現(xiàn)CAD/ CAE/ CAM 一體化的過程中,產(chǎn)品的設(shè)計、制造、檢測全部實(shí)現(xiàn)無紙化,因此在汽車設(shè)計的教學(xué)中要與時俱進(jìn)，將現(xiàn)代的設(shè)計手段、設(shè)計方法引入到汽車設(shè)計教學(xué)中[3-4]。
在汽車設(shè)計的教學(xué)中，對于傳統(tǒng)部件的設(shè)計，可以采用CAD的設(shè)計方法進(jìn)行教學(xué),教學(xué)的重點(diǎn)可以通過使用三維設(shè)計軟件進(jìn)行汽車總成部件的設(shè)計。如圖1所示，左圖為變速器設(shè)計中所用設(shè)計公式的計算小軟件，通過課程教學(xué)中的演示學(xué)生可以清楚地看出設(shè)計的步驟，根據(jù)計算后的結(jié)果引入CAD設(shè)計軟件，最終形成右圖所示的三維總成件，整個變速器的設(shè)計清楚可見，同時又通過先進(jìn)的設(shè)計方法使學(xué)生掌握了現(xiàn)代汽車設(shè)計的相關(guān)方法論文格式范文。目前,機(jī)械CAD軟件可以實(shí)現(xiàn)從概念設(shè)計、三維零部件建模到裝配分析等各功能的設(shè)計。
圖1 變速器設(shè)計實(shí)例
CAE設(shè)計方法的引入是汽車設(shè)計教學(xué)中又一個形象的方法。目前汽車制造企業(yè)在樣機(jī)的制作、實(shí)驗(yàn)和性能評價過程中會充分利用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行分析和仿真,這樣無疑可以減少樣機(jī)或試制品的制作次數(shù)。在三維模型組裝完畢后,可將模型轉(zhuǎn)化到仿真軟件上進(jìn)行動態(tài)仿真,模擬真實(shí)環(huán)境進(jìn)行三維動態(tài)和碰撞等的分析,可以發(fā)現(xiàn)部件運(yùn)動以后的問題,還可將關(guān)鍵部件或部位放在有限元分析軟件中,對其在各種工況下的受力和變形進(jìn)行分析,及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計的薄弱環(huán)節(jié),避免設(shè)計缺陷。CAE設(shè)計方法引入汽車設(shè)計課程教學(xué)中,不僅可以提高學(xué)生對課本理論知識的理解，更可以使企業(yè)實(shí)際需求與學(xué)生學(xué)習(xí)相結(jié)合，從而引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行更加有針對性的學(xué)生。如圖2所示，為轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計的CAE受力分析結(jié)果圖，通過改組圖片對比學(xué)生可以容易明白轉(zhuǎn)向節(jié)在設(shè)計時應(yīng)該考慮到三種特殊工況情況下的受力分析。
（a）車輪越過不平路面工況(b)緊急制動工況(c)側(cè)滑工況
圖2轉(zhuǎn)向節(jié)設(shè)計實(shí)例
虛擬樣機(jī)技術(shù)(VPT)就是在建筑第一臺物理樣機(jī)之前，設(shè)計師利用計算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化模型，進(jìn)行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實(shí)工程條件下的各種特性，從而修改并得到最優(yōu)化設(shè)計方案的技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)利用虛擬環(huán)境在可視化方面的優(yōu)勢以及可交互式探索虛擬物體的功能教育論文，對產(chǎn)品進(jìn)行幾何、功能、制造等許多方面交互的建模與分析。它在CAD模型的基礎(chǔ)上，把虛擬技術(shù)與仿真方法相結(jié)合，為產(chǎn)品的研發(fā)提供了一個全新的設(shè)計方法。圖3為引入VPT技術(shù)形成的車橋差速器仿真模型，通過該模型的運(yùn)動仿真可以清楚地分析出部件在運(yùn)動過程中的受力變化情況。
圖3VPT設(shè)計實(shí)例
只有這樣才能夠提高學(xué)生的動手能力，增加學(xué)生對汽車設(shè)計理論的直接了解，有利于老師和學(xué)生之間的互動水平。
2.3 項(xiàng)目教學(xué)法引入到汽車設(shè)計教學(xué)工作中
項(xiàng)目教學(xué)法是一種以項(xiàng)目為導(dǎo)向，將理論與實(shí)際相結(jié)合的先進(jìn)教學(xué)方法[5]。汽車設(shè)計課程因?yàn)樗婕皩?shí)際性較強(qiáng)，教師在教學(xué)中可以設(shè)立相關(guān)小的項(xiàng)目。項(xiàng)目教學(xué)法便于用在汽車某個總成或部件的設(shè)計項(xiàng)目上,如轉(zhuǎn)向器的設(shè)計、麥弗遜式獨(dú)立懸架的性能計算、離合器膜片彈簧的優(yōu)化設(shè)計等。通過項(xiàng)目教學(xué)進(jìn)一步鞏固學(xué)過的知識，強(qiáng)調(diào)學(xué)生的動手能力。
3．結(jié)束語
綜上所述，通過對汽車設(shè)計課程教學(xué)方法的改進(jìn)，按照新的教學(xué)改革思路，經(jīng)過這幾年的摸索，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，初步取得了較好的成績，學(xué)生對于汽車設(shè)計課程的教學(xué)測評已經(jīng)連續(xù)2年獲得優(yōu)秀等級，達(dá)到了課程的培養(yǎng)目標(biāo)。
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關(guān)鍵詞：破碎錘的組成；工作裝置傳統(tǒng)設(shè)計方法；CAX及軟件；多體動力學(xué)理論
一、 液壓破碎錘概述
. 液壓破碎錘及其組成
車載液壓破碎錘可以高效地完成碎石、拆除、公路修補(bǔ)、凍土挖掘、二次破碎等艱苦工作，歐洲和美國的各種車載破碎錘紛紛面世，如Atlas Copco、Rammer、Montabert、Indeco等。.80年代，韓國的破碎錘也繼日本之后有了長足的進(jìn)步，1986年韓國水山重工推出了液壓破碎錘，韓國相繼出現(xiàn)了很多品牌。
破碎錘的沖擊能量的來源還是由以下3種方式提供：第一種由液壓油提供，例如Rammer和Montabert；第二種由氣壓提供，例如日本的破碎錘；第三種也是效果最好的，由液壓、氣壓混合提供，一般液壓占25％、氣壓占75％，如Atlas Copco公司設(shè)計、生產(chǎn)的破碎錘。但所有的破碎錘活塞回到原位的力完全是由液壓提供。目前液壓破碎錘已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于公路再建、市政拆除、礦山、采石、隧道、水下作業(yè)等工程建設(shè)領(lǐng)域。
..本文所研究的液壓破碎錘是在單斗反鏟型液壓挖掘機(jī)上改裝的，將液壓挖掘機(jī)上的鏟斗改裝成液壓錘。因此總體結(jié)構(gòu)包括動力裝置、工作裝置、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、操縱機(jī)構(gòu)、傳動系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)和輔助設(shè)備等。常用的全回轉(zhuǎn)式液壓挖掘機(jī)的動力裝置、傳動系統(tǒng)的主要部分、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、輔助設(shè)備和駕駛室等都安裝在可回轉(zhuǎn)的平臺上，通常稱為上部轉(zhuǎn)臺。因此又可將液壓破碎錘概括成工作裝置、上部轉(zhuǎn)臺和行走機(jī)構(gòu)等三部分。.
二、工作裝置設(shè)計方法
1． 工作裝置傳統(tǒng)設(shè)計方法
我國工程機(jī)械發(fā)展與國外相比相對較晚、較慢，技術(shù)水平整體較低。工作裝置的傳統(tǒng)設(shè)計方法在設(shè)計歷史中起到了主要作用。對于工作裝置的設(shè)計方面國內(nèi)外研究的情況大致是：
(1) 圖解設(shè)計法；(2) 基于平移性的作圖法；(3)解析法；(4) 綜合圖解設(shè)計法；(5) 優(yōu)化設(shè)計方法，以上設(shè)計方法基本上遵循一般連桿機(jī)構(gòu)的位置綜合原則，側(cè)重考慮工作裝置的平移性。對它的工作裝置伸縮性與平移性，平移性與自動放平性，動力性與自動放平性之間的矛盾關(guān)系未能綜合分析，只是滿足單個性能的要求，無法達(dá)到全局最優(yōu)?？傊@些方法都是基于二維平面上進(jìn)行的。對于工作裝置干涉問題、運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)等問題不可能很好的解決，也不可能直觀的表現(xiàn)出來。
近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在工作裝置設(shè)計上出現(xiàn)了基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的工作裝置設(shè)計。例如吉林工業(yè)大學(xué)、大連理工大學(xué)和洛陽拖拉機(jī)廠等利用虛擬樣機(jī)技術(shù)不但研究了工作裝置的運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)特性，而且對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，但是它們不是對模型進(jìn)行了大量的簡化，就是只局限于對剛體情況下工作裝置虛擬樣機(jī)的研究。
本論文是在全面分析液壓破碎錘工作裝置的基礎(chǔ)上，建立工作裝置的虛擬樣機(jī)模型，在虛擬環(huán)境下模擬物理樣機(jī)的運(yùn)動狀況，快速分析各種設(shè)計方案，進(jìn)行輔助設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計，幫助設(shè)計人員完成以前需經(jīng)數(shù)次物理樣機(jī)才能完成的實(shí)驗(yàn)研究。
2． CAX技術(shù)及其軟件
由文獻(xiàn)可知，CAX技術(shù)是虛擬樣機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)平臺。一般意義的CAX技術(shù)主要指CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ等，限于篇幅，本文主要闡述CAD/CAE技術(shù)及其軟件。
目前，工程設(shè)計中常用的CAD軟件有二維和三維軟件之分。其中三維造型軟件比較知名的有Pro/ENGINEER，UG，Solid works，I-DEAS，CATIA，CIMATRON等。各個三維CAD軟件當(dāng)前的最新版本是Pro/ENGINEER wildfire2.0，UG NX4.0，Solid works 2006，I-DEAS NX V11，CATIA V5，CIMATRON E6.0等等。
本文將采用Pro/ENGINEER wildfire軟件完成液壓破碎錘工作裝置的建模與裝配，建立工作裝置的虛擬樣機(jī)并進(jìn)行不同作業(yè)工況下的動態(tài)模擬。
所謂CAE即Computer Aided Engineering（計算機(jī)輔助工程）是指工程設(shè)計中的分析計算與分析仿真，具體包括工程數(shù)值分析、結(jié)構(gòu)與過程優(yōu)化設(shè)計、強(qiáng)度與壽命評估、運(yùn)動及動力學(xué)仿真。工程數(shù)值分析用來分析確定產(chǎn)品的性能；結(jié)構(gòu)與過程優(yōu)化設(shè)計用來保證產(chǎn)品功能、工藝過程的基礎(chǔ)上，使產(chǎn)品、工藝過程的性能最優(yōu)；結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評估用來評估產(chǎn)品的精度設(shè)計是否可行，可靠性如何以及使用壽命為多少；運(yùn)動及動力學(xué)仿真用來對CAD建模完成的虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真和動力學(xué)仿真。從過程化、實(shí)用化技術(shù)發(fā)展的角度看，CAE的核心技術(shù)為有限元技術(shù)與虛擬樣機(jī)的運(yùn)動及動力學(xué)仿真技術(shù)。
目前工程實(shí)際中應(yīng)用較多的CAE軟件有ANSYS、MATLAB、ADAMS、ALGOR等。各個軟件的最新版本是ANSYS 8.0、MATLAB 8.5、ADAMS 2005、ALGOR V17等。
本文采用MSC.ADAMS軟件進(jìn)行液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機(jī)的仿真研究。
3． 多體動力學(xué)理論
多體系統(tǒng)動力學(xué)包括多剛體動力學(xué)和多柔體系統(tǒng)動力學(xué)，是研究多體系統(tǒng)（一般由若干柔性和剛性物體相互連接所組成）運(yùn)動規(guī)律的科學(xué)[17]。
多體系統(tǒng)動力學(xué)的核心問題是建模和求解問題，其系統(tǒng)研究開始于20世紀(jì)60年代。從60年代到80年代，側(cè)重于多剛體系統(tǒng)的研究，主要是研究多剛體系統(tǒng)的自動建模和數(shù)值求解；到了80年代中期，多剛體系統(tǒng)動力學(xué)的研究已經(jīng)取得一系列成果，尤其是建模理論趨于成熟，但更穩(wěn)定、更有效的數(shù)值求解方法仍然是研究的熱點(diǎn)；80年代之后，多體系統(tǒng)動力學(xué)的研究更偏重于多柔體系統(tǒng)動力學(xué)，這個領(lǐng)域也正式被稱為計算多體系統(tǒng)動力學(xué)，它至今仍然是力學(xué)研究中最有活力的分支之一，但已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過一般力學(xué)的涵義。多體系統(tǒng)動力學(xué)的根本目的是應(yīng)用計算機(jī)技術(shù)進(jìn)行復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)分析與仿真。
三、 液壓破碎錘工作裝置的研究體系
1． 液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機(jī)的構(gòu)建流程
本文液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機(jī)的建立主導(dǎo)思想是：根據(jù)液壓破碎錘工作裝置的試制圖紙，在Pro/ENGINEER中進(jìn)行三維實(shí)體建模，通過虛擬裝配，建立工作裝置的三維模型，然后添加適當(dāng)?shù)募s束以及驅(qū)動，使之成為一個虛擬機(jī)構(gòu)。其構(gòu)建流程如圖2-1所示。
圖2-1虛擬樣機(jī)的構(gòu)建流程
2． 液壓破碎錘工作裝置的研究體系
通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，基于以設(shè)計為中心的先進(jìn)制造技術(shù)理論，可以得到，液壓破碎錘工作裝置的虛擬樣機(jī)研究是一個龐大的系統(tǒng)工程。本文的研究內(nèi)容―液壓破碎錘工作裝置的虛擬樣機(jī)研究只是其中的一部分，只涉及到了工作裝置的運(yùn)動學(xué)分析、動力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)分析的前處理以及工作裝置虛擬裝配的部分內(nèi)容。
關(guān)鍵詞 虛擬樣機(jī)；技術(shù)；機(jī)械；產(chǎn)品；設(shè)計
中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2013）14-0065-01
為了使自身在市場上立于不敗之地，很多企業(yè)都對產(chǎn)品的模式進(jìn)行了更新，其目的是提高產(chǎn)品的效率及收益。隨著社會的發(fā)展和經(jīng)濟(jì)水平的提高，競爭也愈發(fā)激烈，除了要減少成本以外，還要提高產(chǎn)品的質(zhì)量和使用價值。
1 什么是虛擬樣機(jī)
所謂的虛擬樣機(jī)，指的是產(chǎn)品的多領(lǐng)域數(shù)字化模型的集合體，它包含了真實(shí)產(chǎn)品的所有特點(diǎn)。運(yùn)用這種技術(shù)，可以對機(jī)器的零件進(jìn)行模擬制造，從而在設(shè)計階段提高產(chǎn)品的使用性能和質(zhì)量。
用這種技術(shù)來對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計，對零件、結(jié)構(gòu)、裝配等部分進(jìn)行分析，使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計更加具有直觀性和可視性。
2 基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計與建模方法
2.1 利用CAD軟件建模仿真
在對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計的時候，必須要運(yùn)用一系列的軟件來對機(jī)械零件的設(shè)計尺寸進(jìn)行分析，并且對機(jī)械零件開始進(jìn)行一個一個的建模。這樣就可以得到一個三維的圖片，然后再對零件模型的表面、材質(zhì)、質(zhì)量、性能等進(jìn)行虛擬的設(shè)計，從而進(jìn)行仿真分析。
建模完成以后，再利用三維軟件，將需要調(diào)入的零件模型進(jìn)行裝配，裝配的時候要充分的利用平衡、垂直、重合等。裝配還必須按照順序來進(jìn)行，比如先裝配部件，然后再將部件模擬裝配成樣機(jī)。此外，可以通過運(yùn)動集成模塊來進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，這些模塊有很多的優(yōu)點(diǎn)，比如能夠矯正機(jī)械的運(yùn)行，能夠注意到機(jī)械的位置、運(yùn)行速度、性能是否正常。另外，這些模塊還能夠通過對尺寸的計算，優(yōu)化整個機(jī)械的性能。
2.2 對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析和仿真
在對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計的過程當(dāng)中，除了必須要考慮設(shè)計中的運(yùn)動以外，還要考慮所設(shè)計的零件是否有一定的承載能力，或者強(qiáng)度和性能是否符合要求。進(jìn)行了建模以后，因?yàn)檐浖幸粋€比較好的接口，因此可以采用這種軟件對機(jī)械的各個部分進(jìn)行強(qiáng)度分析，分析的時候還要計算有限元，這樣才能夠使設(shè)計更加的合理。另外還要分析設(shè)計要求是否符合機(jī)械的使用要求，如果得出的數(shù)據(jù)證明虛擬樣機(jī)的一部分不符合機(jī)械使用要求，那么，就只能重新進(jìn)行修改。同時，這也是一個系統(tǒng)而繁雜的過程。
2.3 對行星架進(jìn)行分析
行星架是機(jī)械的承載構(gòu)建，如果機(jī)械的行星架設(shè)計不合理，就會影響到整個機(jī)械的使用。同時，行星架也是非常復(fù)雜的一部分，很容易出現(xiàn)軸的強(qiáng)度過低，而計算應(yīng)力又會顯得比較復(fù)雜。首先要在軟件中創(chuàng)建幾何模型，其次要導(dǎo)入其中，導(dǎo)入之后可以添加材料信息了，然后要根據(jù)裝配體的情況，來設(shè)置接觸選項(xiàng)，最后再根據(jù)參數(shù)來設(shè)計網(wǎng)格，施加載荷，并且求出結(jié)果。
3 虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用
我國對機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計經(jīng)歷了很多個歷程，最先開始是二維技術(shù)，利用計算機(jī)來生成零件，或者是整機(jī)的二維圖形，然后是三維技術(shù)，最后才是現(xiàn)在的虛擬樣機(jī)技術(shù)。筆者總結(jié)了虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用，具體為以下幾點(diǎn)。
3.1 采用ADAMS軟件對運(yùn)動仿真進(jìn)行分析
這種方法比較準(zhǔn)確可靠，而且還可以使數(shù)據(jù)無縫連接，但是建模功能卻不好。我國很早就采用ADAMS軟件應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械當(dāng)中，最普遍的是用收割機(jī)、深耕機(jī)。同時，在不同機(jī)械系統(tǒng)工作的參數(shù)下，油菜物料在清選袋置中的運(yùn)動規(guī)律也不同。
3.2 ADAMS軟件和造型軟件的聯(lián)合仿真
這種方法是首先在軟件中建模，然后再把建的模導(dǎo)入ADAMS中，這種方法的建模功能非常的好，而且仿真功能也很強(qiáng)大，但是在導(dǎo)入模型的過程當(dāng)中，很容易丟失一些信息。20世紀(jì)90年代末，運(yùn)用這種技術(shù)設(shè)計了播種機(jī)，實(shí)現(xiàn)了自動化和科學(xué)化的播種。此外，這種技術(shù)還被運(yùn)用在馬鈴薯收獲機(jī)當(dāng)中。
3.3 ADAMS和控制系統(tǒng)分析軟件的聯(lián)合仿真
機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是現(xiàn)代機(jī)械的主要發(fā)展方向，兩者結(jié)合可以降低機(jī)械設(shè)計的復(fù)雜性，還能提高機(jī)械運(yùn)動的效率。幾年前，我國通過將ADAMS與控制系統(tǒng)的聯(lián)合，研制出了彈性軸軸承系統(tǒng)在徑向正弦載荷作用下的動力學(xué)特征。在農(nóng)業(yè)機(jī)械方面，還研制出了馬鈴薯聯(lián)合收獲機(jī)輸送臂，對輸送臂的整個運(yùn)行進(jìn)行了分析和研究，提高了其使用性能。
4 虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)
4.1 縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期
虛擬樣機(jī)技術(shù)在傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改善，從不同角度、不同使用需求出發(fā)，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期。此外，還提高了機(jī)械運(yùn)行的性能。
4.2 降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本
因?yàn)闄C(jī)械設(shè)計是一項(xiàng)復(fù)雜而系統(tǒng)的工作，需要耗費(fèi)大量的人力、物力、財力，而虛擬樣機(jī)技術(shù)雖然對計算機(jī)軟件、硬件的要求很高，卻降低了機(jī)械設(shè)計的總體成本。
4.3 提高了零件的設(shè)計效率
與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)只需要輸入一個基本模型，便可以導(dǎo)出精確的幾何，對于形狀大致相似的一系列零件，只需要稍微修改一下，就能夠生成新的零件，這樣就提高了零件的設(shè)計效率。
5 總結(jié)與體會
現(xiàn)在，虛擬樣機(jī)在機(jī)械設(shè)計中的運(yùn)用越來越廣泛，從過去的二維、三維發(fā)展到CAD建模，再到如今的虛擬樣機(jī)技術(shù)。不但提高了設(shè)計效率，還降低了設(shè)計成本，整個設(shè)計過程也大大的被簡化，使得機(jī)械產(chǎn)品本身的操作也變得簡單易懂。
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關(guān)鍵詞：Adams； 機(jī)構(gòu)學(xué)； 機(jī)械原理； 虛擬樣機(jī)
中圖分類號：G424.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B
0引言
虛擬樣機(jī)技術(shù)以其高效率和低成本，在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中得到越來越廣泛的應(yīng)用.通過對機(jī)械產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)建模和仿真分析，可以快速、準(zhǔn)確地獲取機(jī)械產(chǎn)品的性能，從而驗(yàn)證設(shè)計指標(biāo)并評價設(shè)計結(jié)果[1].作為目前世界領(lǐng)先的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件，Adams以其公認(rèn)的優(yōu)越性被越來越多的工程技術(shù)人員和科研人員所應(yīng)用，在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計和分析領(lǐng)域發(fā)揮重要作用.
筆者多年來一直探索如何使學(xué)生在課程學(xué)習(xí)中了解和掌握Adams這一先進(jìn)軟件.在“機(jī)械原理”課程[2]的教學(xué)中，已有一些教師進(jìn)行有益的探索——將Adams用于機(jī)構(gòu)分析[3-6]，獲得良好的效果.在“機(jī)械原理課程設(shè)計”課程中，有些教師也將Adams應(yīng)用其中——學(xué)生在設(shè)計機(jī)構(gòu)運(yùn)動方案時，應(yīng)用Adams對設(shè)計結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證[7-9].這些嘗試為“機(jī)械原理”課程注入新的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，加深學(xué)生對機(jī)構(gòu)學(xué)知識的理解.但總體來看，這些嘗試還停留在個別教師的教學(xué)改革試點(diǎn)層次，缺少Adams與課程內(nèi)容融合的整體規(guī)劃和實(shí)施方案.本文從本科生課程和研究生課程2個方面介紹北航在Adams教學(xué)中的一些嘗試.
1Adams在本科生教學(xué)中的應(yīng)用
機(jī)械原理課程的研究對象為機(jī)器和機(jī)構(gòu)，如何在課堂上將機(jī)器和機(jī)構(gòu)運(yùn)動起來，成為提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和扎實(shí)掌握相關(guān)理論的關(guān)鍵.傳統(tǒng)的教學(xué)方法只能依靠教師的講解，將靜止的機(jī)器和機(jī)構(gòu)“動”起來，不直觀；一些設(shè)計分析結(jié)果也無法實(shí)際展示和驗(yàn)證，在很大程度上影響學(xué)生對問題的理解和對知識的掌握；此外，雖然學(xué)生學(xué)習(xí)很多的經(jīng)典理論，但在工作不會應(yīng)用，導(dǎo)致理論與應(yīng)用脫節(jié).
為此，自2003年以來，北航機(jī)械原理教學(xué)團(tuán)隊(duì)以Adams為平臺，將虛擬樣機(jī)技術(shù)與課程的機(jī)構(gòu)以及機(jī)構(gòu)系統(tǒng)的分析與設(shè)計內(nèi)容有機(jī)結(jié)合，不僅使靜止的機(jī)構(gòu)圖形運(yùn)動起來，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)對問題的深刻理解，而且使學(xué)生初步掌握虛擬樣機(jī)這一先進(jìn)技術(shù)，為持續(xù)、快速地進(jìn)行機(jī)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計與分析奠定基礎(chǔ).在課堂教學(xué)過程中，以教師為主導(dǎo)，通過虛擬樣機(jī)的建立和仿真，對涉及的機(jī)構(gòu)學(xué)問題給予直觀、生動的詮釋.學(xué)生則利用課余時間，通過上機(jī)練習(xí)來熟悉和掌握虛擬樣機(jī)技術(shù).
1.1課堂教學(xué)
3結(jié)束語
探索和總結(jié)本科生的“機(jī)械原理”課程與Adams有機(jī)結(jié)合的內(nèi)容和實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)一步探討在研究生階段開設(shè)針對學(xué)習(xí)Adams的“產(chǎn)品設(shè)計與虛擬樣機(jī)”課程的教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法和教學(xué)成果等.在高校開展Adams的學(xué)習(xí)和應(yīng)用教學(xué)，雖然取得一定的成果，但總體來看，仍處于探索階段，希望通過同行的共同努力，在相關(guān)行業(yè)的支持下，不斷地深入和推廣下去.
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關(guān)鍵詞 虛擬樣機(jī) 建模 仿真
中圖分類號：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
On the Virtual Prototype Technology and its Modeling and Simulation
HUANG Di
（Huazhong University of Science and Technology Wenhua College， Wuhan， Hubei 430074）
Abstract Virtual prototyping technology to computer technology as the basis， a comprehensive multi-disciplinary technology to provide technical support for the design and evaluation of the product life cycle. Designers can achieve product design and product characterization in a virtual environment， so that it can respond quickly to market requirements， thus breaking the traditional design approach， shorten design time， saving design capital. This paper describes the machinery involved in modeling and simulation， control， and co-simulation areas， collaborative modeling and simulation methods needed for the final collaborative modeling from single to multiple disciplines and areas of the implementation process.
Key words virtual prototype； modeling； simulation
0 引言
由于現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)歷了串、并行開發(fā)，到基于虛擬樣機(jī)的開發(fā)過程。而開發(fā)過程中解決多領(lǐng)域協(xié)同設(shè)計的有效途徑就涉及到了虛擬樣機(jī)技術(shù)。它的設(shè)計開發(fā)涉及機(jī)械、可視化、協(xié)同仿真、數(shù)據(jù)庫等多個學(xué)科領(lǐng)域，它提供一種加快機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)程新的技術(shù)方法和支持環(huán)境。
1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的概述
1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的定義
虛擬樣機(jī)是在CAD/CAM/CAE和物理樣機(jī)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它包含有所有產(chǎn)品的關(guān)鍵特征。
它是以一定關(guān)系模擬一個動態(tài)系統(tǒng)，在一個或多個領(lǐng)域模型上，依賴不同子系統(tǒng)的集成，采用計算機(jī)輔助的方法，以達(dá)到認(rèn)識現(xiàn)實(shí)或輔助設(shè)計的目的。
1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢和局限性
在機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計中，若采用實(shí)物驗(yàn)證的方法的傳統(tǒng)機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計。首先是對產(chǎn)品進(jìn)行局部設(shè)計，加工出物理樣機(jī)，再進(jìn)行調(diào)試，再對其各種行為進(jìn)行評估。若不滿足使用要求則選擇返回修改設(shè)計，然后再加工出新的樣機(jī)，如此反復(fù)評估直至滿足所需要求為止。
虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用在機(jī)電產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計過程與傳統(tǒng)設(shè)計步驟相差不大，主要差別是虛擬樣機(jī)技術(shù)集合各個領(lǐng)域的理論和技術(shù)在計算機(jī)上直接進(jìn)行建模與仿真，它在產(chǎn)品設(shè)計階段，能夠?qū)Ξa(chǎn)品使用、制造、維護(hù)等行為進(jìn)行評估分析，優(yōu)化產(chǎn)品性能指標(biāo)，保證設(shè)計出來的產(chǎn)品能夠達(dá)到制造、使用和維護(hù)的要求，并且它的修改直接改變建模的數(shù)據(jù)即可。因此，虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢在于：縮短了研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)資本、實(shí)現(xiàn)資源共享。
但是，虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及的學(xué)科領(lǐng)域太廣，技術(shù)復(fù)雜，給設(shè)計者提出了很高的要求，而且，對于一些復(fù)雜的問題的計算上無法得到精確的解，只能是盡量的將誤差控制在允許的范圍內(nèi)，所以技術(shù)本身的不成熟和不完善也在一定程度上制約了它的發(fā)展。而且在對產(chǎn)品進(jìn)行建模時，很難建立理想的、完整的模型，因此虛擬樣機(jī)始終無法取代物理樣機(jī)。①
1.3 虛擬樣機(jī)技術(shù)的支撐環(huán)境及關(guān)鍵技術(shù)
圖1 虛擬樣機(jī)支撐環(huán)境框架
虛擬樣機(jī)的開發(fā)和設(shè)計當(dāng)中，在每一個階段都涉及到多個領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，比如在產(chǎn)品設(shè)計階段就涉及到CAD/CAM/CAE等CAX技術(shù)和DFX技術(shù)，在產(chǎn)品特性分析階段涉及到機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)等相關(guān)技術(shù)，而在分析結(jié)果的時候又涉及到可視化技術(shù)和動畫技術(shù)。因此，虛擬樣機(jī)技術(shù)需要強(qiáng)大的支撐環(huán)境來保證這些相關(guān)技術(shù)的操作和相互之間的數(shù)據(jù)交流平臺，其所需要的支持環(huán)境框圖如圖1②所示
在這些支撐環(huán)境中，存在一些關(guān)鍵技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展情況直接影響著整個支撐環(huán)境的發(fā)展。比如多領(lǐng)域的協(xié)同仿真――“建模-仿真-評估/優(yōu)化”一體化平臺、高層建模技術(shù)、仿真模型庫構(gòu)建與管理技術(shù)以及分布式協(xié)同仿真技術(shù)等。
1.4 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展現(xiàn)狀
虛擬仿真技術(shù)在美國、德國等一些發(fā)達(dá)國家早已被廣泛地應(yīng)用于汽車制造、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域，產(chǎn)品的涉及由簡單的照相機(jī)快門技術(shù)到龐大的工程機(jī)械技術(shù)，如John Deere 公司通過虛擬樣機(jī)技術(shù)找到了在重載下工程機(jī)械的自激振動問題的原因，并提出了改進(jìn)方案，這同樣在虛擬樣機(jī)上得到了驗(yàn)證。
國外的虛擬樣機(jī)技術(shù)已走向商業(yè)化，美國機(jī)械動力學(xué)公司的機(jī)械系統(tǒng)自動動力學(xué)分析軟件ADAMS是目前比較有影響力的軟件。其中ADAMS占據(jù)了市場的50 % 以上，其它軟件的還有Folw3D、ANSYS 等等。
國內(nèi)的企業(yè)虛擬樣機(jī)技術(shù)主要是集成現(xiàn)成的國外軟件應(yīng)用上，如PRO/E、ADAMS、ANSYS 等，國內(nèi)企業(yè)對國外軟件的依賴性強(qiáng)。有些單位會為了滿足設(shè)計分析的需要而采用對市場上現(xiàn)有軟件進(jìn)行二次開發(fā)。
2 虛擬樣機(jī)的模型建立
2.1 虛擬樣機(jī)的設(shè)計原理
作為研究動態(tài)系統(tǒng)行為的有效方法，虛擬樣機(jī)涉及幾何信息，同時虛擬樣機(jī)系統(tǒng)具有運(yùn)動模擬、操作模擬和動力學(xué)模擬等物理邊界條件，提供人機(jī)交互虛擬現(xiàn)實(shí)三維場景的工具。其一般設(shè)計原理可歸結(jié)為如圖2所示。
圖2 虛擬樣機(jī)設(shè)計原理圖
2.2 機(jī)電產(chǎn)品的功能模型分析
影響此類機(jī)電產(chǎn)品系統(tǒng)的設(shè)計過程和設(shè)計方法是在功能邏輯上的構(gòu)成方式和在物理上的組成方式。在物理組成上，機(jī)電一體化產(chǎn)品包含機(jī)械結(jié)構(gòu)，機(jī)電接口、運(yùn)動系統(tǒng)、計算機(jī)等多種電子、機(jī)械零部件。③
將機(jī)電一體化產(chǎn)品劃分為控制子系統(tǒng)、廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)、檢測子系統(tǒng)、傳感及信息處理的是上海交通大學(xué)的鄒慧君教授，④這就是所謂的三子系統(tǒng)論。如圖3所示：
圖3 機(jī)電系統(tǒng)的三子系統(tǒng)的組成及其關(guān)聯(lián)
圖4 廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)建模步驟框圖
2.3 廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)的建模與求解
廣義執(zhí)行機(jī)構(gòu)子系統(tǒng)主要包括驅(qū)動元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分，它們的建模與求解主要分為幾何建模、物理建模、數(shù)學(xué)建模、數(shù)值求解和結(jié)果分析，其步驟如圖4所示。
幾何建模，主要是建立所設(shè)計虛擬樣機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)的幾何模型，它可以用幾何造型軟件Pro/E、UG等導(dǎo)入，也可以由ADAMS幾何造型模塊構(gòu)造，但有些軟件之間的相互導(dǎo)入需要接口模塊，例如Pro/E與ADAMS之間需要MECHANISM/Pro借口模塊來實(shí)現(xiàn)無縫連接。⑤
物理建模，形成表達(dá)系統(tǒng)力學(xué)特性的物理模型，對幾何模型施加外力或外力矩、運(yùn)動學(xué)約束、力元（內(nèi)力）、驅(qū)動約束等物理模型要素。
數(shù)學(xué)建模，由物理模型組裝成系統(tǒng)運(yùn)動方程中的拉格朗日坐標(biāo)或笛卡爾坐標(biāo)建模方法創(chuàng)建各系數(shù)矩陣，得到系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。
2.4 控制子系統(tǒng)的建模與求解
可以利用MATLAB建立控制模型。驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動通常有開環(huán)方式和閉環(huán)方式兩種，開環(huán)方式是在驅(qū)動器與執(zhí)行末端之間建立約束關(guān)聯(lián)，執(zhí)行末端為反向運(yùn)動學(xué)驅(qū)動；而閉環(huán)方式是以期望參考信號與傳感器探測的數(shù)據(jù)進(jìn)行比較從而得到控制信號。連續(xù)――離散混合信號處理的運(yùn)動控制模型就是采用閉環(huán)控制方式。
2.5 協(xié)同建模
控制實(shí)現(xiàn)的多學(xué)科協(xié)同與多體動力學(xué)的建?？梢栽贏DAMS/ Controls 模塊中的與控制仿真軟件的接口上。它首先導(dǎo)出ADAMS動力學(xué)模型，然后導(dǎo)出動力學(xué)模型到控制仿真環(huán)境最后構(gòu)建動力學(xué)一控制集成模型。
3 虛擬樣機(jī)的仿真實(shí)現(xiàn)
在建立共享的集成模型基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真運(yùn)行，有基于MATLAB 和基于ADAMS 兩種解算方式：⑥
3.1 基于ADAMS的方式
求解線性或非線性的結(jié)果在在ADAMS 環(huán)境中虛擬樣機(jī)控制子模型的共享模型進(jìn)行仿真運(yùn)行。
3.2 基于MATLAB的方式
機(jī)械動力學(xué)解算通過在MATLAB 環(huán)境中植入的ADAMS 模塊控制運(yùn)用解算控制仿真軟件求解器，它們通過S函數(shù)（S-function）或狀態(tài)空間（state -space）進(jìn)行接口變量的聯(lián)系，在MATLAB/ Simulink 中觀察并輸出仿真曲線，同時，可以觀察到虛擬樣機(jī)的三維仿真運(yùn)行動畫和生成仿真結(jié)果數(shù)據(jù)文件。
4 小結(jié)
虛擬樣機(jī)技術(shù)為機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計提供了一個支持環(huán)境和新的方法，它與傳統(tǒng)的技術(shù)相比，縮短了研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)資本，實(shí)現(xiàn)資源共享、提高產(chǎn)品質(zhì)量，因此它目前廣泛用于汽車制造、航空航天、機(jī)械工程、醫(yī)學(xué)等各個領(lǐng)域。
整個虛擬樣機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵是虛擬樣機(jī)的仿真和實(shí)現(xiàn)，從單個領(lǐng)域的建模仿真到多個領(lǐng)域的協(xié)同仿真，從幾何建模到物理建模到數(shù)學(xué)建模到數(shù)值求解再到結(jié)果分析，這一系列的過程涉及到多個領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。因此，要做好虛擬樣機(jī)技術(shù)，一方面要依賴于其本身技術(shù)的發(fā)展，另一方面則要求設(shè)計者本身具備過硬的專業(yè)技術(shù)知識以及配置完備的團(tuán)隊(duì)。
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