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緒論：在尋找寫作靈感嗎？愛發(fā)表網(wǎng)為您精選了8篇虛擬樣機技術論文，愿這些內(nèi)容能夠啟迪您的思維，激發(fā)您的創(chuàng)作熱情，歡迎您的閱讀與分享！
中圖分類號：TP391 文獻標識碼：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
所謂的虛擬樣機，指的是產(chǎn)品的多領域數(shù)字化模型的集合體，它包含了真實產(chǎn)品的所有特點。運用這種技術，可以對機器的零件進行模擬制造，從而在設計階段提高產(chǎn)品的使用性能和質(zhì)量。
用這種技術來對機械產(chǎn)品進行設計，對零件、結構、裝配等部分進行分析，使機械產(chǎn)品的設計更加具有直觀性和可視性。
2 基于虛擬樣機技術的機械產(chǎn)品設計與建模方法
2.1 利用CAD軟件建模仿真
在對機械產(chǎn)品進行設計的時候，必須要運用一系列的軟件來對機械零件的設計尺寸進行分析，并且對機械零件開始進行一個一個的建模。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、性能等進行虛擬的設計，從而進行仿真分析。
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行，比如先裝配部件，然后再將部件模擬裝配成樣機。此外，可以通過運動集成模塊來進行優(yōu)化設計，這些模塊有很多的優(yōu)點，比如能夠矯正機械的運行，能夠注意到機械的位置、運行速度、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)化整個機械的性能。
2.2 對產(chǎn)品結構件進行分析和仿真
在對機械產(chǎn)品進行設計的過程當中，除了必須要考慮設計中的運動以外，還要考慮所設計的零件是否有一定的承載能力，或者強度和性能是否符合要求。進行了建模以后，因為軟件有一個比較好的接口，因此可以采用這種軟件對機械的各個部分進行強度分析，分析的時候還要計算有限元，這樣才能夠使設計更加的合理。另外還要分析設計要求是否符合機械的使用要求，如果得出的數(shù)據(jù)證明虛擬樣機的一部分不符合機械使用要求，那么，就只能重新進行修改。同時，這也是一個系統(tǒng)而繁雜的過程。
2.3 對行星架進行分析
行星架是機械的承載構建，如果機械的行星架設計不合理，就會影響到整個機械的使用。同時，行星架也是非常復雜的一部分，很容易出現(xiàn)軸的強度過低，而計算應力又會顯得比較復雜。首先要在軟件中創(chuàng)建幾何模型，其次要導入其中，導入之后可以添加材料信息了，然后要根據(jù)裝配體的情況，來設置接觸選項，最后再根據(jù)參數(shù)來設計網(wǎng)格，施加載荷，并且求出結果。
3 虛擬樣機技術在機械產(chǎn)品設計中的應用
我國對機械產(chǎn)品的設計經(jīng)歷了很多個歷程，最先開始是二維技術，利用計算機來生成零件，或者是整機的二維圖形，然后是三維技術，最后才是現(xiàn)在的虛擬樣機技術。筆者總結了虛擬樣機技術在機械產(chǎn)品設計中的應用，具體為以下幾點。
3.1 采用ADAMS軟件對運動仿真進行分析
這種方法比較準確可靠，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軟件應用到農(nóng)業(yè)機械當中，最普遍的是用收割機、深耕機。同時，在不同機械系統(tǒng)工作的參數(shù)下，油菜物料在清選袋置中的運動規(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大，但是在導入模型的過程當中，很容易丟失一些信息。20世紀90年代末，運用這種技術設計了播種機，實現(xiàn)了自動化和科學化的播種。此外，這種技術還被運用在馬鈴薯收獲機當中。
3.3 ADAMS和控制系統(tǒng)分析軟件的聯(lián)合仿真
機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)是現(xiàn)代機械的主要發(fā)展方向，兩者結合可以降低機械設計的復雜性，還能提高機械運動的效率。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特征。在農(nóng)業(yè)機械方面，還研制出了馬鈴薯聯(lián)合收獲機輸送臂，對輸送臂的整個運行進行了分析和研究，提高了其使用性能。
4 虛擬樣機技術的優(yōu)點
4.1 縮短了產(chǎn)品的設計周期
虛擬樣機技術在傳統(tǒng)機械設計的基礎上進行了改善，從不同角度、不同使用需求出發(fā)，縮短了產(chǎn)品的設計周期。此外，還提高了機械運行的性能。
4.2 降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本
因為機械設計是一項復雜而系統(tǒng)的工作，需要耗費大量的人力、物力、財力，而虛擬樣機技術雖然對計算機軟件、硬件的要求很高，卻降低了機械設計的總體成本。
4.3 提高了零件的設計效率
與傳統(tǒng)的機械設計相比，虛擬樣機技術只需要輸入一個基本模型，便可以導出精確的幾何，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計效率。
5 總結與體會
現(xiàn)在，虛擬樣機在機械設計中的運用越來越廣泛，從過去的二維、三維發(fā)展到CAD建模，再到如今的虛擬樣機技術。不但提高了設計效率，還降低了設計成本，整個設計過程也大大的被簡化，使得機械產(chǎn)品本身的操作也變得簡單易懂。
參考文獻
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關鍵詞：Adams； 機構學； 機械原理； 虛擬樣機
中圖分類號：G424.2文獻標志碼：B
0引言
虛擬樣機技術以其高效率和低成本，在機械產(chǎn)品設計中得到越來越廣泛的應用.通過對機械產(chǎn)品的虛擬樣機建模和仿真分析，可以快速、準確地獲取機械產(chǎn)品的性能，從而驗證設計指標并評價設計結果[1].作為目前世界領先的機械系統(tǒng)動力學分析軟件，Adams以其公認的優(yōu)越性被越來越多的工程技術人員和科研人員所應用，在機械系統(tǒng)設計和分析領域發(fā)揮重要作用.
筆者多年來一直探索如何使學生在課程學習中了解和掌握Adams這一先進軟件.在“機械原理”課程[2]的教學中，已有一些教師進行有益的探索——將Adams用于機構分析[3-6]，獲得良好的效果.在“機械原理課程設計”課程中，有些教師也將Adams應用其中——學生在設計機構運動方案時，應用Adams對設計結果進行驗證[7-9].這些嘗試為“機械原理”課程注入新的教學內(nèi)容和教學方法，加深學生對機構學知識的理解.但總體來看，這些嘗試還停留在個別教師的教學改革試點層次，缺少Adams與課程內(nèi)容融合的整體規(guī)劃和實施方案.本文從本科生課程和研究生課程2個方面介紹北航在Adams教學中的一些嘗試.
1Adams在本科生教學中的應用
機械原理課程的研究對象為機器和機構，如何在課堂上將機器和機構運動起來，成為提高學生學習興趣和扎實掌握相關理論的關鍵.傳統(tǒng)的教學方法只能依靠教師的講解，將靜止的機器和機構“動”起來，不直觀；一些設計分析結果也無法實際展示和驗證，在很大程度上影響學生對問題的理解和對知識的掌握；此外，雖然學生學習很多的經(jīng)典理論，但在工作不會應用，導致理論與應用脫節(jié).
為此，自2003年以來，北航機械原理教學團隊以Adams為平臺，將虛擬樣機技術與課程的機構以及機構系統(tǒng)的分析與設計內(nèi)容有機結合，不僅使靜止的機構圖形運動起來，提高學生的學習興趣，增強對問題的深刻理解，而且使學生初步掌握虛擬樣機這一先進技術，為持續(xù)、快速地進行機構創(chuàng)新設計與分析奠定基礎.在課堂教學過程中，以教師為主導，通過虛擬樣機的建立和仿真，對涉及的機構學問題給予直觀、生動的詮釋.學生則利用課余時間，通過上機練習來熟悉和掌握虛擬樣機技術.
1.1課堂教學
3結束語
探索和總結本科生的“機械原理”課程與Adams有機結合的內(nèi)容和實現(xiàn)方法，進一步探討在研究生階段開設針對學習Adams的“產(chǎn)品設計與虛擬樣機”課程的教學內(nèi)容、教學方法和教學成果等.在高校開展Adams的學習和應用教學，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，在相關行業(yè)的支持下，不斷地深入和推廣下去.
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關鍵詞 虛擬樣機 建模 仿真
中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：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)代科學技術的發(fā)展，機電一體化產(chǎn)品的開發(fā)經(jīng)歷了串、并行開發(fā)，到基于虛擬樣機的開發(fā)過程。而開發(fā)過程中解決多領域協(xié)同設計的有效途徑就涉及到了虛擬樣機技術。它的設計開發(fā)涉及機械、可視化、協(xié)同仿真、數(shù)據(jù)庫等多個學科領域，它提供一種加快機電一體化產(chǎn)品設計進程新的技術方法和支持環(huán)境。
1 虛擬樣機技術的概述
1.1 虛擬樣機技術的定義
虛擬樣機是在CAD/CAM/CAE和物理樣機基礎上發(fā)展起來的，它包含有所有產(chǎn)品的關鍵特征。
它是以一定關系模擬一個動態(tài)系統(tǒng)，在一個或多個領域模型上，依賴不同子系統(tǒng)的集成，采用計算機輔助的方法，以達到認識現(xiàn)實或輔助設計的目的。
1.2 虛擬樣機技術的優(yōu)勢和局限性
在機電一體化產(chǎn)品的設計中，若采用實物驗證的方法的傳統(tǒng)機電產(chǎn)品設計。首先是對產(chǎn)品進行局部設計，加工出物理樣機，再進行調(diào)試，再對其各種行為進行評估。若不滿足使用要求則選擇返回修改設計，然后再加工出新的樣機，如此反復評估直至滿足所需要求為止。
虛擬樣機技術應用在機電產(chǎn)品的開發(fā)設計過程與傳統(tǒng)設計步驟相差不大，主要差別是虛擬樣機技術集合各個領域的理論和技術在計算機上直接進行建模與仿真，它在產(chǎn)品設計階段，能夠?qū)Ξa(chǎn)品使用、制造、維護等行為進行評估分析，優(yōu)化產(chǎn)品性能指標，保證設計出來的產(chǎn)品能夠達到制造、使用和維護的要求，并且它的修改直接改變建模的數(shù)據(jù)即可。因此，虛擬樣機技術的優(yōu)勢在于：縮短了研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)資本、實現(xiàn)資源共享。
但是，虛擬樣機技術涉及的學科領域太廣，技術復雜，給設計者提出了很高的要求，而且，對于一些復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)品進行建模時，很難建立理想的、完整的模型，因此虛擬樣機始終無法取代物理樣機。①
1.3 虛擬樣機技術的支撐環(huán)境及關鍵技術
圖1 虛擬樣機支撐環(huán)境框架
虛擬樣機的開發(fā)和設計當中，在每一個階段都涉及到多個領域的相關技術，比如在產(chǎn)品設計階段就涉及到CAD/CAM/CAE等CAX技術和DFX技術，在產(chǎn)品特性分析階段涉及到機械系統(tǒng)運動學等相關技術，而在分析結果的時候又涉及到可視化技術和動畫技術。因此，虛擬樣機技術需要強大的支撐環(huán)境來保證這些相關技術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，存在一些關鍵技術，這些關鍵技術的發(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、仿真模型庫構建與管理技術以及分布式協(xié)同仿真技術等。
1.4 虛擬樣機技術的應用與發(fā)展現(xiàn)狀
虛擬仿真技術在美國、德國等一些發(fā)達國家早已被廣泛地應用于汽車制造、機械工程、醫(yī)學等各個領域，產(chǎn)品的涉及由簡單的照相機快門技術到龐大的工程機械技術，如John Deere 公司通過虛擬樣機技術找到了在重載下工程機械的自激振動問題的原因，并提出了改進方案，這同樣在虛擬樣機上得到了驗證。
國外的虛擬樣機技術已走向商業(yè)化，美國機械動力學公司的機械系統(tǒng)自動動力學分析軟件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)虛擬樣機技術主要是集成現(xiàn)成的國外軟件應用上，如PRO/E、ADAMS、ANSYS 等，國內(nèi)企業(yè)對國外軟件的依賴性強。有些單位會為了滿足設計分析的需要而采用對市場上現(xiàn)有軟件進行二次開發(fā)。
2 虛擬樣機的模型建立
2.1 虛擬樣機的設計原理
作為研究動態(tài)系統(tǒng)行為的有效方法，虛擬樣機涉及幾何信息，同時虛擬樣機系統(tǒng)具有運動模擬、操作模擬和動力學模擬等物理邊界條件，提供人機交互虛擬現(xiàn)實三維場景的工具。其一般設計原理可歸結為如圖2所示。
圖2 虛擬樣機設計原理圖
2.2 機電產(chǎn)品的功能模型分析
影響此類機電產(chǎn)品系統(tǒng)的設計過程和設計方法是在功能邏輯上的構成方式和在物理上的組成方式。在物理組成上，機電一體化產(chǎn)品包含機械結構，機電接口、運動系統(tǒng)、計算機等多種電子、機械零部件。③
將機電一體化產(chǎn)品劃分為控制子系統(tǒng)、廣義執(zhí)行機構子系統(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 機電系統(tǒng)的三子系統(tǒng)的組成及其關聯(lián)
圖4 廣義執(zhí)行機構建模步驟框圖
2.3 廣義執(zhí)行機構的建模與求解
廣義執(zhí)行機構子系統(tǒng)主要包括驅(qū)動元件和執(zhí)行機構兩大部分，它們的建模與求解主要分為幾何建模、物理建模、數(shù)學建模、數(shù)值求解和結果分析，其步驟如圖4所示。
幾何建模，主要是建立所設計虛擬樣機的執(zhí)行機構的幾何模型，它可以用幾何造型軟件Pro/E、UG等導入，也可以由ADAMS幾何造型模塊構造，但有些軟件之間的相互導入需要接口模塊，例如Pro/E與ADAMS之間需要MECHANISM/Pro借口模塊來實現(xiàn)無縫連接。⑤
物理建模，形成表達系統(tǒng)力學特性的物理模型，對幾何模型施加外力或外力矩、運動學約束、力元（內(nèi)力）、驅(qū)動約束等物理模型要素。
數(shù)學建模，由物理模型組裝成系統(tǒng)運動方程中的拉格朗日坐標或笛卡爾坐標建模方法創(chuàng)建各系數(shù)矩陣，得到系統(tǒng)數(shù)學模型。
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)行機構的運動通常有開環(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聯(lián)，執(zhí)行末端為反向運動學驅(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)進行比較從而得到控制信號。連續(xù)――離散混合信號處理的運動控制模型就是采用閉環(huán)控制方式。
2.5 協(xié)同建模
控制實現(xiàn)的多學科協(xié)同與多體動力學的建模可以在ADAMS/ Controls 模塊中的與控制仿真軟件的接口上。它首先導出ADAMS動力學模型，然后導出動力學模型到控制仿真環(huán)境最后構建動力學一控制集成模型。
3 虛擬樣機的仿真實現(xiàn)
在建立共享的集成模型基礎上進行仿真運行，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果在在ADAMS 環(huán)境中虛擬樣機控制子模型的共享模型進行仿真運行。
3.2 基于MATLAB的方式
機械動力學解算通過在MATLAB 環(huán)境中植入的ADAMS 模塊控制運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的三維仿真運行動畫和生成仿真結果數(shù)據(jù)文件。
4 小結
虛擬樣機技術為機電一體化產(chǎn)品的設計提供了一個支持環(huán)境和新的方法，它與傳統(tǒng)的技術相比，縮短了研發(fā)周期、節(jié)約研發(fā)資本，實現(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、機械工程、醫(yī)學等各個領域。
整個虛擬樣機技術的關鍵是虛擬樣機的仿真和實現(xiàn)，從單個領域的建模仿真到多個領域的協(xié)同仿真，從幾何建模到物理建模到數(shù)學建模到數(shù)值求解再到結果分析，這一系列的過程涉及到多個領域的關鍵技術。因此，要做好虛擬樣機技術，一方面要依賴于其本身技術的發(fā)展，另一方面則要求設計者本身具備過硬的專業(yè)技術知識以及配置完備的團隊。
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論文語種：中文
您的研究方向：管理
是否有數(shù)據(jù)處理要求：否
您的國家：北京
您的學校背景：北京理工大學
要求字數(shù)：6000 (開題報告)
論文用途：碩士畢業(yè)論文
是否需要盲審(博士或碩士生有這個需要)：否
補充要求和說明：先要一個開題報告! 正式畢業(yè)論文的要求 學校還沒通知 開題報告要求 見 附件 題目方向是 三維制造工藝 對機加企業(yè)(車間) 的影響 或 數(shù)字化制造 對機加企業(yè)(車間)的影響 (最好是針對航天制造企業(yè))
北京理工大學研究生院工程碩士學位論文開題報告：基于三維模型的工藝對技術對航天制造企業(yè)生產(chǎn)效率的影響
一、學位論文選題的目的和意義
1.1 選題背景
進入21世紀,數(shù)字化設計制造技術在國際航空制造業(yè)新產(chǎn)品研制中發(fā)展迅猛,傳統(tǒng)的以模擬量傳遞為基礎的設計制造手段，已經(jīng)逐漸被以數(shù)字量傳遞為基礎的數(shù)字化手段所代替,通過全面采用數(shù)字化產(chǎn)品定義、數(shù)字化預裝配、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理、并行工程和虛擬制造技術,極大縮短了機型研制周期、提高了產(chǎn)品質(zhì)量。
二、本選題研究領域歷史、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢分析
三、研究方案
四、研究計劃進度表
五、經(jīng)費預算
六、參考文獻
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車輛模擬器具有工況設置方便、試驗重復性好、安全性高等優(yōu)點,在駕駛培訓、車輛新產(chǎn)品的研究和開發(fā)、人—車—環(huán)境試驗中有著重要作用,良好的車輛運動模擬技術是車輛模擬器質(zhì)量的保障。本文以“車輛人—機—環(huán)境模擬器”項目為依托,圍繞車輛模擬器運動模擬技術中三維虛擬道路建模、車輛動力學建模與仿真、動感模擬算法等展開研究。提出了隨機激勵路面輪廓三維高程數(shù)據(jù)生成方法;對Vortex車輛動力學建模特別是車輛懸架參數(shù)的設置進行闡述,并給出了車輛動力學仿真的實例;提出了基于六自由度平臺桿長的模糊自適應動感模擬算法,最后建立了車輛動力學、動感模擬算法與六自由度平臺虛擬樣機組成的車輛模擬器開發(fā)綜合仿真平臺。 論文闡述了項目中車輛模擬器的組成及工作原理,闡述了模擬器運動感覺模擬的機制,對模擬器運動系統(tǒng)做了詳細的介紹,為車輛模擬器運動模擬技術奠定基礎。
給出了車輛模擬器三維虛擬道路建模所需的路面輪廓數(shù)據(jù)和路形數(shù)據(jù)建模和生成方法,為車輛動力學仿真提供路面激勵數(shù)據(jù)。利用路面不平度二維功率譜密度的表達式,通過二維傅里葉逆變換法得到了路面輪廓不平度三維路面高程數(shù)據(jù)生成方法,生成的高程數(shù)據(jù)的功率譜特性和各向同性特性均優(yōu)于已有方法。推導了路面輪廓中包含的隨機瞬態(tài)成分的空間位移特征與路面等級的關系,提出了三維空間內(nèi)隨機瞬態(tài)成分生成方法。根據(jù)道路路形特征給出了三維空間曲線道路建模方法,并采用線切割方法將道路與地形進行了融合。
闡述了Vortex車輛動力學建模的方法和流程,針對Vortex車輛動力學參數(shù)化建模的特點,設置不同的懸架參數(shù),進行車輛行駛平順性和穩(wěn)定性仿真,然后進行結果分析對比。對不同路面類型以及各種車輛運動的典型工況進行了動力學仿真,為動感模擬算法的設計和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。 針對經(jīng)典動感模擬算法參數(shù)不能在線實時調(diào)整而導致平臺空間利用率低的問題,在經(jīng)典動感模擬算法和基于平臺單自由度約束的模糊自適應動感模擬算法的基礎上,提出了基于平臺桿長約束的模糊自適應動感模擬算法。
首先解決了動感模擬算法中輸入信號預處理、傾斜角速度限制環(huán)節(jié)處理以及自由度解耦等幾個問題,然后提出了模糊自適應算法的原理與模糊自適應規(guī)則,并對幾種動感模擬算法進行了仿真分析對比,結果顯示基于平臺桿長約束的模糊自適應動感模擬算法具有參數(shù)調(diào)節(jié)簡單意義明確、調(diào)節(jié)作用平滑無沖擊、不需要考慮多自由度之間耦合作用的優(yōu)點,能充分利用平臺的運動空間而提高動感模擬逼真度。
建立了車輛動力學、動感模擬算法、六自由度平臺虛擬樣機的Vortex、Simulink、 ADAMS聯(lián)合仿真系統(tǒng)。首先闡述了聯(lián)合仿真系統(tǒng)的組成、原理及作用,然后建立了六自由度平臺ADAMS虛擬樣機模型,并將其與Simulink相聯(lián)接。以動感模擬運動的可視化與數(shù)據(jù)監(jiān)控以及蛇形試驗專用動感模擬算法為例,對聯(lián)合仿真系統(tǒng)的應用進行了舉例說明。
關鍵詞：仿真 機械 控制
中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）12-0104-01
隨著技術的進步，作為機械設計制造的仿真模擬技術得到了快速的發(fā)展，并且廣泛應用于實際當中。計算機仿真技術是以多種學科理論為指導，利用相應的軟件為工具，通過虛擬試驗的方法來解決問題的技術。隨著工程機械產(chǎn)品競爭日益激烈。為了提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能，降低開發(fā)成本。在這種需求下，以仿真技術為代表的技術成為工程領域一種現(xiàn)代化設計手段。運用仿真設計，建立系統(tǒng)的數(shù)學模型，從實際對象的物理模型出發(fā)。設置不同的激勵信號，利用相應曲線，即可對系統(tǒng)進行辨識?？梢栽诋a(chǎn)品設計設計和評估產(chǎn)品的性能方面，降低開發(fā)風險，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能。工程中的技術問題首先是要仿真技術在各個領域得到了廣泛的應用。
1 計算機仿真的實現(xiàn)
對于需要研究的對象，計算機一般是不能直接認知和處理的，這就要求為之建立一個既能反映所研究對象的實質(zhì)，又易于被計算機處理的數(shù)學模型。數(shù)學模型將研究對象的實質(zhì)抽象出來，計算機再來處理這些經(jīng)過抽象的數(shù)學模型，并通過輸出這些模型的相關數(shù)據(jù)來展現(xiàn)研究對象的特質(zhì)，當然，這種展現(xiàn)可以是三維立體的。由于三維顯示更加清晰直觀，已為越來越多的研究者所采用。通過對這些輸出量的分析，就可以更加清楚的認識研究對象。模型是進行計算機仿真的核心。系統(tǒng)的數(shù)學模型根據(jù)時間關系可劃分為靜態(tài)模型、連續(xù)時間動態(tài)模型、離散時間動態(tài)模型和混合時間動態(tài)模型；根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)描述和變化方式可劃分為連續(xù)變量系統(tǒng)模型和離散事件系統(tǒng)模型。通過這個關系還可以看出，數(shù)學建模的精準程度是決定計算機仿真精度的最關鍵因素。從模型這個角度出發(fā)，可以將計算機仿真的實現(xiàn)分為三個大的步驟：模型的建立、模型的轉(zhuǎn)換和模型的仿真實驗。所謂模型的轉(zhuǎn)換，即是計算機語言轉(zhuǎn)換成能夠處理的形式，“仿真模型”是新的系統(tǒng)，利用已有的仿真軟件，如鑄造過程就常用ADSMS軟件來進行仿真。將仿真模型載入計算機進行使用。
2 計算機仿真在機械行業(yè)的應用
2.1 仿真技術
仿真技術是綜合多學科的技術，以機械系統(tǒng)運動學和控制理論為核心，運用成熟的計算機圖形技術將部件集成在一起，建立機械系研究的問題，根據(jù)仿真所要達到的目的抽象出一個確定的系統(tǒng)，結合系統(tǒng)的邊界條件和約束條件，利用各種相關學科的知識，把所抽象出來的系統(tǒng)用數(shù)學的表達式描述出來，描述的內(nèi)容，傳統(tǒng)的仿真就是針對單個子系統(tǒng)的仿真，而仿真技術則是強調(diào)整體的優(yōu)化，它通虛擬環(huán)境的耦合，對產(chǎn)品設計方案進行評估，并不斷改進設計方案，直到獲得最優(yōu)化的效果，所以子系統(tǒng)之間的協(xié)同求解，應該快速地建立控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)等虛擬樣機。的運用目前市場上一批成熟的分析軟件有ANSYS、PATRAN等。運動學和動力學仿真軟件可采用ADAMS軟件?？刂葡到y(tǒng)仿真軟件可采用MATLAB軟件。通過三維模型和運動學、動力學仿真軟件ADAMS中進行分析，對控制方案進行仿真。使產(chǎn)品設計可擺脫對物理樣機的依賴，給企業(yè)帶來高的經(jīng)濟效益，高效的研發(fā)手段促使產(chǎn)品開發(fā)風險降低，提高生產(chǎn)效率，通過虛擬樣機找到組織生產(chǎn)，使產(chǎn)品制造和市場競爭方面更具靈活性，同時克服企業(yè)資源的局限性，將具有開發(fā)產(chǎn)品技術組成一個臨時的企業(yè)聯(lián)盟。仿真技術必將成為工程機械領域產(chǎn)品研發(fā)的主流。
2.2 機械加工仿真
機械加工過程，是利用計算機仿真，有助于發(fā)現(xiàn)其機理，為提高機械性能。在機械的磨削方面，采用時間變化的描述磨削過程的各個數(shù)學模型，通過優(yōu)化和虛擬磨削創(chuàng)造了必要的前提，在銑削方面，建立多齒端銑切削過程動力學模型，開發(fā)切削振動仿真的微機通用軟件，得出了端銑切削振動的原理和條件。電火花加工的工藝仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了加工參數(shù)的優(yōu)化。建立了連續(xù)擠壓的計算機仿真模型，通過模擬連續(xù)擠壓全過程的應力場、應變場和溫度場。
2.3 機構運動仿真
了解了機構需要設定的運動副情況后，進行運動仿真。新建一個運動學仿真，創(chuàng)建連桿，根據(jù)各部件相互運動方式需建立7個連桿，對模型的材料特性進行加載，定位每個運動副的時間函數(shù)，在一個周期內(nèi)完成所有的運動。向機構添加一定的外載荷，使整個機構工作在真實的工程狀態(tài)下，機構的兩連桿之間，模擬兩個零件之間的彈性連接。根據(jù)運動驅(qū)動的形式，取料機械手采用恒定轉(zhuǎn)速驅(qū)動，采用恒轉(zhuǎn)速調(diào)速，要求必須設定運動時間和解算步數(shù)，機構做運動仿真分析時，需要詳細記錄整個仿真零件的位移距離，適當縮短機械加工產(chǎn)品開發(fā)周期，對于提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能具有積極的作用。
參考文獻
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關鍵詞 Pro/E 機械系統(tǒng) 實驗臺 虛擬設計
中圖分類號：TH132.41 文獻標識碼：A DOI：10.16400/ki.kjdkx.2015.04.027
Design of Virtual Prototype of Multi-purpose Mechanical Transmission
Experiment Platform System Based on Pro/E Platform
GUI Wei， YAO Cenglin， LI Chenglong， SHEN Caixia， ZHENG Mengwei， HAN Qiang
（Wuhan Business University， Wuhan， Hubei 430056）
Abstract In this paper， based on the Pro/E software， with the multipurpose Laboratory of mechanical transmission station as a typical example， the application of virtual design technology， virtual assembly of 3D design， completed the experiment table of all parts of the student movement of mechanical transmission mechanism， teacher movement of mechanical transmission mechanism， clock movement of mechanical transmission mechanism， the classroom door moving mechanical transmission mechanism and the projection screen motion of mechanical transmission mechanism five parts and virtual assembly of the whole experiment platform.
Key words Pro/E; mechanical system; experiment platform; virtual design
0 引言
目前，機械領域的虛擬設計技術是利用三維設計軟件如Pro/E、UG、Solidworks、CATIA等對機械裝置的零部件進行結構設計、虛擬裝配、運動仿真分析。它是基于計算機輔助設計技術，在虛擬環(huán)境中對機械產(chǎn)品進行設計，達到縮短研發(fā)周期、減少研發(fā)成本的目的。
多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺融鏈傳動、直齒圓柱齒輪傳動、直齒圓錐齒輪傳動、平面連桿傳動，蝸輪蝸桿傳動、絲桿螺母傳動以及齒輪齒條傳動等傳動機構于一體。該實驗臺以學生最為熟悉的課堂作為展示機械系統(tǒng)運動的場景，可以起到趣味性教學的目的，增加學生學習機械專業(yè)課程的興趣。敞開式的場景，在不用拆開演示臺的前提下就可以讓學生清楚地觀察到內(nèi)部傳動機構的運動全過程，操作簡單、比較實用。多個傳動機構集中在一個場景展示，可以使學生系統(tǒng)性地認識不同機構的運動傳遞過程，有助于學生對不同的機構進行區(qū)別。
本文基于Pro/E平臺的虛擬設計技術，完成多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺各零件的三維建模設計，虛擬樣機裝配干涉檢查、機構運動仿真分析，在仿真中對結構設計進行優(yōu)化設計，盡可能降低設計風險，避免實際制造中出現(xiàn)問題，從而使實驗臺一次性制造成功。
1 實驗臺典型零件齒輪的三維建模
通常，在Pro/E中每個零件的三維結構設計過程步驟基本相同，如下：（1）依據(jù)各個零件的三視圖，想象零件的形狀，為選擇合適的建模方法做好鋪墊。（2）根據(jù)零件的結構，選擇建模的方法。（3）根據(jù)零件的結構，進行草繪，然后利用拉伸、旋轉(zhuǎn)等特征操作，以完成零件的三維設計。（4）在已建零件模型上進行輔助特征設計，完成零件三維設計，然后保存。
多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺有多個不同類型的零件，三維設計的過程步驟基本相同，本論文只簡單闡述典型零件齒輪的三維設計過程步驟。
直齒圓柱齒輪由輪齒、鍵槽、軸孔等基本結構特征組成，創(chuàng)建標準直圓柱齒輪的三維參數(shù)化模型。主要操作步驟如下：
（1）創(chuàng)建齒輪設計參數(shù)：
在Pro/E軟件的產(chǎn)品參數(shù)化設置界面中，輸入齒輪的設計參數(shù)及相應的初始值，模數(shù)m=2，壓力角alpha=20度，齒根圓直徑df，齒頂圓直徑da，基圓直徑db，分度圓直徑d，齒寬b=30，齒數(shù)z=56，如圖1，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。
（2）使用Pro/E的草繪功能先繪制基準曲線，后繪制四個尺寸任意的同心圓。
（3）調(diào)出Pro/E中各參數(shù)之間關系設置的對話框，在其中輸入標準直齒圓柱齒輪的關系式，如圖2，添加完畢后，單擊【確定】按鈕。
圖1 齒輪參數(shù)對話框
圖2 齒輪關系對話框
（4） 系統(tǒng)進入三維實體模式，單擊【編輯】頡駒偕模型】工具，自動生成滿足一定關系式的齒輪參照圓。
（5）單擊特征工具欄中的【基準曲線】工具，彈出的【曲線選項】菜單，單擊【從方程】―【完成】命令，在工作區(qū)選取系統(tǒng)默認的坐標系，單擊對話框中的【確定】按鈕，在彈出的【設置坐標系類型】菜單中，選擇【笛卡爾】坐標系，輸入形成齒輪漸開線的參數(shù)化方程，輸入完畢單擊【記事本】主菜單中的【文件】―【保存】命令，最后單擊【確定】按鈕。即可生成漸開線。
（6）創(chuàng)建鏡像漸開線特征。選取已繪制的齒輪漸開線的特征，選擇軟件中【特征】-【鏡像】命令，選擇基準平面DTM2作為鏡像平面，單擊【確定】按鈕。
（7）先進入草繪平面，選擇齒頂輪廓線，拉伸創(chuàng)建成齒輪基本實體。
（8）創(chuàng)建第一個齒槽特征。先進入草繪平面，再根據(jù)漸開線以及齒輪參照圓草繪出齒廓外形，然后對其進行拉伸切除，完成齒槽的創(chuàng)建。
（9）創(chuàng)建齒槽陣列特征。創(chuàng)建齒輪槽，選擇軟件征工具欄中的【陣列】命令，選擇軸陣列選項，輸入陣列個數(shù)56個，角度為360?？樿计殷的齿聨?？
（10）拉伸切除創(chuàng)建成齒輪軸孔。
（11）拉伸軟件的切除功能畫出成齒輪鍵槽，完成齒輪的參數(shù)化設計如圖3所示。
圖3 齒輪參數(shù)化設計
2 實驗臺樣機的虛擬裝配
一般說，機械裝置的虛擬裝配是利用三維設計軟件在計算機中，對機械產(chǎn)品的結構進行設計與裝配。多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺主要包括學生運動機械傳動機構、教師運動機械傳動機構、時鐘運動機械傳動機構、教室門運動機械傳動機構以及投影幕布運動機械傳動機構五個部分。虛擬樣機在裝配時，首先把這5個運動機械傳動機構作為一個組件進行虛擬裝配，然后把這5個運動機械傳動機構裝配成整個實驗臺。
2.1 學生運動機械傳動機構虛擬裝配
學生運動機械傳動機構，主要由電動機、曲柄搖桿機構、連桿限位變形機構，以及固定構件課桌、課椅以及電機支架組成。虛擬裝配如圖4所示。小腿在固定在機架上，小手臂與機架在形成固定鉸鏈，小手臂、大手臂、身軀、大腿、小腿之間通過活動鉸鏈鏈接。電機通過曲柄搖桿機構，帶動五連桿限位變形機構運動，完成學生起立和坐下的動作。
圖4 學生運動機械傳動機構虛擬裝配圖
2.2 教師運動機械傳動機構虛擬裝配
教師運動傳動機構主要由：電動機;由16齒的大鏈輪、8齒的小鏈輪和鏈條組成的鏈傳動機構;齒輪齒條傳動機構;螺距6mm，單頭絲桿螺母傳動機構;限位開關、限位板以及講臺等固定構件組成，虛擬裝配如圖5所示。電機啟動，通過鏈傳動傳遞給絲桿，絲桿的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成螺母的直線運動，通過螺母上的銷軸帶動放置在螺母上的尺寸做直線移動，實現(xiàn)教師木偶人的移動，通過齒輪齒條機構實現(xiàn)教師旋轉(zhuǎn)90度面向?qū)W生的動作。
圖5 教師運動機械傳動機構虛擬裝配圖
2.3 時鐘運動機械傳動機構虛擬裝配
時鐘運動機械傳動機構主要由：電動機;齒數(shù)為35的蝸輪蝸桿傳動機構;每級大齒輪齒數(shù)45，小齒輪齒數(shù)13，模數(shù)1.5的二級直齒圓柱齒輪傳動機構以及電動機架、鐘罩和紅外位置探測器等固定構件組成，虛擬裝配如圖6所示。電機啟動，通過蝸輪蝸桿把運動傳遞給二級直齒圓柱齒輪，與蝸輪連接的第一級圓柱齒輪的小齒輪帶動分針轉(zhuǎn)動，第二級圓柱齒輪齒輪的大齒輪帶動時針轉(zhuǎn)動。
2.4 教室門運動機械傳動機構虛擬裝配
教室門運動機械傳動機構主要由：電動機;雙曲柄滑塊機構以及導桿、限位開關、電機機架等固定構件組成，虛擬裝配如圖7所示。電機啟動，帶動雙曲柄滑塊機構中雙曲柄轉(zhuǎn)動，曲柄通過連桿，帶動教室門在導軌上進行來回往復運動，實現(xiàn)教室門的開關。
圖6 時鐘運動機械傳動機構虛擬裝配圖
圖7 教室門運動機械傳動機構虛擬裝配圖
2.5 投影幕布運動機械傳動機構虛擬裝配
投影幕布運動機械傳動機構主要由：電動機，錐齒輪傳動機構組成，虛擬裝配如圖8所示。電機啟動，帶動大圓錐齒輪轉(zhuǎn)動，通過小圓錐齒輪帶動幕布上下運動。
圖8 投影幕布運動機械傳動機構虛擬裝配圖
2.6 多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺虛擬裝配
多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺虛擬樣機的主體裝配主要是學生運動機械傳動機構、教師運動機械傳動機構、時鐘運動機械傳動機構、教室門運動機械傳動機構以及投影幕布運動機械傳動機構五個傳動機構之間的裝配。虛擬樣在裝配時，為方便整個樣機的的虛擬裝配，可以把裝置的幾個相關零件組裝成組件，然后再把相關組件裝配在一起構建試實驗臺的整體結構，如圖9所示。
圖9 多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺虛擬裝配圖
3 結束語
多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺的虛擬設計，減少設計物理樣機所需的人力及時間，可以達到降低產(chǎn)品成本，縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期的目的。
基金項目：湖北省高等學校2014年省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目《多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺的設計研究》（項目編號：201411654009）、武漢商學院2014年大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目《多用途機械系統(tǒng)傳動實驗臺的設計研究》（項目序號：7）、武漢商學院2014年度教學研究項目《基于學生創(chuàng)新能力培養(yǎng)的課程教學研究―以機械設計基礎課程為例》（項目編號：2014Y013）的階段性研究成果
參考文獻
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[關鍵詞]排氣歧管 CAE 有限元分析 優(yōu)化
[中圖分類號]TK403 [文獻標識碼]A [文章編號]1009-5349（2014）11-0079-02
排氣歧管是車輛內(nèi)燃機排氣系統(tǒng)中的重要組成部分，對內(nèi)燃機的動力性、經(jīng)濟性和排放均有影響。因此，在車輛維修時，它是很難檢測到由于高的內(nèi)燃機的排氣背壓內(nèi)燃發(fā)動機功率發(fā)揮不足或內(nèi)燃發(fā)動機不能正常工作。本論文針對內(nèi)燃機排氣管路中造成排氣阻力的成因進行分析，為生產(chǎn)、安裝提供結構優(yōu)化，通過一些數(shù)據(jù)分析的排氣管線的安裝尺寸、方法和結構的優(yōu)化，減少排氣管線出現(xiàn)的反壓現(xiàn)象引起的排氣氣體湍流，有效降低高內(nèi)燃機排氣背壓的情況下，保證內(nèi)燃機穩(wěn)定工作。
一、研究對象
本文選用FB4105防爆柴油機的研究對象為排氣歧管。FB4105防爆柴油機的主要技術參數(shù)有：轉(zhuǎn)速2300r/min、凈重350kg、防爆凈功率40KW、總排量2.5L。
邊界條件的排氣系統(tǒng)數(shù)學模型包括：
（1）入口邊界條件是：根據(jù)發(fā)動機排量和速度給定的入口速度V=12.06m/s，根據(jù)發(fā)動機廢氣排放溫度給定入口溫度600℃，根據(jù)給定的速度和湍流強度0.3MPa入口處入口結構的價值。
（2）出口邊界條件：針對出口壓力的條件下，假設出口壓力是大氣壓力。
（3）壁面邊界條件：壁面邊界條件為無滑移速度邊界條件。
二、虛擬樣機模型
根據(jù)測繪數(shù)據(jù)，應用UG軟件建立排氣歧管的三維模型（圖1：排氣歧管三維模型），從三維模型圖中抽取出氣道三維圖（圖2：排氣歧管氣道三維模型）。
圖1 FB4105排氣歧管三維模型
圖2 排氣歧管氣道三維模型
三、CAE有限元分析
CAE模塊是3d應用UG軟件中的一個有限元分析模塊，從訂單的產(chǎn)品、設計、開發(fā)，綜合傳統(tǒng)的經(jīng)驗設計和穩(wěn)流試驗臺的試驗和錯誤的方法，改進的虛擬開發(fā)。在虛擬環(huán)境下設計實現(xiàn)了虛擬樣機開發(fā)的數(shù)字仿真方法的產(chǎn)品性能評價過程、優(yōu)化和修正，從根本上改變了傳統(tǒng)的設計思想，減少不必要的原型機生產(chǎn)，降低產(chǎn)品設計成本，縮短產(chǎn)品的設計周期。
UG高級仿真模塊提供對許多行業(yè)標準解算器的無縫、透明支持，這樣的解算器有NX Nastran、ANSYS等。如高級仿真模塊使用該解算器來處理所有網(wǎng)格劃分、邊界條件和解法，還可以求解模型并直接在結算過程中查看結果。高級仿真模塊除提供基本設計仿真中的功能外，還具有高級分析解算流程的其他功能：
（1）高級仿真有獨特的數(shù)據(jù)結構。
（2）高級仿真有很強的網(wǎng)格劃分功能。
（3）高級仿真有靈活的幾何體設計方法。
（4）高級仿真中有NX傳熱解算器和NX流體解算器。
按照要求用UG軟件打開排氣歧管氣道三維模型，點擊高級仿真模塊，新建FEM（Finite Element Modeling）模型，求解器為NX Thermal/Flow，分析類型為Coupled Thermal-Flow（耦合熱流），材料賦予Air（空氣），采用四面體網(wǎng)格進行劃分，單元格選為5，共劃分有41197個網(wǎng)格單元。圖3為創(chuàng)建的排氣歧管氣道三維模型網(wǎng)格圖。
圖3 排氣歧管氣道三維模型網(wǎng)格圖
四、CAE有限元計算結果及分析
按照內(nèi)燃機的點火順序（1缸―3缸―4缸―2缸），分別加載邊界條件，對1缸、2缸、3缸和4缸的氣道進行流體模擬分析，從結果可見，流道發(fā)生拐彎及彎曲的形狀都會影響氣流，從優(yōu)化前的圖5、圖6、圖7及圖8上可以看出，每個排氣工作時，對當前管到出口的拐彎處，有一塊區(qū)域的氣流產(chǎn)生的紊流現(xiàn)象很明顯，壁面受氣流的沖擊也比較大;當前工作缸的氣流對后面的氣道沒有產(chǎn)生影響，但是對前面的氣道均產(chǎn)生了影響。
五、小結
從FB4105排氣歧管的數(shù)值模擬和分析可以基本上滿足光滑排氣的要求，強烈的渦流區(qū)沒有出現(xiàn)在管內(nèi)，只有極少部分渦流現(xiàn)象在管道的彎曲處出現(xiàn)。為了提高通道的氣流速度的均勻性，對原結構進行改善，將在管道彎曲處設計添加圓角。仿真結果表明，原來存在的湍流現(xiàn)象顯著降低了，并且對排氣氣缸后面的氣道也沒有影響，氣道形狀設計更加科學合理。
【參考文獻】
