虚拟样机技术论文大全11篇

绪论：写作既是个人情感的抒发，也是对学术真理的探索，欢迎阅读由发表云整理的11篇虚拟样机技术论文范文，希望它们能为您的写作提供参考和启发。

篇（1）

一、 液压破碎锤概述

. 液压破碎锤及其组成

车载液压破碎锤可以高效地完成碎石、拆除、公路修补、冻土挖掘、二次破碎等艰苦工作，欧洲和美国的各种车载破碎锤纷纷面世，如Atlas Copco、Rammer、Montabert、Indeco等。.80年代，韩国的破碎锤也继日本之后有了长足的进步，1986年韩国水山重工推出了液压破碎锤，韩国相继出现了很多品牌。

破碎锤的冲击能量的来源还是由以下3种方式提供：第一种由液压油提供，例如Rammer和Montabert；第二种由气压提供，例如日本的破碎锤；第三种也是效果最好的，由液压、气压混合提供，一般液压占25％、气压占75％，如Atlas Copco公司设计、生产的破碎锤。但所有的破碎锤活塞回到原位的力完全是由液压提供。目前液压破碎锤已经被广泛应用于公路再建、市政拆除、矿山、采石、隧道、水下作业等工程建设领域。

..本文所研究的液压破碎锤是在单斗反铲型液压挖掘机上改装的，将液压挖掘机上的铲斗改装成液压锤。因此总体结构包括动力装置、工作装置、回转机构、操纵机构、传动系统、行走机构和辅助设备等。常用的全回转式液压挖掘机的动力装置、传动系统的主要部分、回转机构、辅助设备和驾驶室等都安装在可回转的平台上，通常称为上部转台。因此又可将液压破碎锤概括成工作装置、上部转台和行走机构等三部分。.

二、工作装置设计方法

1． 工作装置传统设计方法

我国工程机械发展与国外相比相对较晚、较慢，技术水平整体较低。工作装置的传统设计方法在设计历史中起到了主要作用。对于工作装置的设计方面国内外研究的情况大致是：

(1) 图解设计法；(2) 基于平移性的作图法；(3)解析法；(4) 综合图解设计法；(5) 优化设计方法，以上设计方法基本上遵循一般连杆机构的位置综合原则，侧重考虑工作装置的平移性。对它的工作装置伸缩性与平移性，平移性与自动放平性，动力性与自动放平性之间的矛盾关系未能综合分析，只是满足单个性能的要求，无法达到全局最优。总之，这些方法都是基于二维平面上进行的。对于工作装置干涉问题、运动学、动力学等问题不可能很好的解决，也不可能直观的表现出来。

近年来随着计算机技术的发展，在工作装置设计上出现了基于虚拟样机技术的工作装置设计。例如吉林工业大学、大连理工大学和洛阳拖拉机厂等利用虚拟样机技术不但研究了工作装置的运动学、动力学特性，而且对其进行了优化设计，但是它们不是对模型进行了大量的简化，就是只局限于对刚体情况下工作装置虚拟样机的研究。

本论文是在全面分析液压破碎锤工作装置的基础上，建立工作装置的虚拟样机模型，在虚拟环境下模拟物理样机的运动状况，快速分析各种设计方案，进行辅助设计、参数化设计和优化设计，帮助设计人员完成以前需经数次物理样机才能完成的实验研究。

2． CAX技术及其软件

由文献可知，CAX技术是虚拟样机技术的基础技术平台。一般意义的CAX技术主要指CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ等，限于篇幅，本文主要阐述CAD/CAE技术及其软件。

目前，工程设计中常用的CAD软件有二维和三维软件之分。其中三维造型软件比较知名的有Pro/ENGINEER，UG，Solid works，I-DEAS，CATIA，CIMATRON等。各个三维CAD软件当前的最新版本是Pro/ENGINEER wildfire2.0，UG NX4.0，Solid works 2006，I-DEAS NX V11，CATIA V5，CIMATRON E6.0等等。

本文将采用Pro/ENGINEER wildfire软件完成液压破碎锤工作装置的建模与装配，建立工作装置的虚拟样机并进行不同作业工况下的动态模拟。

所谓CAE即Computer Aided Engineering（计算机辅助工程）是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与过程优化设计、强度与寿命评估、运动及动力学仿真。工程数值分析用来分析确定产品的性能；结构与过程优化设计用来保证产品功能、工艺过程的基础上，使产品、工艺过程的性能最优；结构强度与寿命评估用来评估产品的精度设计是否可行，可靠性如何以及使用寿命为多少；运动及动力学仿真用来对CAD建模完成的虚拟样机进行运动学仿真和动力学仿真。从过程化、实用化技术发展的角度看，CAE的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动及动力学仿真技术。

目前工程实际中应用较多的CAE软件有ANSYS、MATLAB、ADAMS、ALGOR等。各个软件的最新版本是ANSYS 8.0、MATLAB 8.5、ADAMS 2005、ALGOR V17等。

本文采用MSC.ADAMS软件进行液压破碎锤工作装置虚拟样机的仿真研究。

3． 多体动力学理论

多体系统动力学包括多刚体动力学和多柔体系统动力学，是研究多体系统（一般由若干柔性和刚性物体相互连接所组成）运动规律的科学[17]。

多体系统动力学的核心问题是建模和求解问题，其系统研究开始于20世纪60年代。从60年代到80年代，侧重于多刚体系统的研究，主要是研究多刚体系统的自动建模和数值求解；到了80年代中期，多刚体系统动力学的研究已经取得一系列成果，尤其是建模理论趋于成熟，但更稳定、更有效的数值求解方法仍然是研究的热点；80年代之后，多体系统动力学的研究更偏重于多柔体系统动力学，这个领域也正式被称为计算多体系统动力学，它至今仍然是力学研究中最有活力的分支之一，但已经远远地超过一般力学的涵义。多体系统动力学的根本目的是应用计算机技术进行复杂机械系统的动力学分析与仿真。

三、 液压破碎锤工作装置的研究体系

1． 液压破碎锤工作装置虚拟样机的构建流程

本文液压破碎锤工作装置虚拟样机的建立主导思想是：根据液压破碎锤工作装置的试制图纸，在Pro/ENGINEER中进行三维实体建模，通过虚拟装配，建立工作装置的三维模型，然后添加适当的约束以及驱动，使之成为一个虚拟机构。其构建流程如图2-1所示。

图2-1虚拟样机的构建流程

2． 液压破碎锤工作装置的研究体系

篇（2）

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2016）51-0089-02

一、前言

随着科技的快速发展，世界经济已由原来的卖方市场转化为买方市场。现代企业要在激烈的市场竞争中占有一席之地，必须解决TQCSE难题，即以快速交货T（Time）、高质量Q（Quality）、低成本C（Cost）、优质服务S（Service）和保护环境E（Environment）来满足不同客户的需求，快速响应市场需求。

虚拟样机技术是20世纪80年展起来的现代设计方法，是以虚拟样机模型代替物理样机，在计算机模拟物理样机的运行。近年来，虚拟样机技术飞速发展，现已成为机械专业方向研究生以上层次人才的必修课程。用户可以利用ADAMS软件或使用其他三维软件建立虚拟样机模型后，导入ADAMS软件，通过添加各种约束、驱动或接触力进行动态仿真，模拟物理样机的运行。通过ADAMS强大的后处理功能生成各种曲线、动画等，进而了解设计的复杂机械运动性能，为物理样机的试制提供理论依据。在大学本科教学中开展ADAMS的教学工作，采用ADAMS多体动力学仿真软件对机械原理中各种机构进行三维运动仿真后验证机构设计的合理性，观察主要机构的运动轨迹、运动速度、加速度等数据变化情况，可以使学生更好地理解机械原理、机械设计中的相关机构运动原理，在进行毕业设计时，能运用ADAMS软件对其所设计的各种机构进行验证，培养和提高学生的设计分析能力，为毕业后能尽快适应专业技术工作打下良好的基础。

二、面向产业需求，开设专业导论课程

机械设计制造及其自动化专业是桂林理工大学机械工程与控制工程学院重点发展的优势和核心专业。每年大学新生入学时，都需要进行专业导论课程教育。为了将一些现代设计方法及理论传授给新生，面向装备制造业的发展需求，教师在讲授专业导论的相关内容时，会将历年学生所做的优秀仿真作品进行动画演示。为了进一步加深学生对虚拟样机技术的理解，相关教师还会组织学生参观桂林市内在虚拟仿真技术使用较多、较为成功的行业领头企业，如桂林大宇客车有限公司、桂林橡胶机械厂等大型企业。企业工程师会结合行业特点，将一些典型案例采用虚拟仿真技术进行现场演示，极大地激发学生学习虚拟样机的兴趣，为后续课程的学习打下良好的专业基础。

三、学习ADAMS动力学仿真软件，贯穿专业课程教学过程

我校机械专业在专业基础课的教学中，利用ADAMS软件三维建模技术、形象的动画展示功能以及强大的后处理功能，将机械原理课程中一些常用机构，如平面四杆机构、凸轮机构、齿轮机构的组成和运动情况进行动态仿真，弥补学生实践经验不足带来的问题。此外，学生在学习过程中还可以了解到现代设计方法高效、快捷的特点，并从中感受到ADAMS软件在机械系统设计中的魅力。以凸轮设计为例，教师讲授凸轮廓线的传统设计方法通常是图解法和解析法。传统的图解法作图过程烦琐、精度不高；解析法虽能获得很高精度，但须花费大量的时间与精力建立精确的数学模型及编制计算程序。显然，上述两种方法都存在难以实际操作的缺点，使得学生很难真正理解。通过ADAMS，则可以直接模拟凸轮的实际运动状态，设计简单、直观，还可以使凸轮运动起来。通过ADAMS的强大的后处理功能，可测量出从动件的运动规律与给定运动规律的拟合程度，图1是采用直接法设计凸轮的全过程。现代设计方法的引入，可让学生体会到先进设计技术的优越性，提高学生的学习积极性。

四、利用ADAMS搭建虚拟仿真实验平台

为加深学生对枯燥无味的理论知识的理解，提高学生的工程实践能力、动手能力和创新能力，实验教学活动提供了一个真实直观、可以动手操作的平台。工程技术人员利用虚拟仿真技术，可以在虚拟环境中模拟真实的机器运行，观测各构件的相互运动及受力情况，不断调整设计方案后进行仿真试验，对整个系统进行优化，直到获得较为满意的优化设计方案以后再投入人力和物力制造物理样机，从而大幅降低新产品的开发费用，提高产品开发效率及缩短产品的研发生产周期。为了进一步提高学生学习ADAMS的积极性，如在大学生科技竞赛、创新大赛、机器人大赛、学院组织的ADAMS大赛等一系列竞赛活动中，在指导教师的指导下，在计算机上利用ADAMS动力学仿真软件对机构的运动轨迹、速度变化规律、加速度变化规律及受力分析等做一个前期试验，并在虚拟试验的基础上对整个系统进行优化后再加工出物理样机进行相应的实验。利用ADAMS强大的后处理功能，将实验数据导入计算机中，与计算机仿真得到的结果进行对比分析，找出实验数据、理论数值和仿真结果之间的差距，改进虚拟样机模型或调整实验方案，并对一些优秀作品给予物质奖励。通过上述一系列活动，可加深学生对常用机械机构的构造和运动原理的掌握，提高分析问题和解决问题的能力。

五、熟练使用ADAMS仿真软件，提高毕业设计质量

毕业设计是学生即将结束大学学习生涯的最后在校学习环节，是对大学四年所学的基础知识、专业知识的一次全面检验。在毕业设计的过程中，学生将机械原理、机械设计、力学和数学等相关知识综合运用于设计过程中，经过毕I设计的磨炼，他们的工程实践能力、分析问题和解决问题的能力有了提高，学校的办学水平和人才的培养能力也得到了提升。毕业设计是学生即将走上新工作岗位的一个重要过渡。为了进一步提高学生使用ADAMS软件的能力，根据学生毕业设计课题选题实际情况，教师可在学生的毕业设计论文中增加ADAMS虚拟仿真分析技术，提升毕业论文的档次。

W生在开始进行毕业设计的初期，可在指导教师的指导下查阅相关文献，运用已掌握的相关专业知识，通过原理构思进行初步设计后，利用相关软件建立一个粗略的虚拟样机模型，利用ADAMS软件对方案进行动态仿真，将机构的运动轨迹、速度（角速度）、加速度（角加速度）或机构运动过程中所受的力（力矩）与理论计算值进行比较，通过对仿真结果和理论值的比较，找出问题的症结，对模型或理论分析进行修正，并再次进行仿真。之后，在仿真的基础上，对各设计参数进行优化并确定最终方案，最后采用三维CAD软件对模型进行进一步的细化，导出二维图纸。通过这样一个设计、仿真、分析的过程，较为真实地模拟了机械新产品开发的全过程，学生按照这个模式进行毕业设计，其设计能力和毕业设计质量可以有较大提高，为即将走上工作岗位打下良好基础。

六、结束语

虚拟样机技术在现代产品设计中不断地体现了优越性。为提升学生的工程实践能力和综合素质，通过专业导论课程教育、创新大赛、专业学习和毕业设计等一系列活动，可将ADAMS仿真技术融入系列的教学活动中，让学生在学习机械专业理论知识的同时，能熟练使用ADAMS软件解决一些具体工程实际问题。并在毕业设计过程中使用ADAMS模拟机械新产品开发的全过程，使学生的设计能力和毕业设计质量有了较大提高，增强就业核心竞争力。

参考文献：

[1]郭卫东.Adams的教学探索与实践[J].计算机辅助工程，2013，5，22（增刊1）：439-444.

[2]刘晓敏，赵云伟.ADAMS软件实践教学方法研究[J].高教学刊，2015，（16）：165-167.

Application of ADAMS in Practice-Teaching Reform of Mechanical Professional

SHEN Zhong-hua1，2，CHEN Jing1，2

篇（3）

关键词：某型火炮；虚拟样机；建立；可信性验证

Key words: a certain type of artillery；virtual prototype；establish；verification of the credibility

中图分类号：E2 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）35-0036-02

0引言

火炮的反后坐装置被称为火炮的“心脏”，目前火炮在实际使用过程中，由于测试手段的局限性，而且进行实弹射击危险性较大，不能很好的判断反后坐装置工作是否正常。我们利用虚拟样机技术对火炮反后坐装置的工作性能进行评估，通过仿真试验结果，来检验虚拟样机的可信性。

1虚拟样机的建立过程

我们在Pro/E的环境中按照火炮各体的实际尺寸和动力学特性进行实体建模。对组成火炮系统的各体施加约束力。在此基础上，将实体模型转换成ADAMS环境下的具有动力学参数的实体模型[1,2]。Pro/ENGINEER是由美国PTC（参数技术）公司研发的的三维建模软件广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航空航天、家电、玩具等行业，是一个全方位的3D产品开发软件[3]。ADAMS是一个动力学分析软件，它能更好地解决复杂系统的动态指标参数[4,5]，按照美国MDI公司开发的通用动力学仿真软件ADAMS和美国PTC公司的CAD软件Pro/E作为基本建模工具，两者之间的接口采用MDI公司开发的ADAMS与专用接口模块Mechanism/Pro（简记为M/Pro）建模的过程如图1。

本系统需要运用ADAMS作为辅助，结合Fortran语言编制仿真模型的用户自定义程序。在ADAMS环境下获得可以仿真火炮动态特性的虚拟样机模型。具体模型如（图2、3、4）：

2虚拟样机可信性验证

由于火炮实弹射击试验具有一定的危险性，因此需要专门的试验场地和多方面的人力保障，而且在试验过程中需要通过特殊的测试手段、运用专门的仪器设备才能对火炮的各种参数进行测试，以致于试验成本较高。建立火炮虚拟样机的过程，是一个不断建模――验模――再建模的过程，对于任何仿真试验结果都应进行试验验证，以检验其仿真结果的可信度。由于受经费、场地和测试手段等诸多因素的制约，我们选用某型火炮的定型试验报告提供的火炮测试参数的相关数据和图表曲线，来考核和检验虚拟样机仿真输出结果的准确性。火炮进行定型试验是为了全面检验和考核火炮的战术、技术指标和安全性，通常要对火炮射击时的各主要状态参数进行综合性测试，而且为保证测试数据的准确性，通常对火炮某一测试项目要进行多次试验反复测试，所以试验测试数据既有单发射击的图表曲线，又有多发射击试验数据的统计平均结果，因此运用火炮设计定型试验的数据结果可以对所建立的火炮虚拟样机进行更充分、更全面的考核和验证。

现代火炮采用了反后坐装置后，其炮身通过反后坐装置（驻退机和复进机）与炮架弹性相连，火药气体作用于炮身产生的腔内压力Pp t通过驻退机和复进机进行缓冲，因此炮架的受力由原来的炮膛合力Pp t变为反后坐装置提供的后坐阻力R。实践证明反后坐装置的应用使得炮架实际受力仅为炮膛合力最大值Pptm的几十分之一。反后坐装置的作用如此重要而常常被称为火炮的“心脏”，为此反后坐装置内的各相关动态参数已成为衡量火炮动态性能的重要指标。通常火炮的分析计算和试验测试也都重点考核这些指标参数，所以本文也以这些指标来考核虚拟样机的准确性。

2.1 反后坐装置的作用①可以极大地减小火炮射击时的受力；②将全炮的后坐运动变为可控制的炮身沿炮身轴线的后坐运动，并使其射击后自动恢复到射前位置。

2.2 反后坐装置的动作原理火炮射击时，后坐部分的后坐阻力主要由反后坐装置所提供。反后坐装置不同于一般的缓冲阻尼器系统，它实际上是一个结构复杂的缓冲阻尼装置，通过改变流液漏口的面积改变后坐阻力，使其满足一定规律而达到有效控制后坐运动和受力的目的。后坐开始时，驻退机内液体在工作腔分流为两股液流，一股经节制杆与节制环之间的环形漏口流向非工作腔，另一股由驻退杆内壁与节制杆之间的环形通道，经调速筒流入内腔。由于驻退杆不断抽出，驻退机外腔的液流在活塞压强作用下分别流向驻退机非工作腔和内腔。为保证火炮在整个后坐行程上全程制动，驻退机内腔始终充满液体，其压强p2>0。在对驻退机进行试验测试时，主要测试驻退杆外腔和内腔的压强，针对复进机的测试也主要测试其腔内气体压强。

后坐部分复进时，驻退机内腔压强p2>0，内腔液体在其作用下流回外腔。由于真空的存在，驻退机非工作腔在复进开始一段距离内压强为零，只有内腔液体存在压强，复进时驻退机内腔的压强对反后坐装置的影响也很大，在试验鉴定时也作为一个测试项目。复进机的作用是在后坐过程中提供后坐阻力和在复进过程中提供复进动力。在后坐开始时，复进机腔内气体压强不为零，之后随后坐行程增加而逐渐增大，至后坐终止时腔内气体压强达到最大，在复进时其腔内气体压强与后坐时一致。因此，测试复进机内气体压强时只对后坐时的情况进行测试。

2.3 虚拟样机仿真数据的可信性分析反后坐装置使火炮由刚性后坐变为弹性后坐，并贮存后坐能量，使后坐部分在后坐终止后可以转为复进。反后坐装置之所以称为“火炮的心脏”，是由于该装置的可靠性将直接影响整个火炮工作性能，甚至使整个火炮丧失工作能力。因此，在火炮设计定型试验时，将反后坐装置作为试验测试的重点，针对反后坐装置的测试项目，主要包括驻退机内外腔压强、复进机腔内压强、后坐速度和复进速度等，进而通过求得最大后坐阻力，来检验反后坐装置的功能是否满足给定的指标要求。综上所述，利用定型试验数据验证所建火炮虚拟样机的真实性是可行的。

2.4 虚拟样机仿真数据与定型试验数据对比本文选择对某型火炮的仿真结果与试验数据结果进行对比验证，各项目的试验测试曲线如图5所示，其中：p1为后坐时驻退机外腔压强；p2为后坐时驻退机内腔压强；p′2为复进时驻退机内腔压强；v为后坐速度；v′为复进速度；pΠ为后坐时复进机腔内气体压强；R为后坐阻力；t为后坐时间；t′复进时间。本文选择与定型试验一致的试验条件，充分利用并对照定型试验的测试项目，对各测试项目进行虚拟样机仿真。火炮射击初始条件为0°射角、全装药、底盘着地射击，驻退机和复进机中的有关数据来源于火炮设计说明书，各结构尺寸存在一定公差范围，本文均采用其标称尺寸。

2.5 由数据对比表得出结论

2.5.1 复进机压强是后坐位移的函数，其值基本与试验数据相符；

2.5.2 后坐和复进速度、后坐阻力值及变化趋势与仿真曲线基本相符；

2.5.3 对于后坐时内腔的压强，利用伯努利方程可以求得内、外腔压强和液体流速的关系：p1-p2V（1）

其中，p1为外腔压强，p2为内腔压强，其它符号含义见文献[6]。

由式（1）可知，驻退机内腔压强与外腔压强的基本趋势一致，随着后坐速度降低，二者压强差别逐渐变小。

2.5.4 驻退机的内、外腔压强在出现峰值的时机与仿真数据曲线有所不同，导致结果不同的原因可能是在虚拟样机仿真时，虽然我们在制作各部件的时候采用的尺寸数据为标称值，但是实际加工的部件存在一定的误差，从数据结果看，制作的节制杆直径有一定误差，导致流液口面积的变化。对于复进时内腔的压强，真空消失过程不是一个突变的过程，而是一个渐近的过程，因此在非工作腔产生一定的压强，然而理论上认为复进真空消失之前，非工作腔不提供压强，从而导致在复进开始段仿真得到的压强值稍大。

虚拟样机仿真曲线与试验测试数据相比虽有一定误差，但基本与试验数据相吻合。宏观而言，后坐和复进速度的基本趋势与试验数据一致，最大后坐阻力基本规律一致，说明了所建虚拟样机的正确性，利用该虚拟样机对火炮宏观动力学特性进行研究是可信的，所建虚拟样机模型是满足工程上应用的。

参考文献：

[1]杜中华．基于ADAMS的某型炮闩系统动力学仿真研究[D]．石家庄：军械工程学院硕士学位论文，2001.

[2]杜中华，薛德庆，赵迎红．Pro/E和ADAMS传递过程中若干问题的讨论[J]．机械与电子，2003, (2): 68-70.

[3]刘竹清．Pro/E Wildfire入门与提高实用教程[M]．北京：中国铁道出版社，2003.

篇（4）

1、引言

    机械产品全寿命设计是衡量产品设计水平先进与否的重要指标，现代设计过程迫切需要通过工程分析手段预测产品的结构可靠性。近年来研究人员试图将虚拟设计思想更多地融人到复杂机械产品的结构可靠性设计中，借助工程分析软件对计算机中虚拟的产品样机进行应力分布、疲劳寿命和可靠性设计等，大大提高了可靠性设计水平。

    利用国外先进有限元软件丰富的试验数据，应用项目组成员进行的42crmo硬齿面齿轮的弯曲疲劳可靠性试验及资料，提出该硬齿面齿轮的结构可靠性虚拟疲劳设计方法，由虚拟零部件疲劳工作的情况快捷地得到应力一寿命(s一n)曲线，推知其疲劳寿命大样本，以供可靠性分析设计使用。

    2、结构可靠性虚拟疲劳设计方法

    2.1结构可靠性虚拟疲劳设计软件

    进行产品零部件结构可靠性虚拟疲劳设计首先需要构造产品虚拟样机，目前国内外比较成熟实用的样机几何造型cad软件有autocad, pro/e等，同时还有可以进行各种系统仿真分析的多体运动学、动力学软件adams, simpack等。

    目前国际知名的通用有限元工程分析软件大多可完成对产品结构进行应力分析、疲劳寿命测试及寿命概率分析的功能，目前见长的软件有ansys,msc/fatigue, msc/nastran，考虑虚拟环境的cfx及fluent。近年来，样机的运动、动力学及疲劳分析技术正处于逐渐深人和系统化阶段，但有许多重要内容要填补，如虚拟环境的融入、几何造型、动力学、疲劳分析技术的集成及开放式。

    2.2疲劳寿命预测方法

    多年来人们发展了各种疲劳寿命预测方法，其中名义应力寿命法(s-n法)、局部应变法(e-n法)与基于断裂力学理论的疲劳裂纹扩展寿命方法，已成为三种经典的疲劳寿命预测方法。

    (1)名义应力寿命法(s-n法)

    名义应力寿命法通常称为总寿命法。该方法用于构件总寿命的预测，是以材料或零部件的疲劳寿命曲线为基础的。该方法可以考虑构件表面加工和表面处理对其疲劳寿命的影响，也可以考虑构件焊缝的疲劳寿命，适用于低应力高周疲劳问题。

    (2)局部应变法(e-n法)

    局部应变寿命法通常称为裂纹萌生法。该方法用于预测构件的裂纹萌生寿命。它应用了材料的“记忆特性”，计人了名义应力无法计及的载荷循环顺序的影响，使寿命估算结果更接近实际情况，适用于高应变低周疲劳问题。

    (3)疲劳裂纹扩展寿命方法

    基于断裂力学理论的疲劳裂纹扩展寿命方法主要用于预测构件从裂纹产生到发生破坏的疲劳寿命。该方法结合模拟材料微观结构变形的数值方法，是数值模拟断裂的主要发展方向之一。

    3、在硬齿面齿轮弯曲疲劳试验中的应用

    根据项目要求对42crmo材质的硬齿面齿轮进行了弯曲疲劳可靠性全寿命试验，试验在机械部机械科学研究院英国产instron1603型电磁谐振疲劳试验机上进行。采用4级应力水平，即作4组不同应力的轮齿全寿命大样本试验，得到了硬齿面齿轮定寿命下的r-s-n曲线(见图4中实线部分)。本文以此试验为研究基础，进行42crmo硬齿面齿轮的结构可靠性虚拟疲劳设计和试验，得到了虚拟试验的各应力水平下疲劳寿命数据，即s-n曲线。

    3.1三维几何造型设计

    三维cad软件为构造精准的零部件虚拟几何造型设计打下软件基础。42crmo硬齿面齿轮是斜齿圆柱齿轮按渐开线形成的，为从齿轮的造型机理开始就严格遵循渐开线齿面生成和加工机理，应用三维虚拟造型软件mdi公司的adams能在几何形体上展成曲面和使曲面扭曲变形的功能，开发出以法平面标准渐开线齿形为基准的斜齿模拟加工过程。

    3.2疲劳载荷谱分析

    载荷谱是有限寿命设计的依据之一。因此，掌握载荷谱的变化规律是进行寿命设计的先决条件。通常，载荷谱是由现场数据采集并经数据处理与统计分析获得。现场采集的载荷时间历程具有很大的随机性，并且因现场各种因素如开关信号、电磁干扰等影响，会造成原始信号记录失真，出现伪信号。齿轮结构所承受的疲劳载荷，实际上是一连续的随机过程，借助动力学分析软件adams平台，可直接给出机械构件在整个装置工作过程中的疲劳载荷谱f-t曲线(见图2)，以此作为理论分析和结构可靠性虚拟疲劳设计的基础。

    3.3有限元分析软件中的应力分析

    建立一对轮齿的有限元模型并进行网格划分，模型主要为六节点五面体单元，单元总数为63359个，节点总数为15213个。这样有利于单元自动生成，有利于提高计算精度。有限元计算中，齿轮材料的弹性模量为4. 6 x 107mpa，波松比为0.3。

    由有限元法(fem)分析计算出随机动载荷谱下轮齿在啮合过程中最大动应力齿轮的位置、数值及周期。

    3.4基于断裂力学的疲劳裂纹寿命预测

    断裂力学是在承认裂纹存在的前提下进行疲劳强度计算(即微裂纹形成忽略)，失效判据是裂纹扩展到临界尺寸时发生疲劳断裂，应力强度因子幅度可用以下关系表示

   对裂纹半长a的积分求出裂纹扩展的应力循环次数，即疲劳寿命。计算n时，应力强度因子幅}k、裂纹初始半长a1、裂纹半长极限值a2由式(1)计出。其中:c为与材料有关的系数，a为几何效应因子，山为复应力变化范围。

    3.5虚拟试验结果分析

    以实作齿轮试验的4级应力水平作虚拟疲劳试验，求得各应力水平下的疲劳寿命数据，这样可用最小二乘法得出待试验材料齿轮的s一n曲线。

    图4虚线部分为42crmo材料齿轮采用上述虚拟技术所作的s一n曲线，试验中取5个寿命水平n= 0.5 x 1护，1.0 x 1护，1.5 x 1护，2.0 x 1护，2.5 x 1护的应力分布。与图4中实线部分的实作齿轮试验s一n曲线对比可知，虚拟试验得到的s一n曲线与实际齿轮高可靠度下的s一n曲线比较接近，有一定的参考价值。

4、结语

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中图分类号：U415.52+1 文献标识码：A 文章编号：

根据对目前压实度检测系统的研究，要实现振动压路机对压实度的实时检测技术一般需要利用压路机振动轮的某一动态响应值来间接反映路基压实度的变化。此次仿真研究的目的就是利用虚拟样机技术模拟垂直振动压路机的振动压实试验，测量振动轮在碾压代表不同压实度路基模型时的垂直振动加速度幅值，为建立路基压实度和振动轮加速度幅值之间的对应关系提供数据支持。

1 垂直振动压实技术的特点

（1）垂直振动压路机的振动轮在激振机构的带动下产生的垂直方向上的定向振动，对被压实材料不会产生水平方向上的干扰力。垂直振动压路机施工过程中不会在振动轮的行驶方向上产出拥土，道路的表面没有松散层和裂纹出现，因此避免了传统振动压实之后还需要使用静碾压路机进行碾压的施工环节，施工效率在同等条件下提高了 3 倍。

（2）垂直振动压实之后，得到的铺层材料压实度均匀，质量稳定，密封性好。垂直振动还能够确保沥青和骨料混合物具有更好的均匀性和良好的道路表面粗糙度。

（3）垂直振动压路机适用于各种压实材料及工况，广泛应用于砂土、土石填方、沥青混合料以及水泥混凝土的混合料，其作业时的击实能量沿道路的表面垂直向下传递，具有很小的道路表面波动，因此施工过程中对周围的环境影响较小，具有一定的环保意义。

2垂直振动压实仿真的理论分析

垂直振动压路机压实路基数学模型的建立是基于以下假设的：

（1）振动压路机的减振系统和随振的压实材料被认为是弹簧—阻尼单元，而且弹簧--阻尼认为是没有质量的；

（2）假设垂直振动压路机的振动轮和所有相关的机架均为刚性体，而且将它们看成是具有一定质量的集中质量块；

垂直振动压路机在高频低幅或者低频高幅下进行工作时，其它机械参数是不变的，只有路基材料的结构和物理性质发生变化，从振动轮垂直振动加速度的推导结果也可以看出压路机在工作时振动轮的垂直加速度和代表压实材料的刚度和阻尼有关。

振动轮在压实过程中的动力学响应与被压实材料的压实度有着紧密的联系，振动轮在垂直方向的振动加速度响应和压实材料的刚度正相关，与阻尼负相关。随着压实度的增加，代表压实材料的刚度增大，阻尼减小，因此垂直振动压路机振动轮的垂直振动加速度和压实度是正相关的，而且这种规律具有普遍性不因为被压实材料的改变而不同。因此，在ADAMS 利用虚拟样机模拟振动压实试验，以测量振动轮垂直振动加速度的基频幅值来反映压实材料的压实度是可行的。

3垂直振动压路机的压实仿真模拟

在垂直振动压路机的施工过程中，压实材料的物理特性是不断变化的，而在仿真环境下压实材料的这种变化是通过材料本构模型物理参数的改变来描述的。振动压实系统动力学模型中的刚度和阻尼只是压实材料的模拟参数，其数值是大都是通过经验来确定，不能通过土工试验来测定，在描述压实材料的物理性能上存在很多的不足。而在 ANSYS 中以本构模型为理论基础建立起的路基仿真模型更接近于路基真实的物理性能。

通过改变路基材料在不同压实度下本构模型中物理参数的值建立起同种路基材料的不同仿真模型，构成多组振动压实仿真模型模拟实际的振动压实试验。每一组模型完成一次仿真之后即可获得在不同压实度下的振动轮垂直振动加速度，通过幅频变换得到其在基频下的加速度幅值。垂直振动压路机的虚拟样机工作参数为振幅 2mm，激振频率为 29Hz，行走速度为 3km/s。某路基材料不同压实度下本构模型的基本物理参数如表 1 所示。

表1 路基材料的基本物理参数

利用 ADAMS/View 的后处理模块采集垂直振动压路机的虚拟样机在碾压压实度为67%的路基模型时振动轮的垂直振动加速度信号波形如图 1~图 2 所示。

图 1 碾压压实度为 67%的路基模型时振动轮垂直振动加速度信号

图 2振动轮垂直振动加速度信号的频谱图

从振动轮加速度信号的波形图可以看出：随着路基模型压实度的不断增加，振动轮的垂直振动加速度信号的幅值也在不断增大，这与理论分析和相关文献的论述是相符合的；从图 5-8 振动轮垂直振动加速度信号的频谱图可知读取振动轮振动的基频为 29Hz，这与振动轮的激振频率是一致的，说明 ADAMS/View的后处理模块能对虚拟振动压实的振动信号进行准确的采集，所建立的仿真系统也是可行的，采集的仿真数据具有一定的研究价值。

4 垂直振动压路机的路基压实状态分析

垂直振动压路机在代表不同压实度的路基模型上进行振动碾压时其振动轮将会有不同垂直振动加速度响应。表2为垂直振动压路机虚拟样机在碾压不同压实度路基模型时获取的振动轮垂直振动加速度信号在基频下的响应幅值。利用基频下振动轮垂直振动加速度的幅值对路基模型的压实度进行标定50，从而实现利用振动轮的动态响应来反推路基压实度的目的。

表2 不同压实度下振动轮垂直振动加速度的幅值

图6 为振动轮的垂直振动加速度和路基压实度之间的对应关系，振动轮垂直振动加速度在基频下的幅值和路基压实度之间通过数据拟合建立起的线性关系式为：

Y=2.617x-65.821；R2=0.9731 （1）

式中：y—路基压实度；x—振动轮垂直振动加速度幅值；R—相关系数。

这种检测方法实现了对路基压实度更全面的检测，能够更好的控制施工质量，随时发现被压实路段存在的缺陷，避免了人工检测工作量大和测点不足容易出现漏检的问题。

5结束语

论文实现了垂直振动压路机压实路基的仿真过程，测得了振动压路机的振动轮在碾压不同压实度的路基模型时在垂直方向上的振动加速度，并根据数学模型计算的结论建立起了振动轮垂直振动加速度和路基模型压实度之间的线性关系式，为建立振动轮动态响应和路基压实度之间的关系提供了一种仿真方法。

参考文献

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中图分类号：X922.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0172-01

一、虚拟样机技术简介和AOAMS软件功能分析

利用虚拟样机技术可代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，缩短开发周期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。虚拟样机技术的发展有赖于以下几项技术的发展和进步。

（一）智能技术

CAD技术的出现是产品设计历史上的一个里程碑，它在很大程度上缩短了产品设计的周期，减少了设计人员的工作量，但现有的CAD技术注重于外形细节设计行为，却忽略了产品概念信息的描述，实际上，设计人员总是先考虑产品的功能，然后才设计出产品的外形。因此，对虚拟样机技术来说，产品描述应是超越几何性的。由于虚拟样机技术对概念设计的要求，智能设计技术需要将用于概念设计的分析工具（如有限元分析，快速成型等）、计算机辅助概念设计和CAD技术有机的集成起来，支持产品几何定形前的功能规划和计算，通过分析这种幕后的功能计算，虚拟样机系统指导设计者怎样将几何形状转化为易于装配的，满足功能要求的、具有合适工艺的设计图形。

（二）并行工程

并行工程是集成各种技术，并行设计产品及相关过程的一种系统方法，同步实现设计、分析评估、制造、装配、核算和管理，它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品整个生命周期的所有因素（质量，成本，工艺，结构，性能等），且要求实现计算机网络环境下的协同工作。

（三）仿真工程

对于虚拟样机系统来说，必须有一套能很有效支持可制造性分析的产品、工艺和生产系统模型，产品模型必须能够管理与制造加工有关的数据（如形位公差等）；工艺模型包括统计分析，计算机工艺仿真，制造数据库和制造规则库等；生产系统模型包括系统生产能力和生产特性的描述及系统动态行为和特性的描述，虚拟样机系统需要对上述模型进行数字化仿真和可视化，以对产品设计、工艺设计进行评估和优化。

（四）网络技术

在网络上进行分布式设计与制造是虚拟企业的生产方式。利用分布式设计与制造，可以实时的决定合作厂家，实现异地产品设计和制造，不仅节约了时间，而且由于分布节点之间的关系建立在一种全面合作和开放式体系的基础上，所以有利于设计、规划和处理问题。

二、旋转秋千虚拟样机模型的建立

（一）旋转秋千虚拟样机模型的建立原则

在ADAMS建模之前，必须对实际的旋转秋千样机模型进行简化。这样不但可以节省大量的建模时间。也可以保证ADAMS的仿真分析过程能够顺利进行。同时，由于ADAMS在进行运动学、动力学分析时，只考虑零件的质心和质量，对零件的外部形状不予考虑，因此在模型中精确地描述出复杂的零件外形，并没有多大的实际意义。当然零件形状描述得越准确，ADAMS自动求算的零件质量和质心的位置也就越精确。前面我们说过，建立复杂的模型并不是ADAMS的特长，如果模型的外形很复杂，又想得到比较准确的质量和质心，可以在其他的三维软件中建立好，然后通过ADAMS/Exchange导入ADAMS中，这些三维软件有pro/EUG等。这里建立模型遵循以下原则：首先，根据运动副对模型进行简化，各个零件之间的运动副要表示清楚。其次，在不影响视觉效果的前提下，模型的外形应尽量简化。最后，多个零件固接时，可以只用一个零件表示。以节省运动副数量。因为运动链越长，计算误差越大。

（二）底盘、立柱和顶盘模型的建立

由于旋转秋千的实体中底盘、立柱和顶盘这几部分经简化后结构比较简单，因此可以用ADAMS提供的基本建模工具进行建模。为方便起见，我们这样设置坐标系，x-Z平面代表水平地面，铅锤高度方向用y表示。旋转秋千实体中几个主要部分的模型尺寸：底盘：R=2.Om，L=0.5m立柱：R=0.5m，L=10.Om顶盘：R=5.0m，L=0.5m由于底盘、立柱和顶盘这三个主要部件经简化后为圆柱结构，因此可以采用ADMAS/View基本形体图库中的圆柱体（Cylinder）命令直接建立。为保证将来数据更为直观，将底盘的底面圆心坐标设置在（0.0，-0.5。0.0）点。将三部分模型外观建立好之后，应该对模型施加必要的约束，使模型按照实际的情况连接。按照旋转秋千的结构，需要做以下三处约束：1、底盘与地面。实际情况中底盘一般都是一部分在地面以下，另一部分伸出地面。这里我们在底盘与地面之间施加一个固定副（Fixed），将二者固定在一起，这样就限制它们之间所有的旋转自由度和移动自由度。2、立柱与谁盘：立柱主要起到支撑整个装置的作用，它与底盘也是相对固定的，因此也采用固定副连接。3、顶盘与立柱。顶盘是整个装置的旋转部分，它是在电机的驱动下以立柱为回转轴进行回转的，因此它与立柱之间要设置铰接副。铰接副限制了2个旋转自由度和3个移动自由度，这样保证了顶盘只能在x-Z平面内作回转运动。

（三）钢丝绳索模型的建立

1、钢丝绳索的建模思想

钢丝绳索的建模是旋转秋千建模的主要难点之一。钢丝绳索可以承受较大的拉力，抗弯能力很弱，具有较大的柔性，在工作过程中，钢丝绳索一直在不停的运动，产生较大的变形。为了能够反映绳索的动态响应和柔性，可以将钢丝绳索用很多相互连接的圆柱单元来表示。单元长度取决于运算规模的限制和相应的动态频率。通过合理设计单元之间的连接关系，等效仿真钢丝绳索。在本课题的分析中，在顶盘圆周上均布了12根绳索。根据装置的整体尺寸和立柱的高度，每根绳索为9m。因此我们将圆柱单元的长度取为0.3m，半径取为0，OO5m，总共设置了360个圆柱单元。经过比较，圆柱单元采用球铰模型进行连接。图 1-1中这种球铰连接模型约束了x-Y-z三个方向的移动自由度，使两个单元在连接处没有相对位移。由此可知，这种连接模型忽略了钢丝绳索受力后的拉伸变形；另外，它具有三个转动自由度，连接的两个单元可以在X、Y、Z方向产生自由的相对旋转，以实现绳索较大柔性弯曲和扭转变形的效果

2、宏命令简介

宏，简单来说，就是用户自己生成的一个命令。用户可以按照ADAMS八1ew的命令格式来编写宏，AADMS/View像处理其他命令一样处理宏，您可以在命令窗口中执行宏，也可以在宏中使用其它的宏，或在用户自己的用户化菜单、对话窗和按钮中调用宏。在宏中用户可以使用参数。这有助于用户在每次调用宏时加上数据，宏在执行时自动进行替换。三、自定义钢丝绳索宏命令由于钢丝绳索模型中总共设置了360个圆柱单元。为了便于建立模型和修改模型，我们采用自定义宏命令的方法来建立模型。该模型的钢丝绳索宏命令子程序具有一定的通用性。只要根据要求对此程序进行简单的修改，就可以应用在其他种类的钢丝绳索模型的建立。

三、结语

综上所述，运用虚拟样机技术，可以大大简化机械系统的设计分析过程，大幅度缩短实北京化工大学硕士学位论文验研究周期，大量减少研究开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统及性能，获得最优化和创新的设计产品，并且有足够的分析精度，对于大型游乐设施的设计与优化具有明显的促进作用。

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关键词：机械设计；CAD技术

1CAD技术的发展

CAD(ComputerAidedDesign)是计算机辅助设计的英文缩写，是利用计算机强大的图形处理能力和数值计算能力，辅助工程技术人员进行工程或产品的设计与分析，达到理想的目的，并取得创新成果的一种技术。自1950年计算机辅助设计（CAD）技术诞生以来，已广泛地应用于机械、电子、建筑、化工、航空航天以及能源交通等领域，产品的设计效率飞速地提高。现已将计算机辅助制造技术（Com-puterAidedManufacturing，CAM）和产品数据管理技术（ProductDataManagement，PDM）及计算机集成制造系统（ComputerItegratedmanufacturingsystem，CIMS）集于一体。

产品设计是决定产品命运的研究，也是最重要的环节，产品的设计工作决定着产品75%的成本。目前，CAD系统已由最初的仅具数值计算和图形处理功能的CAD系统发展成为结合人工智能技术的智能CAD系统（ICAD）(IntelligentCAD)。21世纪，ICAD技术将具备新的特征和发展方向，以提高新时代制造业对市场变化和小批量、多品种要求的迅速响应能力。

以智能CAD（ICAD）为代表的现代设计技术、智能活动是由设计专家系统完成。这种系统能够模拟某一领域内专家设计的过程，采用单一知识领域的符号推理技术，解决单一领域内的特定问题。该系统把人工智能技术和优化、有限元、计算机绘图等技术结合起来，尽可能多地使计算机参与方案决策、性能分析等常规设计过程，借助计算机的支持，设计效率有了大大地提高。

2三维CAD技术在机械设计中的优点

通过实际应用三维CAD系统软件,笔者体会到三维CAD系统软件比二维CAD在机械设计过程中具有更大的优势,具体表现在以下几点:

2.1零件设计更加方便

使用三维CAD系统,可以装配环境中设计新零件,也可以利用相邻零件的位置及形状来设计新零件,既方便又快捷,避免了单独设计零件导致装配的失败。资源查找器中的零件回放还可以把零件造型的过程通过动画演示出来,使人一目了然。

2.2装配零件更加直观

在装配过程中,资源查找器中的装配路径查找器记录了零件之间的装配关系,若装配不正确即予以显示,另外,零件还可以隐藏,在隐藏了外部零件的时候,可清楚地看到内部的装配结构。整个机器装配模型完成后还能进行运动演示,对于有一定运动行程要求的,可检验行程是否达到要求,及时对设计进行更改,避免了产品生产后才发现需要修改甚至报废。

2.3缩短了机械设计周期

采用三维CAD技术,机械设计时间缩短了近1/3,大幅度地提高了设计和生产效率。在用三维CAD系统进行新机械的开发设计时,只需对其中部分零部件进行重新设计和制造,而大部分零部件的设计都将继承以往的信息,使机械设计的效率提高了3~5倍。同时,三维CAD系统具有高度变型设计能力,能够通过快速重构,得到一种全新的机械产品。

2.4提高机械产品的技术含量和质量

由于机械产品与信息技术相融合,同时采用CADCIMS组织生产,机械产品设计有了新发展。三维CAD技术采用先进的设计方法,如优化、有限元受力分析、产品的虚拟设计、运动方针和优化设计等,保证了产品的设计质量。同时,大型企业数控加工手段完善,再采用CAD/CAPP/CAM进行机械零件加工,一致性很好,保证了产品的质量。

3CAD技术在机械设计中的应用

3.1零件与装配图的实体生成

3.1.1零件的实体建模。CAD的三维建模方法有三种,即线框模型、表面模型和实体模型。在许多具有实体建模功能的CAD软件中,都有一些基本体系。如在AutoCAD的三维实体造型模块中,系统提供了六种基本体系,即立方体、球体、圆柱体、圆锥体、环状体和楔形体。对简单的零件,可通过对其进行结构分析,将其分解成若干基本体,对基本体进行三维实体造型,之后再对其进行交、并、差等布尔运算,便可得出零件的三维实体模型。

对于有些复杂的零件,往往难以分解成若干个基本体,使组合或分解后产生的基本体过多,导致成型困难。所以,仅有基本体系还不能完全满足机器零件三维实体造型的要求。为此,可在二维几何元素构造中先定义零件的截面轮廓,然后在三维实体造型中通过拉伸或旋转得到新的“基本体”,进而通过交、并、差等得到所需要零件的三维实体造型。

3.1.2实体装配图的生成。在零件实体构造完成后,利用机器运动分析过程中的资料,在运动的某一位置,按各零件所在的坐标进行“装配”,这一过程可用CAD软件的三维编辑功能实现。

3.2模具CAD/CAM的集成制造

随着科学技术的不断发展,制造行业的生产技术不断提高,从普通机床到数控机床和加工中心,从人工设计和制图到CAD/CAM/CAE,制造业正向数字化和计算机化方向发展。同时,模具CAD/CAM技术、模具激光快速成型技术(RPM)等,几乎覆盖了整个现代制造技术。

一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的。如三维绘图、图形编辑、曲面造型、仿真模拟、数控加工、有限元分析、动态显示等。这些模块应以工程数据库为基础,进行统一管理,而实体造型是工程数据的主要来源之一。

3.3机械CAE软件的应用

机械CAE系统的主要功能是:工程数值分析、结构优化设计、强度设计评价与寿命预估、动力学/运动学仿真等。CAD技术在解决造型问题后,才能由CAE解决设计的合理性、强度、刚度、寿命、材料、结构合理性、运动特性、干涉、碰撞问题和动态特性等。

4CAD前沿技术与发展趋势

4.1图形交互技术

CAD软件是产品创新的工具,务求易学好用,得心应手。一个友好的、智能化的工作环境可以开拓设计师的思路，解放大脑，让他把精力集中到创造性的工作中。因此,智能化图标菜单、“拖放式”造型、动态导航器等一系列人性化的功能，为设计师提供了方便。此外，笔输入法草图识别、语言识别和特征手势建模等新技术也正在研究之中。

4.2智能CAD技术

CAD/CAM系统应用逐步深入,逐渐提出智能化需求.设计是一个含有高度智能的人类创造性活动。智能CAD/CAM是发展的必然方向。智能设计在运用知识化、信息化的基础上，建立基于知识的设计仓库,及时准确地向设计师提品开发所需的知识和帮助,智能地支持设计人员，同时捕获和理解设计人员意图、自动检测失误，回答问题、提出建议方案等。并具有推理功能,使设计新手也能做出好的设计来,现代设计的核心是创新设计,人们正试图把创新技法和人工智能技术相结合应用到CAD技术中,用智能设计、智能制造系统去创造性指导解决新产品、新工程和新系统的设计制造,这样才能使我们的产品、工程和系统有创造性。

4.3虚拟现实技术

虚拟现实技术在CAD中已开始应用,设计人员在虚拟世界中创造新产品,可以从人机工程学角度检查设计效果,可直接操作模拟对象,检验操作是否舒适、方便,及早发现产品结构空间布局中的干涉和运动机构的碰撞等问题,及早看到新产品的外形,从多方面评价所设计的产品.虚拟产品建模就是指建立产品虚拟原理或虚拟样机的过程.虚拟制造用虚拟原型取代物理原型进行加工、测试、仿真和分析,以评价其性能,可制造性、可装配性、可维护性和成本、外观等,基于虚拟样机的试验仿真分析,可以在真实产品制造之前发现并解决问题,从而降低产品成本.虚拟制造、虚拟工厂、动态企业联盟将成为CAD技术在电子商务时代继续发展的一个重要方向.另外,随着协同技术、网络技术、概念设计面向产品的整个生命周期设计理论和技术的成熟和发展,利用基于网络的CAD/CAPP/CAM/PDM/ERP集成技术,实现真正的全数字化设计和制造,已成为机械设计制造业的发展趋势。

参考文献

[1]黄森彬主编.机械设计基础.高等教育出版社.

[2]荣涵锐.新编机械设计CAD技术基础〔M〕.北京:机械工业出版社,2002.

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随着计算机信息科学的飞速发展，尤其是本世纪在计算机图形学技术、高性能图形系统和虚拟现实方面的诞生了不少的研究成果，维修过程在获得实物样机或原型机之前就可以开始进行。产品设计和开发的模式也随之发生了变化。DELMIA、Jack等计算机辅助设计软件和技术的广泛应用，可以辅助设计人员完成包含数字样机、虚拟维修人员和虚拟维修工具的虚拟维修操作流程仿真。在设计阶段即开展对设计方案和设计布局的数字仿真，可以避免实物原型的制作，节约了从设计到定型的时间，提高了设计效率，从而降低了开发成本；前期开展的虚拟维修工程评价工作，在一定程度上优化了设计方案和设计布局，因此可以避免不合理的设计，减少给后续维修工作造成的不便。

维修操作空间定量评价方法

维修是一种需要人参与的活动，适当的维修空间将提高维修效率和维修人员的舒适程度。这一节的主要内容是确定适当的维修操作空间的大小。

在设计产品时，适当的操作空间的具体尺寸需要依据维修人员的身体尺寸和操作姿态来确定。因此维修操作空间应考虑维修人员的影响因素，如实体可达性。人的上肢可以接触到的空间范围分为最佳范围、正常范围和最大范围。人体上肢的作业范围是一个三维空间，维修人员的最大操作空间和舒适度随着操作高度、手臂延伸线与人体中线的夹角角度的改变而发生变化。为了便于分析人体上肢的操作范围，建立数学模型描述人体各部分的尺寸和相对位置。

软件工具设计和案例探究

CATIA是法达索公司（Dassault Systemes）与IBM公司（International Business Machines Corporation国际商业机器公司）联合开发的一款CAD/CAE/CAM软件，主要为客户提品外形设计、机械零件设计、配合结构设计、组装、数控加工等功能，并提供大量的标准尺寸零件模型，使得企业可以缩短开发周期，快速迭代设计方案，对市场需求做出敏捷的反应。CATIA是目前应用最广泛数字样机设计开发软件之一，应用范围涵盖等航空航天、建筑、船舶、汽车、铁路等多个领域。DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application）是法国达索（Dassault Systemes）公司生产的一款数字化企业的互动制造应用软件，是PLM（Product Life Management）系列产品之一。该软件与CATIA互为补充，呈现上下游关系，共同贯穿产品的设计周期。利用CATIA制作数字样机后，可在DELMIA中进行物流过程分析、维修、装配、工艺规划、与机器人配合等多种功能的虚拟演示和模拟，是一个面向设计、制造、维护、人机过程的“数字化工厂”仿真平台。便于用户检查设计方案的缺陷和漏洞，及时更改设计方案，降低研发成本，缩短研发时间，实现快速上市的目的。DELMIA中含有一个Human Task Simulation模块，包含虚拟人模型、人体动作模型、维修工具等内容，用于模拟人机交互过程，实现虚拟维修、虚拟拆卸、虚拟装配等功能，也是本研究中重点使用的模块，包含本研究中所需要的大部分数据。本研究基于CATIA与DELMIA现有的软件功能和数据库进行二次开发，研究目标是在客户已经完成产品设计和数字样机的制作的情况下，根据已制作好的虚拟维修仿真动画，针对产品的维修操作空间的完成定量评估。

软件的二次开发是在现有软件产品的基础上，对软件功能进行延伸和扩展，或实现和其他软件的对接并实现数据的交换和传输。二次开发一般针对某一类特定的用户，通过添加更个性化、专业化的功能和模块，使得软件功能更具有针对性，用户的需求得以实现，工作效率得以提高。DELMIA为不开源的软件，为实现二次开发必须利用软件开发商为用户专门准备的二次开发接口。为灵活地满足不同客户的需要，DELMIA提供了多种二次开发的接口：一是CAD格式接口，方便客户加载在CAD环境下设计的数字样机，实现模型结构、尺寸、颜色渲染等数据的导入导出；二是知识工程，这是DELMIA的一个专门模块，知识工程利用参数化定义的方法对人体模型和基础动作单元进行了建模，建立一个标准模型库，用户可以通过关键参数调用标准模型库中的模块，从而实现快速建模，完成设计任务；三是采用自动化对象编程的接口Automation API（Application Programming Interface），能够实现宏指令的编写，或利用宏与VB开发语言（Visual Basic）相结合编写简易程序；四是开放的基于构件的应用编程接口CAA（Component Application Architecture，应用组件架构），这是DELMIA的一套C++函数库，这一接口主要用于与C++开发语言链接，方便客户使用C++编写所需程序，用户可通过快速应用研发环境RADE（Rapid Application Development Environment）和不同的API（Application Programming Interface）接口完成从DELMIA数据库中调取数据到C++程序中的过程。

该案例为针对拆卸某型号大型客机APU上六角螺母的维修空间定量评估。目的是利用所提出的方法和开发的软件工具，对维修操作空间进行定量评价，以展示方法的灵活性和有效性以及软件的可用性和可靠性。该大型客机APU的虚拟维修操作动画截图如图1所示。该大型客机APU上有12颗六角螺母，选取123号螺母作为典型案例，三颗螺母的位置如图2所示。

这三颗螺母中，显然3号周围的障碍物少，对扳手的使用影响较少，同时位置较低，距离肩膀较近，手臂只需微微向上伸出即可接触到，因而上肢舒适度较高。该螺母周围的空间无需定量评估，定性评估即可确定等级为优秀。1号螺母虽然位置很高，但是周围的障碍物少，手部可达到1200旋转。2号螺母位置较高且周围障碍物较多，维修人员手部只能达到600旋转。本案例中选取2号螺母进行分析。

第一步打开程序，连接虚拟环境，选定虚拟人并连接。第二步选定关键帧，抓取扳手之后，选取手部携工具接近、旋转卸下六角螺母、手部携工具离开这三帧内容。第三步系统提示选取第一帧的维修活动单元类型，为平移，此时软件自动计算第一帧的扫掠舒适度PV、上肢舒适度r和该帧总舒适度s，x=0，y=0，z=1，但不在界面中显示。第四步系统提示选取第二帧的维修活动单元类型，为旋转，如图3所示，此后软件自动计算第一帧的扫掠舒适度Pv、上肢舒适度r和该帧总舒适度s，x=0，y=1，z=1，但不在界面中显示。第五步系统提示选取第三帧的维修活动单元类型，为平移，此时软件自动计算第三帧的扫掠舒适度Pv、上肢舒适度r和该帧总舒适度s，x=0，y=1，z=2，但不在界面中显示。第六步系统自动根据已有的x、y、z，计算s的评价标准，（0.8x+0.75y+0.9z）为优秀阈值，（0 5x+0.25y+0.7z）为差阈值，该部分不在界面中显示。第七步系统输出三帧中每一帧的s值，并与s的优秀阈值和差阈值比较，给出空间评价结论。该案例中具体数据截图如图4所示。得出结论该部分操作空间维修性差，必须加以改进。

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在现代战争中，水域作战是海洋军队的一块重要领域。在作战中，经常遇到水障碍，目前通过水障碍的方法有很多，例如，在河上建立一座桥梁，或者浮渡，或者直接涉水过河等。其中浮渡是最有效的一种方式，通过浮渡，机械化部队不需要花费太多时间成本和财物成本，甚至不需要考虑气候条件，时间因素等。

作为浮渡的主要工具---水陆两栖车辆，因其具有不可预测性与灵活性，作战时，在一定程度上能起到决定性的作用。因此，在抢滩登陆战中越来越受到广泛的关注。近些年，很多国家都在研究水陆两栖车辆，研究如何将水陆两栖车辆更有效地投入到战斗中使用。

目前，大多数水陆两栖车在进入水中之后，轮胎悬挂在车底下，受到水的阻力，从而限制了两栖车在水中的行驶速度。因此，如何消减轮胎对行驶速度的影响，成为水陆两栖车辆的一大核心研究问题。针对这个问题，此论文设计了一个能将轮胎收回的机构。从而减少轮胎悬挂时对行进速度的影响。

一、水陆两栖汽车轮胎收回机构的结构形式及其工作原理

如图1.1所示，图中43处连接轮胎，连接差速器6 把动力通过动力输出装置7传给转动轴10，然后带动轮胎旋转。动力源通过管29传递到液压缸28，液压缸28通过杆27将转动传递到主传动轴26，主传动轴26两端分别连接杆27及下支杆12，下支杆12一端通过销钉连接到车体2上，另一端通过销钉与支架16底端相连，支架16上端通过销钉20与上支杆11相连，上支架11通过销钉22与车体2相连。[1，2]

因此，当液压缸输出动力通过主传动轴26带动上下支杆将支架16抬起。从而起到把轮胎收回的目的。

为便于分析，先简化模型，根据立体模型，利用ADAMS软件创建一个同等功能的平面模型，以点5为原点，液压缸初始位是竖直的，起到抬起作用的主要部件是支架2、上支杆3、下支杆8 及液压缸4，之后添加约束，创建变量点。如图1.2所示。由于变量点一要与液压缸4保持竖直，所以其X值固定为-250。

车体参数：车重1500KG，载重 500KG，轮胎抬起高度500～700mm， 轮胎最高处倾斜角度450～600。

二、两栖汽车轮胎收回机构的优化设计及分析

对模型进行运动学仿真分析，主要进行抬起试验仿真。进行抬起试验验证所建立的模型是否正确并进行优化设计。根据仿真分析，得到最优化的尺寸。在本设计中，我们所要得到的是液压缸所承受的最小力量，所以，测量部件就为液压缸。设置好后利用ADAMS软件进行模拟仿真，当仿真结束之后，能得出每一次仿真的受力曲线图，如图2.1所示，同时会得出一个列表，在该列表中能清晰反应出每次仿真时的最大受力及每个变量点的值，如图2.2所示

该表也会综合比较出所有仿真值中的最大值及最小值及各值所在的仿真次序。在此轮仿真中，最小受力是在第25次仿真中得出的，其值是3316.4N。查询数据可知第25次仿真时各数值如下：

力值： 3316.4；DV_1： -126.00；DV_2： -270.00；DV_3： 165.00； DV_4： -517.00； DV_5： 81.000。

所以，取在第25次仿真得到的数值，即取变量点一的坐标为（-250，-126）；变量点二的坐标为（-270，165）；变量点三的坐标为（-517，81）。最终确定的结构系统如图2.3

三、液压缸的计算与选择

计算液压缸的主要结构尺寸

液压缸主要设计参数见图3.1，a为液压缸活塞杆工作在受压状态，b为活塞杆工作在受拉状态。

液压缸的缸筒内径D是根据负载大小和选定的工作压力，或运动速度和输入的流量，经过计算之后，再从GB/T 2348―1993（见表3.1）标准中选取最近的标准值而得出D为63mm合适。

一般，液压缸在受压状态下工作，其活塞面积为

A1=（F+ P2A2）/P1

运用上式须事先确定A1与A2的关系，或是活塞杆直径d与活塞直径D的关系，这个可按表3.2来选取d/D。再按表3.3圆整。

本设计选择的工作压力P=1.2MPa

即D=63mm d=32mm

液压缸的行程则由上章中可知为 L=70-（-126）=196 mm

计算液压缸工作时所需流量Q

Q=v×A=v×πD2/4=0.01×3.14×0.0632/4=0.0000312m3=31.2 ml

综上，可选用型号为HSJ-63/32200 最大压力为1.2MPa的液压缸。[3，4]

结论与展望

如今虚拟样机技术在主要的工业领域（通用机械、汽车、航空、机械电子等）得到了广泛的运用，它融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统开发模式，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，以缩短产品开发周期，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要的能力。

本文仿真研究结果表明，运用虚拟样机技术对水陆两栖汽车轮胎收回机构进行动力学仿真分析可以很好的将机构的各种工况较为真实的反映出来，是一种可行的分析手段，同时也证明使用该项技术为水陆两栖车的设计和实验提供较重要的参考数据，可以大大缩短整机系统的设计周期，节约研制经费。

但是由于水陆两栖车是处于一种新型的产品，虽然在德国有了这种产品，但由于所有真实数据尚处于军事机密当中，该设计只是通过几张实物照片及专利文献来进行模仿研究设计，因此，本文可能会存在一些不足之处，期望有同行校正。

参考文献

[1] Alan Timothy Gibbs， London（GB） ”Amphibious Vehicle，” U.S.，US7027851B1[P]，2007.

[2] Alan Timothy Gibbs， London（GB） ”Amphibious Vehicle，” U.S.，US7214112B2[P]，2007.

篇（10）

0 引言

虚拟现实 vr (virtual reality)是一种高度逼真的模拟人在 自然 环境 中的视 、听、动等行为 的人机界面。 简单地说，是一种可 以创建和体验虚拟世界的 计算 机系统。虚拟现实技术是 20世纪末兴起的一 门新的综合性信息技术 ，它融合了计算机图形学、多媒体技术 、人工智能、人机接口技术 、数字图像处理 、 网络 技术 、传感器技术及高度并行的实时计算等技术，它不仅指那些戴着头盔和手套的技术，而且还包括一切与之有关的具有 自然模拟、逼真体验的技术和方法 ，它的根本目标就是达到真实体验和基于 自然技能的人机交互。

工业设计是建立在 科学 技术基础之上 ，以赋予工业产品 艺术 性为目的的一项感性思维和理性思维相互融合的工作。工业设计的程序有具体的方法和整体的战略进行指导和支持，不同国家、不同时期面对不同的设计对象时，工业设计的程序与方法也是各不相同，大体上有以下几种：创新设计法 、人机工程学法 、形态组构法 、系统设计方法 、caid方法 、价值工程与价值创新法、设计管理法等  。将虚拟现实技术引入工业设计中，在设计的各个阶段利用虚拟数字模型方便快速地进行各种调查和试验，可以取得适用面更广、更接近真实状态的试验数据。同时，建立在实验基础上的产品设计工作将更具科学性和客观性，给工业设计的方法论 以新的理念。

1 虚拟现实技术在国内外研究的现状

1．1 国外的研究情况

随着虚拟技术的不断成熟与 发展 ，一些发达国家已经在很多领域 中应用了虚拟设计 ，也成立了许多与虚拟技术相关的实验室、课题组，其中著名的有美 国贝卡罗来那大学(unc)的计算机系 ，其主要的研究课题是物理建模与仿真项目和建筑漫游项 目，此外还有美 国的密歇根大学虚拟现实实验室，主要研究 vr在轿车车身设计中的应用以及虚拟现实技术在产品开发中的应用。瑞士苏黎士理工大学计算机图形实验室主要的研究课题包括动画与虚拟平台、协同虚拟环境 (collaborative virturalenvironment)等。美国宇航局(nasa)的ames研究中心利用流行的液晶现实技术和其它零部件研制出了虚拟飞行器，弥补了飞行模拟器成本过高的不足。美国麦道飞机公司采用沉浸式的虚拟现实系统进行新型号发动机的辅助设计。

1．2 国内的研究现状

相对于国外虚拟设计的发展。国内虚拟技术的研究和应用还比较落后。自20世纪 80年代 vr技术开始起步以来，至今我国在 vr的基础图形技术领域 已经具备了坚实的基础。据不完全统计，目前全国已有 34家科研机构、高等院校和 企业 正在开展虚拟制造技术的研究、开发及初步的示范应用工作 ，有 4家企业参与了这种新的探索，其主要的研究内容包括：① 产品的虚拟设计；② 热加工工艺模拟；③加工过程、装配过程的仿真；④ 虚拟轴机床和虚拟量仪的研制和开发；⑤虚拟企业。总体来看，我国虚拟制造技术的研究多数 是在原先的cad／cam 及仿真技术的基础上进行，而系统 、全面的虚拟制造技术的研究尚未开展，还很少能将成熟的虚拟技术应用到实际开发中，尤其在产品的创新设计中，虚拟技术还未发挥出它应有的作用，应用水平远落后于发达国家。由此来看，我国重视产品设计水平的提升，将虚拟技术应用到设计领域已成为当前国内产品开发的重要环节。

2 基于虚拟现实技术的工业设计方法

2．1 创新设计法

创新是工业设计 的灵魂所在。当代社会 经济 条件下 ，市场产品没有创新就犹如失去了灵魂，很难在竞争对手如林的市场上取得优胜。在当今全新 的经济背景下，设计创新将引导消费、把握机遇，成为决定产品生命力的重要条件之一，以思维创新、行为创新、方式创新为核心的工业设计将在企业产品开发过程中扮演着举足轻重的角色。如图 1、2所示 ，在传统 的工业设计中，人们一直沿用着平面 图来表达设计思想。即使应用计算 机三维 软件，最终也只能得到某个视角的立体效果图，难以真实完整地表达 出设计者的意图。而基于虚拟现实技术的工业设计方法将 以数字化的三维模型作为设计思想的载体，全面表达设计者的意图。人们可以根据自己的需要任意放大、旋转模型 ，主动索取信息，从而实现工业设 计由 面表达 向体表达 的突破 ，使设计师有更充裕 的时间来考虑设计的细节 问题这无疑对工业设计的方法创新带来了革命性的冲击如图 3所示。

此外 ，虚拟现实技术与网络技术的结合，将可以构建一个全新的开放式设计平台，以三维数字化模型作为设计思想的载体 ，全面表达设计者的意图。打破地域限制，实现用户与设计 、开发人员的良好沟通和互动。

2．2 基于虚拟现实技术的产品人机工程分析

(1)人机工程学参数的采集与分析。传统的人机工程学在参数的采集和分析中存在诸多问题：①采样数量 、测量和数据分析的工作量均很大，且成本高 、周期长；②无法进行动态修订；③缺乏对于企业具体产品的针对性；④参数多为二维模型。若在具体的采集和分析中使用三维扫描技术 (获取静态三维数据 )、 动作捕捉技术 (获取动作特征数据)，即可生成虚拟被试三维动态数字模型 。这些数字模型在被更新前一直可以 “活在”虚拟现实技术平台上，通过对虚拟被试三维动态数字模型的关键点控制 ，实现实时数据的不断更新。 (2)虚拟人机工程设计与评价 。虚拟人机工程设计借助于虚拟样机 (virtual prototype)系统进行设计 ，故也称其为虚拟人机工程学环境。设计人员和不同技术背景的人可以直观地观察到各种虚拟人体三维数字模型的实时情况，精确研究产品的人机工程学参数 ，直接与设计的产品进行交互，并评价产品的性能。

在传统产品设计的人机系统中，人是操作者 ，机器只是被动的反应 ，而在虚拟产 品设计的人机系统中，人成为主动参与者 ，复杂系统中可能有许多参与者共同在以计算机网络系统为基础的虚拟环境中协同工作。在基于人机工程的传统产品设计中，人机分析和评价必须是在产品设计完成后的样机模型中或者在试制的产品中进行．而在基于人机工程的虚拟产品设计中，人机设计分析评价又是在产品设计的过程中可以同时进行，也可与产品使用者进行各种实时的交互。

如图 4所示．基于人机工程的传统产品设计的人机评价是在样品试制后才进行，若人机评价结果达不到要求 ，就需要进行重新设计 和样 品试 制 ，再进行人机评价，这样反复循环指导方能达到要求，这种评价方式既浪费时间又耗费资源。而图 5基于人机工程的虚拟产品设计全过程采用协 同并行式，人机设计 、人机仿真和人机评价实现交互式。不需要样品试制的过程 ，而且和虚拟加工 、虚拟制造形成并行 ，大大 的节省 了时 间和资原，也加快 企业 新产品的开发进程。

2.3形态组构法

有研究表明，“看”是人类五种感觉中最为重要的感觉，因此，形态与色彩在设计中占据着尤为关键的地位。崭新符号的合理创造，依赖于深入观察理解生活与 自然 形态，及随后进行的创造性抽象思维活动。这里需要强调的是，通过对自然的学习、研究、分析，进一步升华创造出富有生命力的形态这一过程，必须遵循 科学 的研究方法与程序[5]。图2所示的电锤，其头部造型形成了电锤强劲的冲击力，而整体的外形设计不仅有传统电锤的风格，更有本款造型个性设计的明显特征；锤前端典型的电锤圆鼓造型构成了锤的共有特征，但也被赋予了更明确的时尚个性，线条形式随锤体轻微向外弯曲，以至前端产生运动感，海鱼般的外形与原有造型相比更是有着大胆的突破，但那正体现了电锤灵活的运动特征。在采用虚拟现实技术进行本产品的造型设计时，设计师借助于freeform系统，依照科学的方法从虚拟立体的观察和人机交互中不断进行深入分析研究，见图6，找出形态变化的一般 规律 ，使其在固有的限定条件下自如地进行联想、抽象与创造，把思维与创造力带入一个“美的自由王国”。

2.4设计管理法

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主要课程：工程力学、机械设计基础、电工与电子技术、微型计算机原理应用、机械工程材料、制造技术基础。主要实践性教学环节：包括军训，金工、电工、电子实习，认识实习，生产实习，社会实践，课程设计，毕业设计(论文)等，一般应安排40周以上。

主要专业实验：现代制造技术综合实验、测试与信息处理实验。

专业选修课：机械动力学、软件工程、网络技术、多媒体技术及应用、数据库原理及应用、机械创新设计、工业机器人基础、机械故障诊断学、文献检索、专业外语、有限元方法、机械优化设计、工艺过程自动化、先进制造技术、特种加工、成组技术与CAPP、智能机械概论、微小机械概论、虚拟样机技术、市场营销学、在线检测与控制、实用控制系统设计、数控机床与编程。

机械设计制造及自动化专业就业前景如何