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序論：在您撰寫虛擬樣機技術論文時，參考他人的優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您的創作熱情，引導您走向新的創作高度。
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.
Key words： virtual prototyping technology；paper statistics；quantitative analysis
中圖分類號：C53 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2013）09-0312-02
0 引言
虛擬樣機技術是上世紀80年代隨著計算機技術的發展而迅速發展起來的一項計算機輔助工程技術。設計人員在計算機上建立能夠反映產品特性的樣機模型，用樣機模型代替物理樣機在各種工況下進行仿真試驗和分析，測試和評估產品的整體性能，進而不斷改進和優化樣機模型的設計，直至獲得最優設計方案后，再制造物理樣機[1]。虛擬樣機技術改變了傳統的產品研發和設計思想，極大地降低了產品研發和設計的技術風險和開發成本，縮短了研發周期，提高了產品性能，加速了新技術向產品轉化的開發、研制與使用過程。進入21世紀以來，虛擬樣機技術及其應用在發達國家已經獲得重大進展，被廣泛地應用于各個不同領域。世界眾多著名的制造公司在生產開發過程中都廣泛采用虛擬樣機技術，設計、裝機、測試都在計算機中模擬完成，保證了產品一次試制成功[2]。虛擬樣機技術的應用，使企業能夠以最低的成本快速推出產品，迅速搶占國際市場，提高了企業的市場競爭力，為企業帶來巨大的經濟效益和社會效益。
本文依托“維普中文科技期刊數據庫”這一平臺，通過對2003～2012年10年期間與虛擬樣機技術相關的期刊論文的檢索，采用論文計量學方法，對虛擬樣機技術的應用研究論文進行統計分析，概括和總結我國虛擬樣機技術的應用研究狀況，以期為虛擬樣機技術今后在我國更廣泛地推廣應用提供參考。
1 數據來源及分析方法
本文以維普中文科技期刊數據庫收錄的期刊論文為統計分析源，以2003～2012年為時間條件，以“全部期刊”為期刊范圍，以“虛擬樣機”為題名或關鍵詞進行全部專業論文的檢索，經過整理匯總，刪除重復論文后共計2508篇。通過EXCEL將整理后的論文數據套錄成數據庫，采用論文計量學方法對論文的發表年份、涉及領域、研究機構以及第一作者等四個方面進行統計分析，概括和總結近10年來我國虛擬樣機技術的應用研究狀況[3]。
2 統計分析結果
2.1 虛擬樣機技術應用研究論文年份統計分析 從圖1和表1可以看出我國虛擬樣機技術應用研究論文數量的增長態勢。2003年至2009年期間，論文數量逐年增加，2004年和2005年，論文數量增加的幅度最大，之后增加幅度在逐年減小，2009年論文數量達到頂峰。這表明，2003年至2009年，我國虛擬樣機技術應用研究發展得比較快，并取得了大量的研究成果。但是，從2010年開始，論文數量較大幅度減少，特別是2012年，論文數量減少到152篇。產生這種現象的原因有可能是近三年對虛擬樣機技術相關的應用研究力度減小，也有可能是相關研究論文的產出以及中國學術期刊庫的收錄有一定時滯性[4]。
2.2 虛擬樣機技術應用研究涉及領域統計分析 筆者對研究主題涉及到我國航空航天、國防軍工、汽車與發動機、工程機械、礦產機械、農業機械、機器人與機械手、教育等領域的論文數量進行統計，結果顯示，我國虛擬樣機技術應用研究涉及各個領域，部分論文同時涉及多個領域，論文涉及領域分布情況見圖2。論文產出居前三位的領域是汽車、工程機械、機器人，這表明，隨著汽車、工程機械、機器人領域近十年來的迅猛發展，虛擬樣機技術應用研究在這些領域中也取得了不斐的成果。
2.3 虛擬樣機技術應用研究機構統計分析 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、企業和大專院校四類研究機構，統計結果見表2。發文數量最多的機構是本科院校，為2145篇，科研院所、企業和大專院校發文數量分別為419篇、368篇、117篇，其中科研院所、企業、大專院校與本科院校作者合著的論文數量分別為280篇、244篇、46篇，本科院校的發文數量遠遠高于其他機構。這充分顯示，本科院校是虛擬樣機技術應用研究的主要機構。
2.4 虛擬樣機技術應用研究論文作者統計分析 根據論文第一作者發文數量的統計結果可知，無作者數據的論文10篇，大部分作者1至2篇，發文數量排列前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技術應用研究的中堅力量。
3 結論與建議
從“中國學術期刊網絡出版總庫”檢索及分析結果可以看出，2003～2012年10年期間，我國虛擬樣機技術應用研究發展迅速，至2009年達到頂峰，近年又逐漸回落；應用研究涉及領域極為廣泛，研究成果比較多的是汽車、工程機械、機器人領域；應用研究的主要機構是本科院校，應用研究的主要群體是本科院校的學者和教師。本文的檢索分析結果不一定能夠全面反映我國虛擬樣機技術應用研究狀況，但從一個側面反映了我國虛擬樣機技術的應用研究機構和群體比較單一。
虛擬樣機技術問世之后，得到許多發達國家制造商的高度重視，立即將這一先進制造技術引入企業的產品開發中，取得了很好的經濟效益。我國是一個制造大國，虛擬樣機技術的應用研究，不應僅在本科院校，不應僅有本科院校的學者和教師，更應廣泛推廣到企業和科研院所，讓廣大企業和科研院所的技術人員參與研究和應用。
面對日益激烈的市場競爭，我國企業應積極主動充分利用虛擬樣機技術，減小產品的技術風險，縮短產品的研發周期，降低產品研發的成本，提高產品的性能，從而增強企業的產品開發能力，提高我國企業在世界制造業中的地位和市場競爭力。此外，虛擬樣機技術的研究專家也應加強向企業推廣虛擬樣機技術，推動這一先進制造技術在我國企業和科研院所的普及和應用。
參考文獻：
[1]郭衛東.虛擬樣機技術與ADAMS應用實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.
[2]熊光楞，李伯虎，柴旭東.虛擬樣機技術[J].系統仿真學報，2001，（1）：114-117.
（①中國75240部隊，潮州 521000；②中國65370部隊，長春 130000；
③中國93593部隊，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練系統通用、共享和跨平臺重用的問題，借鑒IETM的S1000D標準以數據模塊方式組織數據這一思想，構建了基于IETM虛擬維修數據模型。經應用證明，基于IETM的虛擬維修數據模型有利于系統的數據標準化和技術文檔。
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.
關鍵詞 ： 虛擬維修數據模型；交互式電子技術手冊；維修過程
Key words： Virtual Maintenance Data Model；Interactive Electronic Technology Manual；maintenance process
中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：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，主要研究方向為裝備虛擬維修。
0 引言
虛擬維修訓練系統與交互式電子技術手冊（Interactive Electronic Technology Manual, IETM）在裝備知識與維修素材等數據方面基本一致。
本文主要研究如何借鑒IETM的S1000D標準，設計虛擬維修數據模型（Virtual Maintenance Data Model, VMDM），解決虛擬維修訓練系統中數據重用和共享問題。
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的故障診斷和維護保障工作所需要的一組信息包，其中的信息內容和格式均以最優方式進行了組織和編排，以便于最終用戶通過數字屏幕以交互方式使用。當前應用最廣泛的標準當屬美軍標準MIL-PRF-87269和歐洲標準ASD S1000D。
2 基于IETM的虛擬維修訓練系統
S1000D作為IETM在裝備全生命周期保障方面的重要標準，在其標準下制作的交互式電子技術手冊可以存儲大量的裝備保障數據，不僅包括文本、圖標、圖片信息，還包括視頻、音頻等多媒體信息，以及和用戶進行交互的信息。因此借鑒IETM相關標準S1000D設計VMDM層次結構如圖1所示。訓練數據包括了虛擬維修訓練過程數據、虛擬樣機數據和工具設備數據。
2.1 維修過程VMDM 過程VMDM設計如圖2所示，數據標記的具體含義以及其所包含內容的定義如下。
2.1.1 procedural元素 procedural元素是描述整個虛擬維修訓練過程的根元素，由若干個嵌套的子元素和相應的屬性構成，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束的步驟編號endId、進行本次維修訓練的維修操作人員姓名的operatorName以及維修人員編號operatorId，同時描述人員所應該具有的維修水平、技能skillLevel。
2.1.2 step元素 step是具體維修訓練步驟元素，是可以重復、并列的元素，它有四個屬性值：partStateType屬性表示樣機對象子單元的運動屬性，主要包括平移運動、旋轉運動和復合運動三種；stepId表示維修過程中的當前維修步驟編號；name表示當前維修操作的名稱；partname表示本次維修操作的樣機對象單元名稱，該名稱與虛擬維修樣機模型中對該部件的命名一致。
2.2 工具/設備VMDM 工具/設備模型設計如3所示，數據標記的具體含義以及其所包含內容的定義如下。
2.2.1 tool_Equipments tool_Equipments元素是工具/設備數據模型的根元素。
2.2.2 toolList toolList元素用來描述工具/設備，是可以重復的、并列出現的非空元素，具有三個屬性值和一個元素：toolpackageName描述專用工具包的名稱；toolname屬性值為工具設備的名稱；toolId屬性值為工具/設備型號編碼；pic元素描述設備工具的名稱、型號、在工具欄中的布局以及二維圖標文件的存儲路徑等。
2.3 虛擬樣機VMDM 虛擬樣機，根據運動方式，分為平移運動樣機、旋轉運動樣機和復合運動（旋轉＋平移）樣機。本文以復合運動樣機為例，進行介紹。
復合運動樣機單元VMDM設計如圖4所示。
transRotate元素是描述復合運動樣機單元對象信息的根元素，由若干嵌套的Parts子元素構成。Parts元素是可重復、并列出現的非空元素，具有以下屬性：①ID屬性。②PartID屬性。③partname屬性，為相對應樣機單元漢語名稱。相關子元素有endXposition元素、endYposition元素、endZposition元素、attributeToObject以及attachToObject描述的內容與平移樣機信息單元模型中所提及元素的內容相同、類型相同。AxisRotate元素、rotateDegree元素，與旋轉類平移樣機信息單元模型中所提及的內容相同、類型相同。transScale元素描述虛擬維修樣機單元在復合運動過程中平移段的步長。rotateScale元素描述在復合運動過程中的旋轉平移段的步長。length元素描述典型對象單元如螺釘的長度，proportion元素描述旋轉圈數與位移的比例關系。
3 應用驗證
某型復雜裝備虛擬維修訓練系統，基于上述方法建立VMDM，如圖5所示，編輯完成的系統能夠進行，使得系統的推廣使用變得更為方便。
4 結束語
本文參考IETM的S1000D標準對于內容數據模型的組織方法，設計了基于IETM的虛擬維修訓練系統結構框架以及虛擬維修數據模型，并利用XML Schema設計了虛擬維修訓練系統的數據模型，包括維修訓練過程數據模型、工具/設備數據模型、以及樣機對象單元數據模型，并分析了模型中各個元素及屬性的具體描述含義，最后進行了應用驗證。
參考文獻：
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[2]李星新.虛擬維修訓練的模型研究與通用平臺實現[D].石家莊：軍械工程學院博士論文，2010，06.
[3]梁偉杰.裝備IETM全壽命過程建模與實現[D].石家莊：軍械工程學院博士論文，2009，06.
論文關鍵詞：汽車設計，教學改革，探索
1 引言
《汽車設計》是車輛(汽車)工程專業或方向的一門專業核心課程，也是一門實踐性非常強的課程。該課程任務是使學生學會分析和評價汽車及其各總成的結構和性能，合理選擇結構方案及有關參數，并學到一些汽車主要零部件的設計和計算方法和總體設計的一般方法，為從事汽車技術工作打下良好的基礎。然而《汽車設計》課程因為涉及內容廣泛、概念眾多、公式量大，因此采用傳統的教學模式已經不能適應社會需求的發展[1]。目前我校汽車設計課程在教學中存在教學過于理論化，學生對于其理論知識的學習深度不夠，知識難以接受理解。實踐教學相對理論教學滯后，因此有必要對課程教學方法進行改革。
2教學方法改革
2.1多媒體演示教學
將多媒體教學課件引入到汽車設計理論教學中，具有以下幾個優點：①圖文并茂；它既能通過圖形的講解去理解結構的設計原理，又能通過文字對內容的歸納進行理論教學[2]。②信息量大、滿足教學要求；枯燥的理論教學激發不了學生對課程內容的興趣，通過課件可以引入很多實際設計中的知識從而增強學生的學習激情。③三維動畫能清楚反映總成部件的相互運動情況，從而更好地加深學生對知識的理解。如手動變速器的設計教育論文，由于涉及眾多齒輪的設計公式，教師很難講授清楚，學生理解起來也很吃力。通過計算機課件，把變速器的設計過程通過動畫直觀展示，使學生形成清晰的感官認識，對正確理解和掌握知識點發揮了很大的作用，不僅順利完成了難點教學，也使學生體驗到科學的奧妙和技術的強大動力。④通過課件的聲、圖、文字、動畫有機的融合，能激發學生的興趣，使學生能夠集中注意力進行聽課，從而提高課堂教學質量的效果。
2.2 CAD/ CAE/ VPT等先進設計方法引入汽車設計教學中
隨著計算機相關技術的發展,幾何模型的設計從二維轉向三維。在實現CAD/ CAE/ CAM 一體化的過程中,產品的設計、制造、檢測全部實現無紙化,因此在汽車設計的教學中要與時俱進，將現代的設計手段、設計方法引入到汽車設計教學中[3-4]。
在汽車設計的教學中，對于傳統部件的設計，可以采用CAD的設計方法進行教學,教學的重點可以通過使用三維設計軟件進行汽車總成部件的設計。如圖1所示，左圖為變速器設計中所用設計公式的計算小軟件，通過課程教學中的演示學生可以清楚地看出設計的步驟，根據計算后的結果引入CAD設計軟件，最終形成右圖所示的三維總成件，整個變速器的設計清楚可見，同時又通過先進的設計方法使學生掌握了現代汽車設計的相關方法論文格式范文。目前,機械CAD軟件可以實現從概念設計、三維零部件建模到裝配分析等各功能的設計。
圖1 變速器設計實例
CAE設計方法的引入是汽車設計教學中又一個形象的方法。目前汽車制造企業在樣機的制作、實驗和性能評價過程中會充分利用計算機技術進行分析和仿真,這樣無疑可以減少樣機或試制品的制作次數。在三維模型組裝完畢后,可將模型轉化到仿真軟件上進行動態仿真,模擬真實環境進行三維動態和碰撞等的分析,可以發現部件運動以后的問題,還可將關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行分析,及時發現設計的薄弱環節,避免設計缺陷。CAE設計方法引入汽車設計課程教學中,不僅可以提高學生對課本理論知識的理解，更可以使企業實際需求與學生學習相結合，從而引導學生進行更加有針對性的學生。如圖2所示，為轉向節設計的CAE受力分析結果圖，通過改組圖片對比學生可以容易明白轉向節在設計時應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)側滑工況
圖2轉向節設計實例
虛擬樣機技術(VPT)就是在建筑第一臺物理樣機之前，設計師利用計算機技術建立機械系統的數字化模型，進行仿真分析并以圖形方式顯示該系統在真實工程條件下的各種特性，從而修改并得到最優化設計方案的技術。虛擬樣機技術利用虛擬環境在可視化方面的優勢以及可交互式探索虛擬物體的功能教育論文，對產品進行幾何、功能、制造等許多方面交互的建模與分析。它在CAD模型的基礎上，把虛擬技術與仿真方法相結合，為產品的研發提供了一個全新的設計方法。圖3為引入VPT技術形成的車橋差速器仿真模型，通過該模型的運動仿真可以清楚地分析出部件在運動過程中的受力變化情況。
圖3VPT設計實例
只有這樣才能夠提高學生的動手能力，增加學生對汽車設計理論的直接了解，有利于老師和學生之間的互動水平。
2.3 項目教學法引入到汽車設計教學工作中
項目教學法是一種以項目為導向，將理論與實際相結合的先進教學方法[5]。汽車設計課程因為所涉及實際性較強，教師在教學中可以設立相關小的項目。項目教學法便于用在汽車某個總成或部件的設計項目上,如轉向器的設計、麥弗遜式獨立懸架的性能計算、離合器膜片彈簧的優化設計等。通過項目教學進一步鞏固學過的知識，強調學生的動手能力。
3．結束語
綜上所述，通過對汽車設計課程教學方法的改進，按照新的教學改革思路，經過這幾年的摸索，不斷總結經驗，初步取得了較好的成績，學生對于汽車設計課程的教學測評已經連續2年獲得優秀等級，達到了課程的培養目標。
參考文獻：
[1]羅永健.汽車構造課程教學改革的探索與實踐[J]廣西大學學報(自然科學版),2002,(增刊):80 - 82.
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[5]羅云輝．項目教學法在汽車專業的實施與效果[J]中國職業技術教育,2006，(6)：17-19．
關鍵詞：破碎錘的組成；工作裝置傳統設計方法；CAX及軟件；多體動力學理論
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、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步，1986年韓國水山重工推出了液壓破碎錘，韓國相繼出現了很多品牌。
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公司設計、生產的破碎錘。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被廣泛應用于公路再建、市政拆除、礦山、采石、隧道、水下作業等工程建設領域。
..本文所研究的液壓破碎錘是在單斗反鏟型液壓挖掘機上改裝的，將液壓挖掘機上的鏟斗改裝成液壓錘。因此總體結構包括動力裝置、工作裝置、回轉機構、操縱機構、傳動系統、行走機構和輔助設備等。常用的全回轉式液壓挖掘機的動力裝置、傳動系統的主要部分、回轉機構、輔助設備和駕駛室等都安裝在可回轉的平臺上，通常稱為上部轉臺。因此又可將液壓破碎錘概括成工作裝置、上部轉臺和行走機構等三部分。.
二、工作裝置設計方法
1． 工作裝置傳統設計方法
我國工程機械發展與國外相比相對較晚、較慢，技術水平整體較低。工作裝置的傳統設計方法在設計歷史中起到了主要作用。對于工作裝置的設計方面國內外研究的情況大致是：
(1) 圖解設計法；(2) 基于平移性的作圖法；(3)解析法；(4) 綜合圖解設計法；(5) 優化設計方法，以上設計方法基本上遵循一般連桿機構的位置綜合原則，側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系未能綜合分析，只是滿足單個性能的要求，無法達到全局最優。總之，這些方法都是基于二維平面上進行的。對于工作裝置干涉問題、運動學、動力學等問題不可能很好的解決，也不可能直觀的表現出來。
近年來隨著計算機技術的發展，在工作裝置設計上出現了基于虛擬樣機技術的工作裝置設計。例如吉林工業大學、大連理工大學和洛陽拖拉機廠等利用虛擬樣機技術不但研究了工作裝置的運動學、動力學特性，而且對其進行了優化設計，但是它們不是對模型進行了大量的簡化，就是只局限于對剛體情況下工作裝置虛擬樣機的研究。
本論文是在全面分析液壓破碎錘工作裝置的基礎上，建立工作裝置的虛擬樣機模型，在虛擬環境下模擬物理樣機的運動狀況，快速分析各種設計方案，進行輔助設計、參數化設計和優化設計，幫助設計人員完成以前需經數次物理樣機才能完成的實驗研究。
2． CAX技術及其軟件
由文獻可知，CAX技術是虛擬樣機技術的基礎技術平臺。一般意義的CAX技術主要指CAD、CAPP、CAM、CAE、CAQ等，限于篇幅，本文主要闡述CAD/CAE技術及其軟件。
目前，工程設計中常用的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并進行不同作業工況下的動態模擬。
所謂CAE即Computer Aided Engineering（計算機輔助工程）是指工程設計中的分析計算與分析仿真，具體包括工程數值分析、結構與過程優化設計、強度與壽命評估、運動及動力學仿真。工程數值分析用來分析確定產品的性能；結構與過程優化設計用來保證產品功能、工藝過程的基礎上，使產品、工藝過程的性能最優；結構強度與壽命評估用來評估產品的精度設計是否可行，可靠性如何以及使用壽命為多少；運動及動力學仿真用來對CAD建模完成的虛擬樣機進行運動學仿真和動力學仿真。從過程化、實用化技術發展的角度看，CAE的核心技術為有限元技術與虛擬樣機的運動及動力學仿真技術。
目前工程實際中應用較多的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軟件進行液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機的仿真研究。
3． 多體動力學理論
多體系統動力學包括多剛體動力學和多柔體系統動力學，是研究多體系統（一般由若干柔性和剛性物體相互連接所組成）運動規律的科學[17]。
多體系統動力學的核心問題是建模和求解問題，其系統研究開始于20世紀60年代。從60年代到80年代，側重于多剛體系統的研究，主要是研究多剛體系統的自動建模和數值求解；到了80年代中期，多剛體系統動力學的研究已經取得一系列成果，尤其是建模理論趨于成熟，但更穩定、更有效的數值求解方法仍然是研究的熱點；80年代之后，多體系統動力學的研究更偏重于多柔體系統動力學，這個領域也正式被稱為計算多體系統動力學，它至今仍然是力學研究中最有活力的分支之一，但已經遠遠地超過一般力學的涵義。多體系統動力學的根本目的是應用計算機技術進行復雜機械系統的動力學分析與仿真。
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的構建流程
本文液壓破碎錘工作裝置虛擬樣機的建立主導思想是：根據液壓破碎錘工作裝置的試制圖紙，在Pro/ENGINEER中進行三維實體建模，通過虛擬裝配，建立工作裝置的三維模型，然后添加適當的約束以及驅動，使之成為一個虛擬機構。其構建流程如圖2-1所示。
圖2-1虛擬樣機的構建流程
2． 液壓破碎錘工作裝置的研究體系
通過查閱相關文獻，基于以設計為中心的先進制造技術理論，可以得到，液壓破碎錘工作裝置的虛擬樣機研究是一個龐大的系統工程。本文的研究內容―液壓破碎錘工作裝置的虛擬樣機研究只是其中的一部分，只涉及到了工作裝置的運動學分析、動力學分析、結構分析的前處理以及工作裝置虛擬裝配的部分內容。
關鍵詞 虛擬樣機；技術；機械；產品；設計
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，很多企業都對產品的模式進行了更新，其目的是提高產品的效率及收益。隨著社會的發展和經濟水平的提高，競爭也愈發激烈，除了要減少成本以外，還要提高產品的質量和使用價值。
1 什么是虛擬樣機
所謂的虛擬樣機，指的是產品的多領域數字化模型的集合體，它包含了真實產品的所有特點。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品的使用性能和質量。
用這種技術來對機械產品進行設計，對零件、結構、裝配等部分進行分析，使機械產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品設計與建模方法
2.1 利用CAD軟件建模仿真
在對機械產品進行設計的時候，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、質量、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化設計，這些模塊有很多的優點，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，優化整個機械的性能。
2.2 對產品結構件進行分析和仿真
在對機械產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，如果得出的數據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，然后要根據裝配體的情況，來設置接觸選項，最后再根據參數來設計網格，施加載荷，并且求出結果。
3 虛擬樣機技術在機械產品設計中的應用
我國對機械產品的設計經歷了很多個歷程，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，最后才是現在的虛擬樣機技術。筆者總結了虛擬樣機技術在機械產品設計中的應用，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，而且還可以使數據無縫連接，但是建模功能卻不好。我國很早就采用ADAMS軟件應用到農業機械當中，最普遍的是用收割機、深耕機。同時，在不同機械系統工作的參數下，油菜物料在清選袋置中的運動規律也不同。
3.2 ADAMS軟件和造型軟件的聯合仿真
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和控制系統分析軟件的聯合仿真
機械系統和控制系統是現代機械的主要發展方向，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與控制系統的聯合，研制出了彈性軸軸承系統在徑向正弦載荷作用下的動力學特征。在農業機械方面，還研制出了馬鈴薯聯合收獲機輸送臂，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 虛擬樣機技術的優點
4.1 縮短了產品的設計周期
虛擬樣機技術在傳統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，縮短了產品的設計周期。此外，還提高了機械運行的性能。
4.2 降低了產品的開發成本
因為機械設計是一項復雜而系統的工作，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，使得機械產品本身的操作也變得簡單易懂。
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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，在機械產品設計中得到越來越廣泛的應用.通過對機械產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動力學分析軟件，Adams以其公認的優越性被越來越多的工程技術人員和科研人員所應用，在機械系統設計和分析領域發揮重要作用.
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與課程內容融合的整體規劃和實施方案.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典理論，但在工作不會應用，導致理論與應用脫節.
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的分析與設計內容有機結合，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、快速地進行機構創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有機結合的內容和實現方法，進一步探討在研究生階段開設針對學習Adams的“產品設計與虛擬樣機”課程的教學內容、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
由于現代科學技術的發展，機電一體化產品的開發經歷了串、并行開發，到基于虛擬樣機的開發過程。而開發過程中解決多領域協同設計的有效途徑就涉及到了虛擬樣機技術。它的設計開發涉及機械、可視化、協同仿真、數據庫等多個學科領域，它提供一種加快機電一體化產品設計進程新的技術方法和支持環境。
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展起來的，它包含有所有產品的關鍵特征。
它是以一定關系模擬一個動態系統，在一個或多個領域模型上，依賴不同子系統的集成，采用計算機輔助的方法，以達到認識現實或輔助設計的目的。
1.2 虛擬樣機技術的優勢和局限性
在機電一體化產品的設計中，若采用實物驗證的方法的傳統機電產品設計。首先是對產品進行局部設計，加工出物理樣機，再進行調試，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品的開發設計過程與傳統設計步驟相差不大，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，它在產品設計階段，能夠對產品使用、制造、維護等行為進行評估分析，優化產品性能指標，保證設計出來的產品能夠達到制造、使用和維護的要求，并且它的修改直接改變建模的數據即可。因此，虛擬樣機技術的優勢在于：縮短了研發周期、節約研發資本、實現資源共享。
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，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展。而且在對產品進行建模時，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境及關鍵技術
圖1 虛擬樣機支撐環境框架
虛擬樣機的開發和設計當中，在每一個階段都涉及到多個領域的相關技術，比如在產品設計階段就涉及到CAD/CAM/CAE等CAX技術和DFX技術，在產品特性分析階段涉及到機械系統運動學等相關技術，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境來保證這些相關技術的操作和相互之間的數據交流平臺，其所需要的支持環境框圖如圖1②所示
在這些支撐環境中，存在一些關鍵技術，這些關鍵技術的發展情況直接影響著整個支撐環境的發展。比如多領域的協同仿真――“建模-仿真-評估/優化”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同仿真技術等。
1.4 虛擬樣機技術的應用與發展現狀
虛擬仿真技術在美國、德國等一些發達國家早已被廣泛地應用于汽車制造、機械工程、醫學等各個領域，產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化，美國機械動力學公司的機械系統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占據了市場的50 % 以上，其它軟件的還有Folw3D、ANSYS 等等。
國內的企業虛擬樣機技術主要是集成現成的國外軟件應用上，如PRO/E、ADAMS、ANSYS 等，國內企業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有軟件進行二次開發。
2 虛擬樣機的模型建立
2.1 虛擬樣機的設計原理
作為研究動態系統行為的有效方法，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 機電產品的功能模型分析
影響此類機電產品系統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，機電一體化產品包含機械結構，機電接口、運動系統、計算機等多種電子、機械零部件。③
將機電一體化產品劃分為控制子系統、廣義執行機構子系統、檢測子系統、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論。如圖3所示：
圖3 機電系統的三子系統的組成及其關聯
圖4 廣義執行機構建模步驟框圖
2.3 廣義執行機構的建模與求解
廣義執行機構子系統主要包括驅動元件和執行機構兩大部分，它們的建模與求解主要分為幾何建模、物理建模、數學建模、數值求解和結果分析，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借口模塊來實現無縫連接。⑤
物理建模，形成表達系統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（內力）、驅動約束等物理模型要素。
數學建模，由物理模型組裝成系統運動方程中的拉格朗日坐標或笛卡爾坐標建模方法創建各系數矩陣，得到系統數學模型。
2.4 控制子系統的建模與求解
可以利用MATLAB建立控制模型。驅動執行機構的運動通常有開環方式和閉環方式兩種，開環方式是在驅動器與執行末端之間建立約束關聯，執行末端為反向運動學驅動；而閉環方式是以期望參考信號與傳感器探測的數據進行比較從而得到控制信號。連續――離散混合信號處理的運動控制模型就是采用閉環控制方式。
2.5 協同建模
控制實現的多學科協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
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（S-function）或狀態空間（state -space）進行接口變量的聯系，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據文件。
4 小結
虛擬樣機技術為機電一體化產品的設計提供了一個支持環境和新的方法，它與傳統的技術相比，縮短了研發周期、節約研發資本，實現資源共享、提高產品質量，因此它目前廣泛用于汽車制造、航空航天、機械工程、醫學等各個領域。
整個虛擬樣機技術的關鍵是虛擬樣機的仿真和實現，從單個領域的建模仿真到多個領域的協同仿真，從幾何建模到物理建模到數學建模到數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展，另一方面則要求設計者本身具備過硬的專業技術知識以及配置完備的團隊。
參考文獻
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④ 鄒慧君等.機電一體化產品概念設計的基本原理.機械設計與研究，1999.15（3）：14-17.
