时间：2023-03-21 17:13:18
序论：在您撰写虚拟样机技术论文时，参考他人的优秀作品可以开阔视野，小编为您整理的7篇范文，希望这些建议能够激发您的创作热情，引导您走向新的创作高度。
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
中图分类号：C53 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）09-0312-02
0 引言
虚拟样机技术是上世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。设计人员在计算机上建立能够反映产品特性的样机模型，用样机模型代替物理样机在各种工况下进行仿真试验和分析，测试和评估产品的整体性能，进而不断改进和优化样机模型的设计，直至获得最优设计方案后，再制造物理样机[1]。虚拟样机技术改变了传统的产品研发和设计思想，极大地降低了产品研发和设计的技术风险和开发成本，缩短了研发周期，提高了产品性能，加速了新技术向产品转化的开发、研制与使用过程。进入21世纪以来，虚拟样机技术及其应用在发达国家已经获得重大进展，被广泛地应用于各个不同领域。世界众多著名的制造公司在生产开发过程中都广泛采用虚拟样机技术，设计、装机、测试都在计算机中模拟完成，保证了产品一次试制成功[2]。虚拟样机技术的应用，使企业能够以最低的成本快速推出产品，迅速抢占国际市场，提高了企业的市场竞争力，为企业带来巨大的经济效益和社会效益。
本文依托“维普中文科技期刊数据库”这一平台，通过对2003～2012年10年期间与虚拟样机技术相关的期刊论文的检索，采用论文计量学方法，对虚拟样机技术的应用研究论文进行统计分析，概括和总结我国虚拟样机技术的应用研究状况，以期为虚拟样机技术今后在我国更广泛地推广应用提供参考。
1 数据来源及分析方法
本文以维普中文科技期刊数据库收录的期刊论文为统计分析源，以2003～2012年为时间条件，以“全部期刊”为期刊范围，以“虚拟样机”为题名或关键词进行全部专业论文的检索，经过整理汇总，删除重复论文后共计2508篇。通过EXCEL将整理后的论文数据套录成数据库，采用论文计量学方法对论文的发表年份、涉及领域、研究机构以及第一作者等四个方面进行统计分析，概括和总结近10年来我国虚拟样机技术的应用研究状况[3]。
2 统计分析结果
2.1 虚拟样机技术应用研究论文年份统计分析 从图1和表1可以看出我国虚拟样机技术应用研究论文数量的增长态势。2003年至2009年期间，论文数量逐年增加，2004年和2005年，论文数量增加的幅度最大，之后增加幅度在逐年减小，2009年论文数量达到顶峰。这表明，2003年至2009年，我国虚拟样机技术应用研究发展得比较快，并取得了大量的研究成果。但是，从2010年开始，论文数量较大幅度减少，特别是2012年，论文数量减少到152篇。产生这种现象的原因有可能是近三年对虚拟样机技术相关的应用研究力度减小，也有可能是相关研究论文的产出以及中国学术期刊库的收录有一定时滞性[4]。
2.2 虚拟样机技术应用研究涉及领域统计分析 笔者对研究主题涉及到我国航空航天、国防军工、汽车与发动机、工程机械、矿产机械、农业机械、机器人与机械手、教育等领域的论文数量进行统计，结果显示，我国虚拟样机技术应用研究涉及各个领域，部分论文同时涉及多个领域，论文涉及领域分布情况见图2。论文产出居前三位的领域是汽车、工程机械、机器人，这表明，随着汽车、工程机械、机器人领域近十年来的迅猛发展，虚拟样机技术应用研究在这些领域中也取得了不斐的成果。
2.3 虚拟样机技术应用研究机构统计分析 在2508篇论文中，没有署名作者单位的共有23篇。笔者将论文作者的工作单位分为本科院校、科研院所、企业和大专院校四类研究机构，统计结果见表2。发文数量最多的机构是本科院校，为2145篇，科研院所、企业和大专院校发文数量分别为419篇、368篇、117篇，其中科研院所、企业、大专院校与本科院校作者合著的论文数量分别为280篇、244篇、46篇，本科院校的发文数量远远高于其他机构。这充分显示，本科院校是虚拟样机技术应用研究的主要机构。
2.4 虚拟样机技术应用研究论文作者统计分析 根据论文第一作者发文数量的统计结果可知，无作者数据的论文10篇，大部分作者1至2篇，发文数量排列前10位的作者见表3，其中，七位是本科院校的教授或讲师，二位是博士研究生，只有一位是科研院所的高级工程师，由此可见，本科院校的教授和教师是虚拟样机技术应用研究的中坚力量。
3 结论与建议
从“中国学术期刊网络出版总库”检索及分析结果可以看出，2003～2012年10年期间，我国虚拟样机技术应用研究发展迅速，至2009年达到顶峰，近年又逐渐回落；应用研究涉及领域极为广泛，研究成果比较多的是汽车、工程机械、机器人领域；应用研究的主要机构是本科院校，应用研究的主要群体是本科院校的学者和教师。本文的检索分析结果不一定能够全面反映我国虚拟样机技术应用研究状况，但从一个侧面反映了我国虚拟样机技术的应用研究机构和群体比较单一。
虚拟样机技术问世之后，得到许多发达国家制造商的高度重视，立即将这一先进制造技术引入企业的产品开发中，取得了很好的经济效益。我国是一个制造大国，虚拟样机技术的应用研究，不应仅在本科院校，不应仅有本科院校的学者和教师，更应广泛推广到企业和科研院所，让广大企业和科研院所的技术人员参与研究和应用。
面对日益激烈的市场竞争，我国企业应积极主动充分利用虚拟样机技术，减小产品的技术风险，缩短产品的研发周期，降低产品研发的成本，提高产品的性能，从而增强企业的产品开发能力，提高我国企业在世界制造业中的地位和市场竞争力。此外，虚拟样机技术的研究专家也应加强向企业推广虚拟样机技术，推动这一先进制造技术在我国企业和科研院所的普及和应用。
参考文献：
[1]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2003.
[2]熊光楞，李伯虎，柴旭东.虚拟样机技术[J].系统仿真学报，2001，（1）：114-117.
（①中国75240部队，潮州 521000；②中国65370部队，长春 130000；
③中国93593部队，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： 为有效解决虚拟维修训练系统通用、共享和跨平台重用的问题，借鉴IETM的S1000D标准以数据模块方式组织数据这一思想，构建了基于IETM虚拟维修数据模型。经应用证明，基于IETM的虚拟维修数据模型有利于系统的数据标准化和技术文档。
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.
关键词 ： 虚拟维修数据模型；交互式电子技术手册；维修过程
Key words： Virtual Maintenance Data Model；Interactive Electronic Technology Manual；maintenance process
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0230-02
作者简介：石永亮（1986-），男，陕西宝鸡人，助理工程师，主要研究方向为装备虚拟维修。
0 引言
虚拟维修训练系统与交互式电子技术手册（Interactive Electronic Technology Manual, IETM）在装备知识与维修素材等数据方面基本一致。
本文主要研究如何借鉴IETM的S1000D标准，设计虚拟维修数据模型（Virtual Maintenance Data Model, VMDM），解决虚拟维修训练系统中数据重用和共享问题。
1 IETM简介
IETM的概念最先是由美军提出来的，其定义是从事武器装备系统的故障诊断和维护保障工作所需要的一组信息包，其中的信息内容和格式均以最优方式进行了组织和编排，以便于最终用户通过数字屏幕以交互方式使用。当前应用最广泛的标准当属美军标准MIL-PRF-87269和欧洲标准ASD S1000D。
2 基于IETM的虚拟维修训练系统
S1000D作为IETM在装备全生命周期保障方面的重要标准，在其标准下制作的交互式电子技术手册可以存储大量的装备保障数据，不仅包括文本、图标、图片信息，还包括视频、音频等多媒体信息，以及和用户进行交互的信息。因此借鉴IETM相关标准S1000D设计VMDM层次结构如图1所示。训练数据包括了虚拟维修训练过程数据、虚拟样机数据和工具设备数据。
2.1 维修过程VMDM 过程VMDM设计如图2所示，数据标记的具体含义以及其所包含内容的定义如下。
2.1.1 procedural元素 procedural元素是描述整个虚拟维修训练过程的根元素，由若干个嵌套的子元素和相应的属性构成，具有的属性包括维修过程起始步骤编号startId、用来判断维修过程是否结束的步骤编号endId、进行本次维修训练的维修操作人员姓名的operatorName以及维修人员编号operatorId，同时描述人员所应该具有的维修水平、技能skillLevel。
2.1.2 step元素 step是具体维修训练步骤元素，是可以重复、并列的元素，它有四个属性值：partStateType属性表示样机对象子单元的运动属性，主要包括平移运动、旋转运动和复合运动三种；stepId表示维修过程中的当前维修步骤编号；name表示当前维修操作的名称；partname表示本次维修操作的样机对象单元名称，该名称与虚拟维修样机模型中对该部件的命名一致。
2.2 工具/设备VMDM 工具/设备模型设计如3所示，数据标记的具体含义以及其所包含内容的定义如下。
2.2.1 tool_Equipments tool_Equipments元素是工具/设备数据模型的根元素。
2.2.2 toolList toolList元素用来描述工具/设备，是可以重复的、并列出现的非空元素，具有三个属性值和一个元素：toolpackageName描述专用工具包的名称；toolname属性值为工具设备的名称；toolId属性值为工具/设备型号编码；pic元素描述设备工具的名称、型号、在工具栏中的布局以及二维图标文件的存储路径等。
2.3 虚拟样机VMDM 虚拟样机，根据运动方式，分为平移运动样机、旋转运动样机和复合运动（旋转＋平移）样机。本文以复合运动样机为例，进行介绍。
复合运动样机单元VMDM设计如图4所示。
transRotate元素是描述复合运动样机单元对象信息的根元素，由若干嵌套的Parts子元素构成。Parts元素是可重复、并列出现的非空元素，具有以下属性：①ID属性。②PartID属性。③partname属性，为相对应样机单元汉语名称。相关子元素有endXposition元素、endYposition元素、endZposition元素、attributeToObject以及attachToObject描述的内容与平移样机信息单元模型中所提及元素的内容相同、类型相同。AxisRotate元素、rotateDegree元素，与旋转类平移样机信息单元模型中所提及的内容相同、类型相同。transScale元素描述虚拟维修样机单元在复合运动过程中平移段的步长。rotateScale元素描述在复合运动过程中的旋转平移段的步长。length元素描述典型对象单元如螺钉的长度，proportion元素描述旋转圈数与位移的比例关系。
3 应用验证
某型复杂装备虚拟维修训练系统，基于上述方法建立VMDM，如图5所示，编辑完成的系统能够进行，使得系统的推广使用变得更为方便。
4 结束语
本文参考IETM的S1000D标准对于内容数据模型的组织方法，设计了基于IETM的虚拟维修训练系统结构框架以及虚拟维修数据模型，并利用XML Schema设计了虚拟维修训练系统的数据模型，包括维修训练过程数据模型、工具/设备数据模型、以及样机对象单元数据模型，并分析了模型中各个元素及属性的具体描述含义，最后进行了应用验证。
参考文献：
[1]张宏亮.基于IETM的虚拟维修系统研究[D].南京：南京航空航天大学硕士学位论文，2008.
[2]李星新.虚拟维修训练的模型研究与通用平台实现[D].石家庄：军械工程学院博士论文，2010，06.
[3]梁伟杰.装备IETM全寿命过程建模与实现[D].石家庄：军械工程学院博士论文，2009，06.
论文关键词：汽车设计，教学改革，探索
1 引言
《汽车设计》是车辆(汽车)工程专业或方向的一门专业核心课程，也是一门实践性非常强的课程。该课程任务是使学生学会分析和评价汽车及其各总成的结构和性能，合理选择结构方案及有关参数，并学到一些汽车主要零部件的设计和计算方法和总体设计的一般方法，为从事汽车技术工作打下良好的基础。然而《汽车设计》课程因为涉及内容广泛、概念众多、公式量大，因此采用传统的教学模式已经不能适应社会需求的发展[1]。目前我校汽车设计课程在教学中存在教学过于理论化，学生对于其理论知识的学习深度不够，知识难以接受理解。实践教学相对理论教学滞后，因此有必要对课程教学方法进行改革。
2教学方法改革
2.1多媒体演示教学
将多媒体教学课件引入到汽车设计理论教学中，具有以下几个优点：①图文并茂；它既能通过图形的讲解去理解结构的设计原理，又能通过文字对内容的归纳进行理论教学[2]。②信息量大、满足教学要求；枯燥的理论教学激发不了学生对课程内容的兴趣，通过课件可以引入很多实际设计中的知识从而增强学生的学习激情。③三维动画能清楚反映总成部件的相互运动情况，从而更好地加深学生对知识的理解。如手动变速器的设计教育论文，由于涉及众多齿轮的设计公式，教师很难讲授清楚，学生理解起来也很吃力。通过计算机课件，把变速器的设计过程通过动画直观展示，使学生形成清晰的感官认识，对正确理解和掌握知识点发挥了很大的作用，不仅顺利完成了难点教学，也使学生体验到科学的奥妙和技术的强大动力。④通过课件的声、图、文字、动画有机的融合，能激发学生的兴趣，使学生能够集中注意力进行听课，从而提高课堂教学质量的效果。
2.2 CAD/ CAE/ VPT等先进设计方法引入汽车设计教学中
随着计算机相关技术的发展,几何模型的设计从二维转向三维。在实现CAD/ CAE/ CAM 一体化的过程中,产品的设计、制造、检测全部实现无纸化,因此在汽车设计的教学中要与时俱进，将现代的设计手段、设计方法引入到汽车设计教学中[3-4]。
在汽车设计的教学中，对于传统部件的设计，可以采用CAD的设计方法进行教学,教学的重点可以通过使用三维设计软件进行汽车总成部件的设计。如图1所示，左图为变速器设计中所用设计公式的计算小软件，通过课程教学中的演示学生可以清楚地看出设计的步骤，根据计算后的结果引入CAD设计软件，最终形成右图所示的三维总成件，整个变速器的设计清楚可见，同时又通过先进的设计方法使学生掌握了现代汽车设计的相关方法论文格式范文。目前,机械CAD软件可以实现从概念设计、三维零部件建模到装配分析等各功能的设计。
图1 变速器设计实例
CAE设计方法的引入是汽车设计教学中又一个形象的方法。目前汽车制造企业在样机的制作、实验和性能评价过程中会充分利用计算机技术进行分析和仿真,这样无疑可以减少样机或试制品的制作次数。在三维模型组装完毕后,可将模型转化到仿真软件上进行动态仿真,模拟真实环境进行三维动态和碰撞等的分析,可以发现部件运动以后的问题,还可将关键部件或部位放在有限元分析软件中,对其在各种工况下的受力和变形进行分析,及时发现设计的薄弱环节,避免设计缺陷。CAE设计方法引入汽车设计课程教学中,不仅可以提高学生对课本理论知识的理解，更可以使企业实际需求与学生学习相结合，从而引导学生进行更加有针对性的学生。如图2所示，为转向节设计的CAE受力分析结果图，通过改组图片对比学生可以容易明白转向节在设计时应该考虑到三种特殊工况情况下的受力分析。
（a）车轮越过不平路面工况(b)紧急制动工况(c)侧滑工况
图2转向节设计实例
虚拟样机技术(VPT)就是在建筑第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型，进行仿真分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优化设计方案的技术。虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体的功能教育论文，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。图3为引入VPT技术形成的车桥差速器仿真模型，通过该模型的运动仿真可以清楚地分析出部件在运动过程中的受力变化情况。
图3VPT设计实例
只有这样才能够提高学生的动手能力，增加学生对汽车设计理论的直接了解，有利于老师和学生之间的互动水平。
2.3 项目教学法引入到汽车设计教学工作中
项目教学法是一种以项目为导向，将理论与实际相结合的先进教学方法[5]。汽车设计课程因为所涉及实际性较强，教师在教学中可以设立相关小的项目。项目教学法便于用在汽车某个总成或部件的设计项目上,如转向器的设计、麦弗逊式独立悬架的性能计算、离合器膜片弹簧的优化设计等。通过项目教学进一步巩固学过的知识，强调学生的动手能力。
3．结束语
综上所述，通过对汽车设计课程教学方法的改进，按照新的教学改革思路，经过这几年的摸索，不断总结经验，初步取得了较好的成绩，学生对于汽车设计课程的教学测评已经连续2年获得优秀等级，达到了课程的培养目标。
参考文献：
[1]罗永健.汽车构造课程教学改革的探索与实践[J]广西大学学报(自然科学版),2002,(增刊):80 - 82.
[2]田国红,卫邵元,李刚.汽车构造课利用多媒体教学的探索与实践[J]辽宁工业大学学报(社会科学版),2008,10(2):121-122.
[3]段红杰,于善武．面向三维CAD/CAM技术的机械类专业教学改革的研究与实践[J]郑州航空工业管理学院学报(社会科学版):2007,26(5):125-127
[4]石良武,王建明．精品课程网络教学模式的研究[J]教育与现代化,2006，(2)：45-49．
[5]罗云辉．项目教学法在汽车专业的实施与效果[J]中国职业技术教育,2006，(6)：17-19．
关键词：破碎锤的组成；工作装置传统设计方法；CAX及软件；多体动力学理论
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
通过查阅相关文献，基于以设计为中心的先进制造技术理论，可以得到，液压破碎锤工作装置的虚拟样机研究是一个庞大的系统工程。本文的研究内容―液压破碎锤工作装置的虚拟样机研究只是其中的一部分，只涉及到了工作装置的运动学分析、动力学分析、结构分析的前处理以及工作装置虚拟装配的部分内容。
关键词 虚拟样机；技术；机械；产品；设计
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）14-0065-01
为了使自身在市场上立于不败之地，很多企业都对产品的模式进行了更新，其目的是提高产品的效率及收益。随着社会的发展和经济水平的提高，竞争也愈发激烈，除了要减少成本以外，还要提高产品的质量和使用价值。
1 什么是虚拟样机
所谓的虚拟样机，指的是产品的多领域数字化模型的集合体，它包含了真实产品的所有特点。运用这种技术，可以对机器的零件进行模拟制造，从而在设计阶段提高产品的使用性能和质量。
用这种技术来对机械产品进行设计，对零件、结构、装配等部分进行分析，使机械产品的设计更加具有直观性和可视性。
2 基于虚拟样机技术的机械产品设计与建模方法
2.1 利用CAD软件建模仿真
在对机械产品进行设计的时候，必须要运用一系列的软件来对机械零件的设计尺寸进行分析，并且对机械零件开始进行一个一个的建模。这样就可以得到一个三维的图片，然后再对零件模型的表面、材质、质量、性能等进行虚拟的设计，从而进行仿真分析。
建模完成以后，再利用三维软件，将需要调入的零件模型进行装配，装配的时候要充分的利用平衡、垂直、重合等。装配还必须按照顺序来进行，比如先装配部件，然后再将部件模拟装配成样机。此外，可以通过运动集成模块来进行优化设计，这些模块有很多的优点，比如能够矫正机械的运行，能够注意到机械的位置、运行速度、性能是否正常。另外，这些模块还能够通过对尺寸的计算，优化整个机械的性能。
2.2 对产品结构件进行分析和仿真
在对机械产品进行设计的过程当中，除了必须要考虑设计中的运动以外，还要考虑所设计的零件是否有一定的承载能力，或者强度和性能是否符合要求。进行了建模以后，因为软件有一个比较好的接口，因此可以采用这种软件对机械的各个部分进行强度分析，分析的时候还要计算有限元，这样才能够使设计更加的合理。另外还要分析设计要求是否符合机械的使用要求，如果得出的数据证明虚拟样机的一部分不符合机械使用要求，那么，就只能重新进行修改。同时，这也是一个系统而繁杂的过程。
2.3 对行星架进行分析
行星架是机械的承载构建，如果机械的行星架设计不合理，就会影响到整个机械的使用。同时，行星架也是非常复杂的一部分，很容易出现轴的强度过低，而计算应力又会显得比较复杂。首先要在软件中创建几何模型，其次要导入其中，导入之后可以添加材料信息了，然后要根据装配体的情况，来设置接触选项，最后再根据参数来设计网格，施加载荷，并且求出结果。
3 虚拟样机技术在机械产品设计中的应用
我国对机械产品的设计经历了很多个历程，最先开始是二维技术，利用计算机来生成零件，或者是整机的二维图形，然后是三维技术，最后才是现在的虚拟样机技术。笔者总结了虚拟样机技术在机械产品设计中的应用，具体为以下几点。
3.1 采用ADAMS软件对运动仿真进行分析
这种方法比较准确可靠，而且还可以使数据无缝连接，但是建模功能却不好。我国很早就采用ADAMS软件应用到农业机械当中，最普遍的是用收割机、深耕机。同时，在不同机械系统工作的参数下，油菜物料在清选袋置中的运动规律也不同。
3.2 ADAMS软件和造型软件的联合仿真
这种方法是首先在软件中建模，然后再把建的模导入ADAMS中，这种方法的建模功能非常的好，而且仿真功能也很强大，但是在导入模型的过程当中，很容易丢失一些信息。20世纪90年代末，运用这种技术设计了播种机，实现了自动化和科学化的播种。此外，这种技术还被运用在马铃薯收获机当中。
3.3 ADAMS和控制系统分析软件的联合仿真
机械系统和控制系统是现代机械的主要发展方向，两者结合可以降低机械设计的复杂性，还能提高机械运动的效率。几年前，我国通过将ADAMS与控制系统的联合，研制出了弹性轴轴承系统在径向正弦载荷作用下的动力学特征。在农业机械方面，还研制出了马铃薯联合收获机输送臂，对输送臂的整个运行进行了分析和研究，提高了其使用性能。
4 虚拟样机技术的优点
4.1 缩短了产品的设计周期
虚拟样机技术在传统机械设计的基础上进行了改善，从不同角度、不同使用需求出发，缩短了产品的设计周期。此外，还提高了机械运行的性能。
4.2 降低了产品的开发成本
因为机械设计是一项复杂而系统的工作，需要耗费大量的人力、物力、财力，而虚拟样机技术虽然对计算机软件、硬件的要求很高，却降低了机械设计的总体成本。
4.3 提高了零件的设计效率
与传统的机械设计相比，虚拟样机技术只需要输入一个基本模型，便可以导出精确的几何，对于形状大致相似的一系列零件，只需要稍微修改一下，就能够生成新的零件，这样就提高了零件的设计效率。
5 总结与体会
现在，虚拟样机在机械设计中的运用越来越广泛，从过去的二维、三维发展到CAD建模，再到如今的虚拟样机技术。不但提高了设计效率，还降低了设计成本，整个设计过程也大大的被简化，使得机械产品本身的操作也变得简单易懂。
参考文献
[1]徐海枝.我国虚拟样机技术应用研究论文计量分析[J].价值工程，2013，32（9）：312-313.
[2]王磊，吴新跃.基于虚拟样机技术的齿轮啮合仿真研究[J].机械工程与自动化，2013（1）：29-31.
关键词：Adams； 机构学； 机械原理； 虚拟样机
中图分类号：G424.2文献标志码：B
0引言
虚拟样机技术以其高效率和低成本，在机械产品设计中得到越来越广泛的应用.通过对机械产品的虚拟样机建模和仿真分析，可以快速、准确地获取机械产品的性能，从而验证设计指标并评价设计结果[1].作为目前世界领先的机械系统动力学分析软件，Adams以其公认的优越性被越来越多的工程技术人员和科研人员所应用，在机械系统设计和分析领域发挥重要作用.
笔者多年来一直探索如何使学生在课程学习中了解和掌握Adams这一先进软件.在“机械原理”课程[2]的教学中，已有一些教师进行有益的探索——将Adams用于机构分析[3-6]，获得良好的效果.在“机械原理课程设计”课程中，有些教师也将Adams应用其中——学生在设计机构运动方案时，应用Adams对设计结果进行验证[7-9].这些尝试为“机械原理”课程注入新的教学内容和教学方法，加深学生对机构学知识的理解.但总体来看，这些尝试还停留在个别教师的教学改革试点层次，缺少Adams与课程内容融合的整体规划和实施方案.本文从本科生课程和研究生课程2个方面介绍北航在Adams教学中的一些尝试.
1Adams在本科生教学中的应用
机械原理课程的研究对象为机器和机构，如何在课堂上将机器和机构运动起来，成为提高学生学习兴趣和扎实掌握相关理论的关键.传统的教学方法只能依靠教师的讲解，将静止的机器和机构“动”起来，不直观；一些设计分析结果也无法实际展示和验证，在很大程度上影响学生对问题的理解和对知识的掌握；此外，虽然学生学习很多的经典理论，但在工作不会应用，导致理论与应用脱节.
为此，自2003年以来，北航机械原理教学团队以Adams为平台，将虚拟样机技术与课程的机构以及机构系统的分析与设计内容有机结合，不仅使静止的机构图形运动起来，提高学生的学习兴趣，增强对问题的深刻理解，而且使学生初步掌握虚拟样机这一先进技术，为持续、快速地进行机构创新设计与分析奠定基础.在课堂教学过程中，以教师为主导，通过虚拟样机的建立和仿真，对涉及的机构学问题给予直观、生动的诠释.学生则利用课余时间，通过上机练习来熟悉和掌握虚拟样机技术.
1.1课堂教学
3结束语
探索和总结本科生的“机械原理”课程与Adams有机结合的内容和实现方法，进一步探讨在研究生阶段开设针对学习Adams的“产品设计与虚拟样机”课程的教学内容、教学方法和教学成果等.在高校开展Adams的学习和应用教学，虽然取得一定的成果，但总体来看，仍处于探索阶段，希望通过同行的共同努力，在相关行业的支持下，不断地深入和推广下去.
参考文献：
[1]郭卫东. 虚拟样机技术与Adams应用实例教程[M]. 北京： 北京航空航天大学出版社， 2008： 1-317.
[2]郭卫东. 机械原理[M]. 2版. 北京： 科学出版社， 2013： 1-285.
[3]赵韩， 田杰. 机械基础课程的改革与建设[M]. 安徽： 合肥工业大学出版社， 2005： 262-268.
[4]陈文家. Adams在机械原理课程教学中的应用[C]//中国机构与机器科学应用国际会议论文集. 上海：机械设计与研究， 2007： 263-268.
[5]王鸿云， 郑洋洋. Adams在机械原理课程教学中的应用[J]. 计算机光盘软件与应用， 2012（7）： 230-231.
WANG Hongyun， ZHENG Yangyang. Application of Adams in course of theory of machines and mechanism[J]. Comput CD Software & Applications， 2012（7）： 230-231.
[6]陶峰. Adams虚拟样机技术在机械原理课程教学中的应用[J]. 化工高等教育， 2005（2）： 103-104.
TAO Feng. Application of virtual prototyping technology Adams in course of theory of machines and mechanism[J]. Higher Education Chem Eng， 2005（2）： 103-104.
[7]黄小龙. 虚拟样机技术在“机械原理课程设计”教学中的应用[J]. 中国电力教育， 2013（4）： 102-104.
HUANG Xiaolong. Application of virtual prototyping technology in design course of theory of machines and mechanism[J]. China Electr Education， 2013（4）： 102-104.
[8]刘相权， 米洁. 基于Adams的机械原理课程设计教学研究[J]. 中国科技信息， 2012（24）： 188-189.
LIU Xiangquan， MI Jie. Teaching research on curriculum design of mechanical principles based on Adams[J]. China Sci & Technol Inform， 2012（24）： 188-189.
[9]朱玉. Pro/E和Adams在《机械原理课程设计》教学中的应用[J]. 江苏教育学院学报： 自然科学版， 2006， 23（4）： 112-114.
ZHU Yu. Application of Pro/E and Adams in mechanical principle course design teaching[J]. J Jiangsu Inst Education： Nat Sci， 2006， 23（4）： 112-114.
关键词 虚拟样机 建模 仿真
中图分类号：TP391.9 文献标识码：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
由于现代科学技术的发展，机电一体化产品的开发经历了串、并行开发，到基于虚拟样机的开发过程。而开发过程中解决多领域协同设计的有效途径就涉及到了虚拟样机技术。它的设计开发涉及机械、可视化、协同仿真、数据库等多个学科领域，它提供一种加快机电一体化产品设计进程新的技术方法和支持环境。
1 虚拟样机技术的概述
1.1 虚拟样机技术的定义
虚拟样机是在CAD/CAM/CAE和物理样机基础上发展起来的，它包含有所有产品的关键特征。
它是以一定关系模拟一个动态系统，在一个或多个领域模型上，依赖不同子系统的集成，采用计算机辅助的方法，以达到认识现实或辅助设计的目的。
1.2 虚拟样机技术的优势和局限性
在机电一体化产品的设计中，若采用实物验证的方法的传统机电产品设计。首先是对产品进行局部设计，加工出物理样机，再进行调试，再对其各种行为进行评估。若不满足使用要求则选择返回修改设计，然后再加工出新的样机，如此反复评估直至满足所需要求为止。
虚拟样机技术应用在机电产品的开发设计过程与传统设计步骤相差不大，主要差别是虚拟样机技术集合各个领域的理论和技术在计算机上直接进行建模与仿真，它在产品设计阶段，能够对产品使用、制造、维护等行为进行评估分析，优化产品性能指标，保证设计出来的产品能够达到制造、使用和维护的要求，并且它的修改直接改变建模的数据即可。因此，虚拟样机技术的优势在于：缩短了研发周期、节约研发资本、实现资源共享。
但是，虚拟样机技术涉及的学科领域太广，技术复杂，给设计者提出了很高的要求，而且，对于一些复杂的问题的计算上无法得到精确的解，只能是尽量的将误差控制在允许的范围内，所以技术本身的不成熟和不完善也在一定程度上制约了它的发展。而且在对产品进行建模时，很难建立理想的、完整的模型，因此虚拟样机始终无法取代物理样机。①
1.3 虚拟样机技术的支撑环境及关键技术
图1 虚拟样机支撑环境框架
虚拟样机的开发和设计当中，在每一个阶段都涉及到多个领域的相关技术，比如在产品设计阶段就涉及到CAD/CAM/CAE等CAX技术和DFX技术，在产品特性分析阶段涉及到机械系统运动学等相关技术，而在分析结果的时候又涉及到可视化技术和动画技术。因此，虚拟样机技术需要强大的支撑环境来保证这些相关技术的操作和相互之间的数据交流平台，其所需要的支持环境框图如图1②所示
在这些支撑环境中，存在一些关键技术，这些关键技术的发展情况直接影响着整个支撑环境的发展。比如多领域的协同仿真――“建模-仿真-评估/优化”一体化平台、高层建模技术、仿真模型库构建与管理技术以及分布式协同仿真技术等。
1.4 虚拟样机技术的应用与发展现状
虚拟仿真技术在美国、德国等一些发达国家早已被广泛地应用于汽车制造、机械工程、医学等各个领域，产品的涉及由简单的照相机快门技术到庞大的工程机械技术，如John Deere 公司通过虚拟样机技术找到了在重载下工程机械的自激振动问题的原因，并提出了改进方案，这同样在虚拟样机上得到了验证。
国外的虚拟样机技术已走向商业化，美国机械动力学公司的机械系统自动动力学分析软件ADAMS是目前比较有影响力的软件。其中ADAMS占据了市场的50 % 以上，其它软件的还有Folw3D、ANSYS 等等。
国内的企业虚拟样机技术主要是集成现成的国外软件应用上，如PRO/E、ADAMS、ANSYS 等，国内企业对国外软件的依赖性强。有些单位会为了满足设计分析的需要而采用对市场上现有软件进行二次开发。
2 虚拟样机的模型建立
2.1 虚拟样机的设计原理
作为研究动态系统行为的有效方法，虚拟样机涉及几何信息，同时虚拟样机系统具有运动模拟、操作模拟和动力学模拟等物理边界条件，提供人机交互虚拟现实三维场景的工具。其一般设计原理可归结为如图2所示。
图2 虚拟样机设计原理图
2.2 机电产品的功能模型分析
影响此类机电产品系统的设计过程和设计方法是在功能逻辑上的构成方式和在物理上的组成方式。在物理组成上，机电一体化产品包含机械结构，机电接口、运动系统、计算机等多种电子、机械零部件。③
将机电一体化产品划分为控制子系统、广义执行机构子系统、检测子系统、传感及信息处理的是上海交通大学的邹慧君教授，④这就是所谓的三子系统论。如图3所示：
图3 机电系统的三子系统的组成及其关联
图4 广义执行机构建模步骤框图
2.3 广义执行机构的建模与求解
广义执行机构子系统主要包括驱动元件和执行机构两大部分，它们的建模与求解主要分为几何建模、物理建模、数学建模、数值求解和结果分析，其步骤如图4所示。
几何建模，主要是建立所设计虚拟样机的执行机构的几何模型，它可以用几何造型软件Pro/E、UG等导入，也可以由ADAMS几何造型模块构造，但有些软件之间的相互导入需要接口模块，例如Pro/E与ADAMS之间需要MECHANISM/Pro借口模块来实现无缝连接。⑤
物理建模，形成表达系统力学特性的物理模型，对几何模型施加外力或外力矩、运动学约束、力元（内力）、驱动约束等物理模型要素。
数学建模，由物理模型组装成系统运动方程中的拉格朗日坐标或笛卡尔坐标建模方法创建各系数矩阵，得到系统数学模型。
2.4 控制子系统的建模与求解
可以利用MATLAB建立控制模型。驱动执行机构的运动通常有开环方式和闭环方式两种，开环方式是在驱动器与执行末端之间建立约束关联，执行末端为反向运动学驱动；而闭环方式是以期望参考信号与传感器探测的数据进行比较从而得到控制信号。连续――离散混合信号处理的运动控制模型就是采用闭环控制方式。
2.5 协同建模
控制实现的多学科协同与多体动力学的建模可以在ADAMS/ Controls 模块中的与控制仿真软件的接口上。它首先导出ADAMS动力学模型，然后导出动力学模型到控制仿真环境最后构建动力学一控制集成模型。
3 虚拟样机的仿真实现
在建立共享的集成模型基础上进行仿真运行，有基于MATLAB 和基于ADAMS 两种解算方式：⑥
3.1 基于ADAMS的方式
求解线性或非线性的结果在在ADAMS 环境中虚拟样机控制子模型的共享模型进行仿真运行。
3.2 基于MATLAB的方式
机械动力学解算通过在MATLAB 环境中植入的ADAMS 模块控制运用解算控制仿真软件求解器，它们通过S函数（S-function）或状态空间（state -space）进行接口变量的联系，在MATLAB/ Simulink 中观察并输出仿真曲线，同时，可以观察到虚拟样机的三维仿真运行动画和生成仿真结果数据文件。
4 小结
虚拟样机技术为机电一体化产品的设计提供了一个支持环境和新的方法，它与传统的技术相比，缩短了研发周期、节约研发资本，实现资源共享、提高产品质量，因此它目前广泛用于汽车制造、航空航天、机械工程、医学等各个领域。
整个虚拟样机技术的关键是虚拟样机的仿真和实现，从单个领域的建模仿真到多个领域的协同仿真，从几何建模到物理建模到数学建模到数值求解再到结果分析，这一系列的过程涉及到多个领域的关键技术。因此，要做好虚拟样机技术，一方面要依赖于其本身技术的发展，另一方面则要求设计者本身具备过硬的专业技术知识以及配置完备的团队。
参考文献
① 李丹，李印川.虚拟样机技术在制造业中的应用及研究现状.机械，2008（6）总第35卷：2-3.
② 宁芊.机电一体化产品虚拟样机协同建模与仿真技术研究.四川大学博士毕业论文，2006：21-22.
③ B.Jung，M.Latoschik， I. Wachsmuth： Knowledge- Based Assembly Simulation for Virtual Prototype Modeling. IECON'98- Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society， Vol. 4， IEEE，1998：2152-2157.
④ 邹慧君等.机电一体化产品概念设计的基本原理.机械设计与研究，1999.15（3）：14-17.
