虛擬樣機技術論文匯總十篇

序論：好文章的創(chuàng)作是一個不斷探索和完善的過程，我們?yōu)槟扑]十篇虛擬樣機技術論文范例，希望它們能助您一臂之力，提升您的閱讀品質(zhì)，帶來更深刻的閱讀感受。

篇（1）

 

1 引言

《汽車設計》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(jié)構和性能，合理選擇結(jié)構方案及有關參數(shù)，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(nèi)容廣泛、概念眾多、公式量大，因此采用傳統(tǒng)的教學模式已經(jīng)不能適應社會需求的發(fā)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(yōu)點：①圖文并茂；它既能通過圖形的講解去理解結(jié)構的設計原理，又能通過文字對內(nèi)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(fā)不了學生對課程內(nèi)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(fā)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(fā)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(zhì)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(fā)展,幾何模型的設計從二維轉(zhuǎn)向三維。在實現(xiàn)CAD/ CAE/ CAM 一體化的過程中,產(chǎn)品的設計、制造、檢測全部實現(xiàn)無紙化,因此在汽車設計的教學中要與時俱進，將現(xiàn)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(tǒng)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(jù)計算后的結(jié)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(xiàn)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(xiàn)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(yè)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(shù)。在三維模型組裝完畢后,可將模型轉(zhuǎn)化到仿真軟件上進行動態(tài)仿真,模擬真實環(huán)境進行三維動態(tài)和碰撞等的分析,可以發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)設計的薄弱環(huán)節(jié),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(yè)實際需求與學生學習相結(jié)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(zhuǎn)向節(jié)設計的CAE受力分析結(jié)果圖，通過改組圖片對比學生可以容易明白轉(zhuǎn)向節(jié)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(cè)滑工況

圖2轉(zhuǎn)向節(jié)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(tǒng)的數(shù)字化模型，進行仿真分析并以圖形方式顯示該系統(tǒng)在真實工程條件下的各種特性，從而修改并得到最優(yōu)化設計方案的技術。虛擬樣機技術利用虛擬環(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(jié)合，為產(chǎn)品的研發(fā)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(jié)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(zhuǎn)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(yōu)化設計等。通過項目教學進一步鞏固學過的知識，強調(diào)學生的動手能力。

3．結(jié)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(jīng)過這幾年的摸索，不斷總結(jié)經(jīng)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(jīng)連續(xù)2年獲得優(yōu)秀等級，達到了課程的培養(yǎng)目標。

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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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)束語

探索和總結(jié)本科生的“機械原理”課程與Adams有機結(jié)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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中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）51-0089-02

一、前言

隨著科技的快速發(fā)展，世界經(jīng)濟已由原來的賣方市場轉(zhuǎn)化為買方市場。現(xiàn)代企業(yè)要在激烈的市場競爭中占有一席之地，必須解決TQCSE難題，即以快速交貨T（Time）、高質(zhì)量Q（Quality）、低成本C（Cost）、優(yōu)質(zhì)服務S（Service）和保護環(huán)境E（Environment）來滿足不同客戶的需求，快速響應市場需求。

虛擬樣機技術是20世紀80年展起來的現(xiàn)代設計方法，是以虛擬樣機模型代替物理樣機，在計算機模擬物理樣機的運行。近年來，虛擬樣機技術飛速發(fā)展，現(xiàn)已成為機械專業(yè)方向研究生以上層次人才的必修課程。用戶可以利用ADAMS軟件或使用其他三維軟件建立虛擬樣機模型后，導入ADAMS軟件，通過添加各種約束、驅(qū)動或接觸力進行動態(tài)仿真，模擬物理樣機的運行。通過ADAMS強大的后處理功能生成各種曲線、動畫等，進而了解設計的復雜機械運動性能，為物理樣機的試制提供理論依據(jù)。在大學本科教學中開展ADAMS的教學工作，采用ADAMS多體動力學仿真軟件對機械原理中各種機構進行三維運動仿真后驗證機構設計的合理性，觀察主要機構的運動軌跡、運動速度、加速度等數(shù)據(jù)變化情況，可以使學生更好地理解機械原理、機械設計中的相關機構運動原理，在進行畢業(yè)設計時，能運用ADAMS軟件對其所設計的各種機構進行驗證，培養(yǎng)和提高學生的設計分析能力，為畢業(yè)后能盡快適應專業(yè)技術工作打下良好的基礎。

二、面向產(chǎn)業(yè)需求，開設專業(yè)導論課程

機械設計制造及其自動化專業(yè)是桂林理工大學機械工程與控制工程學院重點發(fā)展的優(yōu)勢和核心專業(yè)。每年大學新生入學時，都需要進行專業(yè)導論課程教育。為了將一些現(xiàn)代設計方法及理論傳授給新生，面向裝備制造業(yè)的發(fā)展需求，教師在講授專業(yè)導論的相關內(nèi)容時，會將歷年學生所做的優(yōu)秀仿真作品進行動畫演示。為了進一步加深學生對虛擬樣機技術的理解，相關教師還會組織學生參觀桂林市內(nèi)在虛擬仿真技術使用較多、較為成功的行業(yè)領頭企業(yè)，如桂林大宇客車有限公司、桂林橡膠機械廠等大型企業(yè)。企業(yè)工程師會結(jié)合行業(yè)特點，將一些典型案例采用虛擬仿真技術進行現(xiàn)場演示，極大地激發(fā)學生學習虛擬樣機的興趣，為后續(xù)課程的學習打下良好的專業(yè)基礎。

三、學習ADAMS動力學仿真軟件，貫穿專業(yè)課程教學過程

我校機械專業(yè)在專業(yè)基礎課的教學中，利用ADAMS軟件三維建模技術、形象的動畫展示功能以及強大的后處理功能，將機械原理課程中一些常用機構，如平面四桿機構、凸輪機構、齒輪機構的組成和運動情況進行動態(tài)仿真，彌補學生實踐經(jīng)驗不足帶來的問題。此外，學生在學習過程中還可以了解到現(xiàn)代設計方法高效、快捷的特點，并從中感受到ADAMS軟件在機械系統(tǒng)設計中的魅力。以凸輪設計為例，教師講授凸輪廓線的傳統(tǒng)設計方法通常是圖解法和解析法。傳統(tǒng)的圖解法作圖過程煩瑣、精度不高；解析法雖能獲得很高精度，但須花費大量的時間與精力建立精確的數(shù)學模型及編制計算程序。顯然，上述兩種方法都存在難以實際操作的缺點，使得學生很難真正理解。通過ADAMS，則可以直接模擬凸輪的實際運動狀態(tài)，設計簡單、直觀，還可以使凸輪運動起來。通過ADAMS的強大的后處理功能，可測量出從動件的運動規(guī)律與給定運動規(guī)律的擬合程度，圖1是采用直接法設計凸輪的全過程。現(xiàn)代設計方法的引入，可讓學生體會到先進設計技術的優(yōu)越性，提高學生的學習積極性。

四、利用ADAMS搭建虛擬仿真實驗平臺

為加深學生對枯燥無味的理論知識的理解，提高學生的工程實踐能力、動手能力和創(chuàng)新能力，實驗教學活動提供了一個真實直觀、可以動手操作的平臺。工程技術人員利用虛擬仿真技術，可以在虛擬環(huán)境中模擬真實的機器運行，觀測各構件的相互運動及受力情況，不斷調(diào)整設計方案后進行仿真試驗，對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化，直到獲得較為滿意的優(yōu)化設計方案以后再投入人力和物力制造物理樣機，從而大幅降低新產(chǎn)品的開發(fā)費用，提高產(chǎn)品開發(fā)效率及縮短產(chǎn)品的研發(fā)生產(chǎn)周期。為了進一步提高學生學習ADAMS的積極性，如在大學生科技競賽、創(chuàng)新大賽、機器人大賽、學院組織的ADAMS大賽等一系列競賽活動中，在指導教師的指導下，在計算機上利用ADAMS動力學仿真軟件對機構的運動軌跡、速度變化規(guī)律、加速度變化規(guī)律及受力分析等做一個前期試驗，并在虛擬試驗的基礎上對整個系統(tǒng)進行優(yōu)化后再加工出物理樣機進行相應的實驗。利用ADAMS強大的后處理功能，將實驗數(shù)據(jù)導入計算機中，與計算機仿真得到的結(jié)果進行對比分析，找出實驗數(shù)據(jù)、理論數(shù)值和仿真結(jié)果之間的差距，改進虛擬樣機模型或調(diào)整實驗方案，并對一些優(yōu)秀作品給予物質(zhì)獎勵。通過上述一系列活動，可加深學生對常用機械機構的構造和運動原理的掌握，提高分析問題和解決問題的能力。

五、熟練使用ADAMS仿真軟件，提高畢業(yè)設計質(zhì)量

畢業(yè)設計是學生即將結(jié)束大學學習生涯的最后在校學習環(huán)節(jié)，是對大學四年所學的基礎知識、專業(yè)知識的一次全面檢驗。在畢業(yè)設計的過程中，學生將機械原理、機械設計、力學和數(shù)學等相關知識綜合運用于設計過程中，經(jīng)過畢I設計的磨煉，他們的工程實踐能力、分析問題和解決問題的能力有了提高，學校的辦學水平和人才的培養(yǎng)能力也得到了提升。畢業(yè)設計是學生即將走上新工作崗位的一個重要過渡。為了進一步提高學生使用ADAMS軟件的能力，根據(jù)學生畢業(yè)設計課題選題實際情況，教師可在學生的畢業(yè)設計論文中增加ADAMS虛擬仿真分析技術，提升畢業(yè)論文的檔次。

W生在開始進行畢業(yè)設計的初期，可在指導教師的指導下查閱相關文獻，運用已掌握的相關專業(yè)知識，通過原理構思進行初步設計后，利用相關軟件建立一個粗略的虛擬樣機模型，利用ADAMS軟件對方案進行動態(tài)仿真，將機構的運動軌跡、速度（角速度）、加速度（角加速度）或機構運動過程中所受的力（力矩）與理論計算值進行比較，通過對仿真結(jié)果和理論值的比較，找出問題的癥結(jié)，對模型或理論分析進行修正，并再次進行仿真。之后，在仿真的基礎上，對各設計參數(shù)進行優(yōu)化并確定最終方案，最后采用三維CAD軟件對模型進行進一步的細化，導出二維圖紙。通過這樣一個設計、仿真、分析的過程，較為真實地模擬了機械新產(chǎn)品開發(fā)的全過程，學生按照這個模式進行畢業(yè)設計，其設計能力和畢業(yè)設計質(zhì)量可以有較大提高，為即將走上工作崗位打下良好基礎。

六、結(jié)束語

虛擬樣機技術在現(xiàn)代產(chǎn)品設計中不斷地體現(xiàn)了優(yōu)越性。為提升學生的工程實踐能力和綜合素質(zhì)，通過專業(yè)導論課程教育、創(chuàng)新大賽、專業(yè)學習和畢業(yè)設計等一系列活動，可將ADAMS仿真技術融入系列的教學活動中，讓學生在學習機械專業(yè)理論知識的同時，能熟練使用ADAMS軟件解決一些具體工程實際問題。并在畢業(yè)設計過程中使用ADAMS模擬機械新產(chǎn)品開發(fā)的全過程，使學生的設計能力和畢業(yè)設計質(zhì)量有了較大提高，增強就業(yè)核心競爭力。

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Application of ADAMS in Practice-Teaching Reform of Mechanical Professional

SHEN Zhong-hua1，2，CHEN Jing1，2

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文獻標識碼：A中圖分類號：TH166文章編號：1009-2374（2016）05-0073-02

作者簡介：伊紀斌（1994-），男，山東淄博人，山東理工大學國防教育學院學生，研究方向：機械設計

隨著知識經(jīng)濟和工業(yè)制造的快速發(fā)展，現(xiàn)代化的市場要求產(chǎn)品生產(chǎn)廠商要以最快的速度、最優(yōu)的品質(zhì)、最短的研發(fā)時間、最低的成本消耗和最佳的服務來滿足顧客的需求。傳統(tǒng)設計一般是在圖紙結(jié)合產(chǎn)品的特性和設計的具體要求進行的，在機械設計的過程中需要提前對設計中的設備裝配的干擾因素的不確定進行考慮，但是產(chǎn)品在裝配中的缺陷只有在產(chǎn)品開發(fā)的后期才能暴露出來或者在產(chǎn)品的試制階段和裝配中顯現(xiàn)出來。如果設計的零件已經(jīng)開始投入生產(chǎn)了，那么損失就更加嚴重了。產(chǎn)品的質(zhì)量在傳統(tǒng)的設計和制造方式上不能得到很好的保證，并且傳統(tǒng)設計的工藝比較粗糙、開發(fā)的效率低、花費時間比較長、耗費的資金比較大。在變化速度快、持續(xù)性發(fā)展和不可預測性市場中難以適應。因此，企業(yè)的生產(chǎn)活動需要具備高度的柔性和快速的反應，與此同時信息技術的飛速發(fā)展保證了機械制造的先進性，信息化的使用對于現(xiàn)代機械工程設計十分重要。

1虛擬機械制造技術

以往傳統(tǒng)的機械設計技術的設備條件比較差，設計技術性不強，傳統(tǒng)的設計觀念比較保守，設計的手段主要依靠的是粗略的計算和估算，主要是在較多的簡化和靜止化假設中完成機械工程的設計，傳統(tǒng)設計具有較大的隨意性，并且設計的關鍵過程還對設計者的經(jīng)驗和設計習慣具有很大的依賴性。設計的過程很難實現(xiàn)合理、高效和準確。但是在現(xiàn)代化虛擬設計的相關技術可以很好地實現(xiàn)設計經(jīng)驗依賴性強、設計過程靜態(tài)性和設計理念隨意性向現(xiàn)代化設計精確性、以數(shù)據(jù)知識工程和專家系統(tǒng)為保證的設計方式的發(fā)展，虛擬計算機技術需要對必要的信息進行檢索、分析和收集。最終找出最優(yōu)的設計方案和數(shù)值運算的方式，當然也會對CAD技術和人工智能技術、數(shù)據(jù)庫技術等進行大量的應用。虛擬機械制造技術主要是在虛擬環(huán)境下對計算機的模型進行虛擬分析的一種計算機設計技術。該技術集成并綜合應用了綜合性的機械制造環(huán)境，主要包括了各種仿真、分析、應用等工具以及信息模型和控制工具等。虛擬制造需要經(jīng)歷的主要階段有裝配產(chǎn)品的概念設計、動態(tài)仿真、回收利用。依靠虛擬制造技術，機械設計人員不需要將所有的零件設備生產(chǎn)制造出來，可以通過對零件模型的建立，隨后對零件進行虛擬裝配，并對各零件部位之間的裝配間隙進行干涉、對裝配的狀態(tài)實現(xiàn)檢查，對零件設計中的錯誤及時發(fā)現(xiàn)，如果零件不符合設計要求，可以依靠計算機技術方便及時更改模型，最后形成新的零部件設計圖和裝配圖，達到設計、裝配和制造檢驗的協(xié)調(diào)。

2虛擬制造技術的關鍵

虛擬制造技術包含了許多方面，主要有設計技術的提出、產(chǎn)品制造過程的抽取、原模型的建立、集成基礎結(jié)構、建模仿真等。下面就對虛擬制造技術中的關鍵技術進行詳細的介紹：

2.1虛擬技術中的建模技術

虛擬指的是在系統(tǒng)中將現(xiàn)實制造系統(tǒng)映射到虛擬環(huán)境下，主要涉及了RMS的模型化、形式化、計算機化的抽象描述和表示。VMS建模的主要內(nèi)容有生產(chǎn)模型建立、產(chǎn)品模型建立、工藝模型建立的信息化體系結(jié)構的建立。生產(chǎn)模型中有靜態(tài)描述和動態(tài)描述兩種。靜態(tài)描述主要是關于對系統(tǒng)生產(chǎn)能力和生產(chǎn)特性。動態(tài)描述是在已經(jīng)被得知的系統(tǒng)狀態(tài)和需求的性質(zhì)上對產(chǎn)品的整個過程進行全面的預測。在制造過程中我們將種種實體對象總的稱之為產(chǎn)品模型。在產(chǎn)品的模型建立中需要對產(chǎn)品的明細、形狀特征等方面進行描述。對于VMS而言，要實現(xiàn)產(chǎn)品實施過程的全部繼承必須具備完整的產(chǎn)品模型。因此在虛擬制造中的產(chǎn)品模型不再是單一和靜止的，它可以運用抽象的技術實現(xiàn)各種模型面貌的提取。工藝模型主要指的是在制造過程中對產(chǎn)品的工藝參數(shù)和關于產(chǎn)品功能的各種因素進行聯(lián)系，最終實現(xiàn)對產(chǎn)品模型和生產(chǎn)模型之間相互作用的反映。

2.2虛擬制造技術中的仿真技術

仿真指的是通過計算機實現(xiàn)復雜現(xiàn)實系統(tǒng)的抽象化和簡潔化最終形成的系統(tǒng)模型，并且在仿真的基礎上對模型進行應用，最終得到相應的系統(tǒng)性性能分析。仿真主要以系統(tǒng)模型為主體的研究方法，它對實際的生產(chǎn)系統(tǒng)沒有直接的干擾作用，并且仿真系統(tǒng)可以對計算機的計算能力進行應用，實現(xiàn)在短時間內(nèi)完成在實際工作中需要很長時間的工作，有效縮短了生產(chǎn)決策的時間，最大化地避免了對人力、物力和資金的投入以及浪費。計算機技術還有很好的仿真修復功能，最大化地保證了方案的最優(yōu)。仿真技術過程的主要步驟有系統(tǒng)研究、數(shù)據(jù)收集、系統(tǒng)模型建立、仿真算法的確定、仿真模型的計算、仿真模型的運行、結(jié)果的輸出和分析。仿真在產(chǎn)品的制造過程主要被分為制造的仿真和加工的仿真。在系統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)中主要涉及的是產(chǎn)品建模、設計交互行為仿真等。方便對設計結(jié)果的評價，及時進行反饋，降低產(chǎn)品設計中的錯誤。加工過程的仿真主要有切削、裝配、檢驗及焊接、壓力加工和鑄造等。以上兩種仿真過程是相對獨立的，兩者不能實現(xiàn)集成，而VM中應建立全面過程的統(tǒng)一仿真。

2.3虛擬制造中的虛擬現(xiàn)實技術

虛擬現(xiàn)實技術的目的是改善計算機的交互方式，提高計算機的可操作性，它是在對計算機圖形系統(tǒng)和多種顯示以及控制等接口設備的基礎上，以交互的三維環(huán)境為人提供沉浸體驗的技術。虛擬現(xiàn)實技術主要由圖形系統(tǒng)和多種接口設備組成，使人在虛擬環(huán)境中感受到真實的沉浸感覺，交互性計算機系統(tǒng)是虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的基礎。虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中有操作者、機器和人機接口。它幫助提升人和計算機間的和諧度，同時也是最有力的仿真工具。在VRS的作用下實現(xiàn)對真實世界的模擬。在用戶交互輸入以及輸出修改虛擬環(huán)境的條件下，使人達到身臨其境的沉浸感覺。VM的關鍵技術之一就是虛擬現(xiàn)實技術。

3機械虛擬樣機技術介紹

虛擬樣機技術在機械工程設計中被稱作機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術，它是20世紀80年代在計算機技術的快速發(fā)展中發(fā)展起來的一種計算機輔助技術。在計算機建立樣機模型后，對模型的多種動態(tài)性能進行具體的分析，最后對樣機方案實現(xiàn)改進。用數(shù)字化模型代替物理性的樣機。通過虛擬樣機技術的作用，簡化了機械產(chǎn)品的設計開發(fā)過程，有效縮短產(chǎn)品開發(fā)的時間，最大程度降低產(chǎn)品的開發(fā)成本和費用，實現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量和系統(tǒng)性能的提升，使設計產(chǎn)品實現(xiàn)最優(yōu)化和最具創(chuàng)新性。綜合以上優(yōu)勢，該技術一經(jīng)出現(xiàn)就受到了眾多工業(yè)發(fā)達和高等院校及設計和生產(chǎn)企業(yè)的重視，許多著名的產(chǎn)品開發(fā)設計者都對該技術進行了引入并運用在自身產(chǎn)品的開發(fā)中，并且取得了極好的經(jīng)濟和生產(chǎn)效益。在機械工程設計中應用仿真技術對零件進行設計、生產(chǎn)工序等方面的選用以及工藝參數(shù)、加工工藝、裝配工藝等構件的運動性等均可以實現(xiàn)建模仿真。

4虛擬制造技術在機械工程中發(fā)揮的優(yōu)勢

4.1強大的通用性和分析處理復雜問題的能力

虛擬樣機技術建立和發(fā)展的基礎是分析力學和多體運動力學，該技術的關鍵是對復雜機械系統(tǒng)進行自動建模。因此，大多數(shù)的虛擬樣機技術軟件主要運用的是帶約束乘子的微分代數(shù)混合方程。令每個構件都有六個自由度是它的核心，還要要求其對多余的自由度進行限制，實現(xiàn)其具有良好的通用性，達到適用性強的目的。與此同時，虛擬樣機技術還對機械系統(tǒng)的詳細環(huán)節(jié)進行考慮，具體指彈性、接觸和摩擦等因素。

4.2為機械系統(tǒng)建模帶來便利

傳統(tǒng)的機械系統(tǒng)建模中要先建立運動分析，隨后在運動分析的基礎上進行動力分析，這中間需要許多的圖形分析和公式推導。但是圖形的分析和公式的推導過程往往比較復雜，并且錯誤率高。同樣的建模過程中設計人員只需要將機械的構成方式和連接方法以及相應的物理參數(shù)實施輸入，其后的建模和求解只需要計算來完成就可以了，極大地幫助設計人員承擔了許多的設計難度。

4.3強大的后期處理能力

在傳統(tǒng)的分析方法上通常得出的是大量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的理解還要依靠豐富的經(jīng)驗和理論。但是運用虛擬樣機計算軟件為復雜性的數(shù)據(jù)提供了可視化技術，使得設計人員直觀地看到機械設計的性能和運動效果。

5結(jié)語

虛擬制造技術實現(xiàn)了現(xiàn)代工程機械工程設計領域中的設計、試制等一系列過程的直觀性。實現(xiàn)了在產(chǎn)品真正制造出來前，可以在虛擬的制造環(huán)境中生成產(chǎn)品的原型，更好地替代現(xiàn)實中的硬件產(chǎn)品，更方便地對設計產(chǎn)品的性能和可生產(chǎn)性進行評估，極大地縮短了產(chǎn)品的設計和生產(chǎn)周期，最大化地節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)的成本，保證產(chǎn)品的開發(fā)和設計可以適應市場的靈活性的變化。虛擬制造技術是現(xiàn)實技術和計算機仿真技術在機械制造中的綜合應用。在現(xiàn)代化計算機虛擬設計技術的幫助下實現(xiàn)對眾多產(chǎn)品的開發(fā)和設計，不僅不會造成實際物質(zhì)的浪費，并且還能更直觀地了解產(chǎn)品生產(chǎn)的具體情況，打開了機械制造和設計的全新局面。

參考文獻

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[2]劉玲娣．淺談虛擬制造技術在農(nóng)機設計制造中的應用[J]．河北農(nóng)機，2013，（2）．

[3]孫福臻，閻勤勞，單忠德，等．機械虛擬現(xiàn)實技術的應用與發(fā)展[J]．機械設計與制造，2010，（5）．

[4]郝虎．虛擬樣機技術在采煤機械設計中的應用[J]．城市建設理論研究（電子版），2011，（25）．

篇（5）

    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(jié)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(jié)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。

篇（6）

中圖分類號：U415.52+1 文獻標識碼：A 文章編號：

根據(jù)對目前壓實度檢測系統(tǒng)的研究，要實現(xiàn)振動壓路機對壓實度的實時檢測技術一般需要利用壓路機振動輪的某一動態(tài)響應值來間接反映路基壓實度的變化。此次仿真研究的目的就是利用虛擬樣機技術模擬垂直振動壓路機的振動壓實試驗，測量振動輪在碾壓代表不同壓實度路基模型時的垂直振動加速度幅值，為建立路基壓實度和振動輪加速度幅值之間的對應關系提供數(shù)據(jù)支持。

1 垂直振動壓實技術的特點

（1）垂直振動壓路機的振動輪在激振機構的帶動下產(chǎn)生的垂直方向上的定向振動，對被壓實材料不會產(chǎn)生水平方向上的干擾力。垂直振動壓路機施工過程中不會在振動輪的行駛方向上產(chǎn)出擁土，道路的表面沒有松散層和裂紋出現(xiàn)，因此避免了傳統(tǒng)振動壓實之后還需要使用靜碾壓路機進行碾壓的施工環(huán)節(jié)，施工效率在同等條件下提高了 3 倍。

（2）垂直振動壓實之后，得到的鋪層材料壓實度均勻，質(zhì)量穩(wěn)定，密封性好。垂直振動還能夠確保瀝青和骨料混合物具有更好的均勻性和良好的道路表面粗糙度。

（3）垂直振動壓路機適用于各種壓實材料及工況，廣泛應用于砂土、土石填方、瀝青混合料以及水泥混凝土的混合料，其作業(yè)時的擊實能量沿道路的表面垂直向下傳遞，具有很小的道路表面波動，因此施工過程中對周圍的環(huán)境影響較小，具有一定的環(huán)保意義。

2垂直振動壓實仿真的理論分析

垂直振動壓路機壓實路基數(shù)學模型的建立是基于以下假設的：

（1）振動壓路機的減振系統(tǒng)和隨振的壓實材料被認為是彈簧—阻尼單元，而且彈簧--阻尼認為是沒有質(zhì)量的；

（2）假設垂直振動壓路機的振動輪和所有相關的機架均為剛性體，而且將它們看成是具有一定質(zhì)量的集中質(zhì)量塊；

垂直振動壓路機在高頻低幅或者低頻高幅下進行工作時，其它機械參數(shù)是不變的，只有路基材料的結(jié)構和物理性質(zhì)發(fā)生變化，從振動輪垂直振動加速度的推導結(jié)果也可以看出壓路機在工作時振動輪的垂直加速度和代表壓實材料的剛度和阻尼有關。

振動輪在壓實過程中的動力學響應與被壓實材料的壓實度有著緊密的聯(lián)系，振動輪在垂直方向的振動加速度響應和壓實材料的剛度正相關，與阻尼負相關。隨著壓實度的增加，代表壓實材料的剛度增大，阻尼減小，因此垂直振動壓路機振動輪的垂直振動加速度和壓實度是正相關的，而且這種規(guī)律具有普遍性不因為被壓實材料的改變而不同。因此，在ADAMS 利用虛擬樣機模擬振動壓實試驗，以測量振動輪垂直振動加速度的基頻幅值來反映壓實材料的壓實度是可行的。

3垂直振動壓路機的壓實仿真模擬

在垂直振動壓路機的施工過程中，壓實材料的物理特性是不斷變化的，而在仿真環(huán)境下壓實材料的這種變化是通過材料本構模型物理參數(shù)的改變來描述的。振動壓實系統(tǒng)動力學模型中的剛度和阻尼只是壓實材料的模擬參數(shù)，其數(shù)值是大都是通過經(jīng)驗來確定，不能通過土工試驗來測定，在描述壓實材料的物理性能上存在很多的不足。而在 ANSYS 中以本構模型為理論基礎建立起的路基仿真模型更接近于路基真實的物理性能。

通過改變路基材料在不同壓實度下本構模型中物理參數(shù)的值建立起同種路基材料的不同仿真模型，構成多組振動壓實仿真模型模擬實際的振動壓實試驗。每一組模型完成一次仿真之后即可獲得在不同壓實度下的振動輪垂直振動加速度，通過幅頻變換得到其在基頻下的加速度幅值。垂直振動壓路機的虛擬樣機工作參數(shù)為振幅 2mm，激振頻率為 29Hz，行走速度為 3km/s。某路基材料不同壓實度下本構模型的基本物理參數(shù)如表 1 所示。

表1 路基材料的基本物理參數(shù)

利用 ADAMS/View 的后處理模塊采集垂直振動壓路機的虛擬樣機在碾壓壓實度為67%的路基模型時振動輪的垂直振動加速度信號波形如圖 1~圖 2 所示。

圖 1 碾壓壓實度為 67%的路基模型時振動輪垂直振動加速度信號

圖 2振動輪垂直振動加速度信號的頻譜圖

從振動輪加速度信號的波形圖可以看出：隨著路基模型壓實度的不斷增加，振動輪的垂直振動加速度信號的幅值也在不斷增大，這與理論分析和相關文獻的論述是相符合的；從圖 5-8 振動輪垂直振動加速度信號的頻譜圖可知讀取振動輪振動的基頻為 29Hz，這與振動輪的激振頻率是一致的，說明 ADAMS/View的后處理模塊能對虛擬振動壓實的振動信號進行準確的采集，所建立的仿真系統(tǒng)也是可行的，采集的仿真數(shù)據(jù)具有一定的研究價值。

4 垂直振動壓路機的路基壓實狀態(tài)分析

垂直振動壓路機在代表不同壓實度的路基模型上進行振動碾壓時其振動輪將會有不同垂直振動加速度響應。表2為垂直振動壓路機虛擬樣機在碾壓不同壓實度路基模型時獲取的振動輪垂直振動加速度信號在基頻下的響應幅值。利用基頻下振動輪垂直振動加速度的幅值對路基模型的壓實度進行標定50，從而實現(xiàn)利用振動輪的動態(tài)響應來反推路基壓實度的目的。

表2 不同壓實度下振動輪垂直振動加速度的幅值

圖6 為振動輪的垂直振動加速度和路基壓實度之間的對應關系，振動輪垂直振動加速度在基頻下的幅值和路基壓實度之間通過數(shù)據(jù)擬合建立起的線性關系式為：

Y=2.617x-65.821；R2=0.9731 （1）

式中：y—路基壓實度；x—振動輪垂直振動加速度幅值；R—相關系數(shù)。

這種檢測方法實現(xiàn)了對路基壓實度更全面的檢測，能夠更好的控制施工質(zhì)量，隨時發(fā)現(xiàn)被壓實路段存在的缺陷，避免了人工檢測工作量大和測點不足容易出現(xiàn)漏檢的問題。

5結(jié)束語

論文實現(xiàn)了垂直振動壓路機壓實路基的仿真過程，測得了振動壓路機的振動輪在碾壓不同壓實度的路基模型時在垂直方向上的振動加速度，并根據(jù)數(shù)學模型計算的結(jié)論建立起了振動輪垂直振動加速度和路基模型壓實度之間的線性關系式，為建立振動輪動態(tài)響應和路基壓實度之間的關系提供了一種仿真方法。

參考文獻

篇（7）

一、引言

虛擬樣機技術是一種在產(chǎn)品設計開發(fā)過程中，在計算機上建立產(chǎn)品的模型，進行仿真分析，預測產(chǎn)品的性能，進而改進產(chǎn)品設計、提高產(chǎn)品性能的新的設計方法[1]。

在虛擬制造的全過程中虛擬加工環(huán)境是比較重要的環(huán)節(jié)。虛擬加工環(huán)境是將切削刀具、數(shù)控機床等機械制造資源和工件以數(shù)字化的模式建立在計算機內(nèi)，利用計算機圖形學和計算機技術實現(xiàn)工件的加工過程虛擬仿真。因此，虛擬加工環(huán)境能夠有效地提高產(chǎn)品研發(fā)進度，降低研發(fā)風險和成本。

在此我們對自行研制的數(shù)控沙發(fā)扶手三軸聯(lián)動機床，用Visual C++ 6.0和OpenGL進行程序編制，實現(xiàn)對機床的運動學和動力學仿真分析。

二、仿真系統(tǒng)的總體結(jié)構

對一個虛擬加工環(huán)境而言，其必須與實際加工系統(tǒng)具有功能和行為的一致性。虛擬加工環(huán)境系統(tǒng)結(jié)構主要包括機床模型、工件模型、刀具模型、夾具模型、NC代碼解析模塊、加工過程仿真以及三維建模和數(shù)據(jù)庫等模塊組成，系統(tǒng)總體結(jié)構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構

其中三維建模模塊包括幾何建模、行為建模和其他建模。加工過程仿真模塊包括加工過程幾何仿真和圖形顯示。NC代碼解析模塊用于對數(shù)控程序進行檢驗，并對數(shù)控加工過程仿真的動作和狀態(tài)起控制作用。

三、系統(tǒng)實現(xiàn)的關鍵技術

（一）虛擬加工環(huán)境的幾何建模

幾何模型的表示是虛擬加工環(huán)境幾何建模的關鍵，也就是說，要采用什么樣的數(shù)據(jù)結(jié)構和方法來構成虛擬加工環(huán)境的結(jié)構。由于沙發(fā)扶手加工機床的幾何模型是一個比較復雜的裝配體，裝配模型是幾何模型的基礎，同時，裝配模型定義了各個部件之間的裝配層次關系和相對位置，它反映了各個零部件間相互約束的關系。因此，模型的相應數(shù)據(jù)結(jié)構描述包括兩方面的內(nèi)容，一是用來存儲機床零部件間的裝配關系，二是描述各零部件幾何模型的幾何信息和拓撲信息[2]。

加工設備的幾何模型是真實設備在虛擬環(huán)境中的映射，必須保證模型具有結(jié)構和功能的相似性[3]。機床由床身和各運動部件裝配而成，是一個層次式的裝配體，其組成部件的對象可分為兩類：一類是具有運動特性的對象；另一類是靜止對象。基于此可把機床分解為床身、工作臺、夾具、毛坯、刀具、刀庫等幾個基本類。限于篇幅，以下僅給出床身類的類定義。

Class ChuSheng

{

public：

ChuSheng （）； //構造函數(shù)

ChuSheng （GLfloat x， GLfloat y， GLfloat z）； //重載構造函數(shù)

Protected：

Void ChseMaterial （）； //床身材質(zhì)

Void ChseColor （）； //床身顏色

Void ChseList （）； //床身顯示列表

}；

（二）虛擬加工環(huán)境圖形顯示技術

動態(tài)圖形虛擬仿真需要很快的顯示處理速度。但進行實時動態(tài)控制、消隱和光照等操作的數(shù)據(jù)運算量非常大，它們的計算速度是影響虛擬仿真圖形顯示速度最關鍵的因素。虛擬仿真數(shù)控加工沙發(fā)扶手過程的圖形顯示表現(xiàn)為動態(tài)顯示木料的去除，工作臺運動和刀具運動。由于每次切削過程，顯示圖形僅僅是工作臺、刀具切削的局部和木料的位置產(chǎn)生了變化，因此在沙發(fā)扶手虛擬加工系統(tǒng)的軟件編制過程中，應用了局部刷新技術。所謂局部刷新技術，主要思路就是確定模型幾何信息發(fā)生變化的空間范圍，僅對該范圍內(nèi)的模型的幾何信息進行顯示運算，在變化范圍之外的模型信息并不參與運算。僅有在該范圍內(nèi)的顯示圖形發(fā)生改變，在該范圍之外圖形維持原來的狀態(tài)。虛擬仿真沙發(fā)扶手的加工過程中，重新計算場景信息非常耗時，可將場景信息復制到OpenGL的緩存中，每次刷新顯示畫面前將場景信息復制回顯示緩存，這樣就顯著提高了圖形的顯示效率。

（三） NC代碼解析模塊技術

由于在沙發(fā)扶手加工過程仿真中的虛擬機床不能執(zhí)行數(shù)控代碼，因此，需要經(jīng)過解析模塊來將數(shù)控程序轉(zhuǎn)換成虛擬數(shù)控機床可識別和執(zhí)行的程序，即實現(xiàn)NC程序檢驗和產(chǎn)生虛擬仿真驅(qū)動數(shù)據(jù)的功能。預處理負責對工件數(shù)控程序的語法與詞法的識別。經(jīng)過語法檢驗，如果存在語法錯誤，則進行相應的修改，然后按照修改后的數(shù)控程序更改數(shù)控數(shù)據(jù)結(jié)構中對應項。提取控制虛擬刀具、虛擬機床和木料相對運動的狀態(tài)信息和相關動作，從而形成虛擬仿真加工沙發(fā)扶手的驅(qū)動文件，實現(xiàn)NC程序驅(qū)動的加工過程虛擬仿真。

在NC代碼解析過程中，用來存儲從NC代碼中提取的影響工件和機床運動信息的數(shù)據(jù)結(jié)構非常重要，本文采用了如下的數(shù)據(jù)結(jié)構。

Typedef struct ShuKong

{

Int iGdai ； //G代碼

Int iMdai； //M代碼

Int iCXnum； //程序段

float fJinGei； //進給速度

float fDaoJuPo； //刀具位置

bool iZhuZhou； //主軸轉(zhuǎn)向

int iZhuZhouSpeed； //主軸轉(zhuǎn)速

Int iTdaoj； //刀具號

} ShuKong；

四、結(jié)論

本系統(tǒng)通過對輸入的數(shù)控加工代碼的圖形驗證，實現(xiàn)了數(shù)控加工過程的仿真且具有如下特點：

（1） 采用局部刷新技術，提高了圖形的顯示速度，實現(xiàn)了實時仿真的要求。

（2） 仿真時模擬加工環(huán)境、材料去除過程、木料幾何體、刀具幾何體及刀具路徑，避免了因NC代碼誤差而導致的工件的報廢、機床夾具、刀具損壞等問題。

（3） 在編譯和檢驗NC代碼的基礎上，通過對夾具、刀具、工件和機床的圖形顯示，實現(xiàn)了實際切削加工沙發(fā)扶手過程的仿真。

此外，該系統(tǒng)可作為虛擬制造中的一個制造單元工具，實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)字化生產(chǎn)，亦可用來培訓數(shù)控編程人員。有關物理仿真中的工件材料缺陷、運動控制誤差、工藝系統(tǒng)、相對振動等，還有待進一步研究，使本系統(tǒng)更加完善。

參考文獻

篇（8）

[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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)算過程中查看結(jié)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(jié)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(jié)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(jié)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(jié)

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(jié)構進行改善，將在管道彎曲處設計添加圓角。仿真結(jié)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。

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隨著計算機信息科學的飛速發(fā)展，尤其是本世紀在計算機圖形學技術、高性能圖形系統(tǒng)和虛擬現(xiàn)實方面的誕生了不少的研究成果，維修過程在獲得實物樣機或原型機之前就可以開始進行。產(chǎn)品設計和開發(fā)的模式也隨之發(fā)生了變化。DELMIA、Jack等計算機輔助設計軟件和技術的廣泛應用，可以輔助設計人員完成包含數(shù)字樣機、虛擬維修人員和虛擬維修工具的虛擬維修操作流程仿真。在設計階段即開展對設計方案和設計布局的數(shù)字仿真，可以避免實物原型的制作，節(jié)約了從設計到定型的時間，提高了設計效率，從而降低了開發(fā)成本；前期開展的虛擬維修工程評價工作，在一定程度上優(yōu)化了設計方案和設計布局，因此可以避免不合理的設計，減少給后續(xù)維修工作造成的不便。

維修操作空間定量評價方法

維修是一種需要人參與的活動，適當?shù)木S修空間將提高維修效率和維修人員的舒適程度。這一節(jié)的主要內(nèi)容是確定適當?shù)木S修操作空間的大小。

在設計產(chǎn)品時，適當?shù)牟僮骺臻g的具體尺寸需要依據(jù)維修人員的身體尺寸和操作姿態(tài)來確定。因此維修操作空間應考慮維修人員的影響因素，如實體可達性。人的上肢可以接觸到的空間范圍分為最佳范圍、正常范圍和最大范圍。人體上肢的作業(yè)范圍是一個三維空間，維修人員的最大操作空間和舒適度隨著操作高度、手臂延伸線與人體中線的夾角角度的改變而發(fā)生變化。為了便于分析人體上肢的操作范圍，建立數(shù)學模型描述人體各部分的尺寸和相對位置。

軟件工具設計和案例探究

CATIA是法達索公司（Dassault Systemes）與IBM公司（International Business Machines Corporation國際商業(yè)機器公司）聯(lián)合開發(fā)的一款CAD/CAE/CAM軟件，主要為客戶提品外形設計、機械零件設計、配合結(jié)構設計、組裝、數(shù)控加工等功能，并提供大量的標準尺寸零件模型，使得企業(yè)可以縮短開發(fā)周期，快速迭代設計方案，對市場需求做出敏捷的反應。CATIA是目前應用最廣泛數(shù)字樣機設計開發(fā)軟件之一，應用范圍涵蓋等航空航天、建筑、船舶、汽車、鐵路等多個領域。DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application）是法國達索（Dassault Systemes）公司生產(chǎn)的一款數(shù)字化企業(yè)的互動制造應用軟件，是PLM（Product Life Management）系列產(chǎn)品之一。該軟件與CATIA互為補充，呈現(xiàn)上下游關系，共同貫穿產(chǎn)品的設計周期。利用CATIA制作數(shù)字樣機后，可在DELMIA中進行物流過程分析、維修、裝配、工藝規(guī)劃、與機器人配合等多種功能的虛擬演示和模擬，是一個面向設計、制造、維護、人機過程的“數(shù)字化工廠”仿真平臺。便于用戶檢查設計方案的缺陷和漏洞，及時更改設計方案，降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)時間，實現(xiàn)快速上市的目的。DELMIA中含有一個Human Task Simulation模塊，包含虛擬人模型、人體動作模型、維修工具等內(nèi)容，用于模擬人機交互過程，實現(xiàn)虛擬維修、虛擬拆卸、虛擬裝配等功能，也是本研究中重點使用的模塊，包含本研究中所需要的大部分數(shù)據(jù)。本研究基于CATIA與DELMIA現(xiàn)有的軟件功能和數(shù)據(jù)庫進行二次開發(fā)，研究目標是在客戶已經(jīng)完成產(chǎn)品設計和數(shù)字樣機的制作的情況下，根據(jù)已制作好的虛擬維修仿真動畫，針對產(chǎn)品的維修操作空間的完成定量評估。

軟件的二次開發(fā)是在現(xiàn)有軟件產(chǎn)品的基礎上，對軟件功能進行延伸和擴展，或?qū)崿F(xiàn)和其他軟件的對接并實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換和傳輸。二次開發(fā)一般針對某一類特定的用戶，通過添加更個性化、專業(yè)化的功能和模塊，使得軟件功能更具有針對性，用戶的需求得以實現(xiàn)，工作效率得以提高。DELMIA為不開源的軟件，為實現(xiàn)二次開發(fā)必須利用軟件開發(fā)商為用戶專門準備的二次開發(fā)接口。為靈活地滿足不同客戶的需要，DELMIA提供了多種二次開發(fā)的接口：一是CAD格式接口，方便客戶加載在CAD環(huán)境下設計的數(shù)字樣機，實現(xiàn)模型結(jié)構、尺寸、顏色渲染等數(shù)據(jù)的導入導出；二是知識工程，這是DELMIA的一個專門模塊，知識工程利用參數(shù)化定義的方法對人體模型和基礎動作單元進行了建模，建立一個標準模型庫，用戶可以通過關鍵參數(shù)調(diào)用標準模型庫中的模塊，從而實現(xiàn)快速建模，完成設計任務；三是采用自動化對象編程的接口Automation API（Application Programming Interface），能夠?qū)崿F(xiàn)宏指令的編寫，或利用宏與VB開發(fā)語言（Visual Basic）相結(jié)合編寫簡易程序；四是開放的基于構件的應用編程接口CAA（Component Application Architecture，應用組件架構），這是DELMIA的一套C++函數(shù)庫，這一接口主要用于與C++開發(fā)語言鏈接，方便客戶使用C++編寫所需程序，用戶可通過快速應用研發(fā)環(huán)境RADE（Rapid Application Development Environment）和不同的API（Application Programming Interface）接口完成從DELMIA數(shù)據(jù)庫中調(diào)取數(shù)據(jù)到C++程序中的過程。

該案例為針對拆卸某型號大型客機APU上六角螺母的維修空間定量評估。目的是利用所提出的方法和開發(fā)的軟件工具，對維修操作空間進行定量評價，以展示方法的靈活性和有效性以及軟件的可用性和可靠性。該大型客機APU的虛擬維修操作動畫截圖如圖1所示。該大型客機APU上有12顆六角螺母，選取123號螺母作為典型案例，三顆螺母的位置如圖2所示。

這三顆螺母中，顯然3號周圍的障礙物少，對扳手的使用影響較少，同時位置較低，距離肩膀較近，手臂只需微微向上伸出即可接觸到，因而上肢舒適度較高。該螺母周圍的空間無需定量評估，定性評估即可確定等級為優(yōu)秀。1號螺母雖然位置很高，但是周圍的障礙物少，手部可達到1200旋轉(zhuǎn)。2號螺母位置較高且周圍障礙物較多，維修人員手部只能達到600旋轉(zhuǎn)。本案例中選取2號螺母進行分析。

第一步打開程序，連接虛擬環(huán)境，選定虛擬人并連接。第二步選定關鍵幀，抓取扳手之后，選取手部攜工具接近、旋轉(zhuǎn)卸下六角螺母、手部攜工具離開這三幀內(nèi)容。第三步系統(tǒng)提示選取第一幀的維修活動單元類型，為平移，此時軟件自動計算第一幀的掃掠舒適度PV、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=0，z=1，但不在界面中顯示。第四步系統(tǒng)提示選取第二幀的維修活動單元類型，為旋轉(zhuǎn)，如圖3所示，此后軟件自動計算第一幀的掃掠舒適度Pv、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=1，z=1，但不在界面中顯示。第五步系統(tǒng)提示選取第三幀的維修活動單元類型，為平移，此時軟件自動計算第三幀的掃掠舒適度Pv、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=1，z=2，但不在界面中顯示。第六步系統(tǒng)自動根據(jù)已有的x、y、z，計算s的評價標準，（0.8x+0.75y+0.9z）為優(yōu)秀閾值，（0 5x+0.25y+0.7z）為差閾值，該部分不在界面中顯示。第七步系統(tǒng)輸出三幀中每一幀的s值，并與s的優(yōu)秀閾值和差閾值比較，給出空間評價結(jié)論。該案例中具體數(shù)據(jù)截圖如圖4所示。得出結(jié)論該部分操作空間維修性差，必須加以改進。

篇（10）

學院2016年計劃招收博士研究生46名，實際招生人數(shù)以總部下達計劃為準。

二、報考條件

我院博士研究生只面向現(xiàn)役軍人招生，報考2016年博士研究生應當具備以下條件：

1、品德優(yōu)良，遵紀守法，立志獻身國防事業(yè)；未受過紀律處分。

2、軍隊在職干部按師（旅）級單位推薦、軍級單位政治部審批、軍區(qū)級單位政治部干部部門核準、總政治部干部部備案的程序進行審批，由師（旅）級單位干部部門開具介紹信。軍隊院校應屆碩士畢業(yè)生經(jīng)所在院校政治機關審批同意。

3、身體健康，體能達標，年齡不超過40周歲（1976年9月1日以后出生）。

4、在職干部須獲得碩士學位，其中本院在職干部報考工學博士須有被SCI或EI收錄的以第一作者發(fā)表的學術論文；應屆碩士畢業(yè)生須完成學位論文初稿，在中文核心期刊（含錄用通知）或國際會議發(fā)表2篇以上學術論文。

5、有兩名與報考學科相關的高職人員推薦。

三、報名手續(xù)

考生持公民身份證和軍官證（學員證）于2015年9月20日至30日到學院教學實驗綜合樓研究生招生辦公室（1127室）報名，外地考生可函報。報名時應提交：

1、填制完畢的《2016年報考攻讀博士學位研究生登記表》和《報考軍隊院校研究生政治審查表》（9月1日后，院內(nèi)考生可從學院研究生處網(wǎng)站下載；院外考生可來電索要）。

2、已獲碩士學位者，提交碩士課程成績單、碩士學位論文及評閱意見書復印件；應屆碩士畢業(yè)生提交碩士課程成績單、碩士學位論文初稿、已發(fā)表學術論文版權頁或錄用通知。

3、碩士學歷、學位證書原件及復印件(應屆生于獲得證書后補交)。

4、檔案所在師（旅）級單位干部部門同意報考的證明信。

5、一寸正面半身免冠照片3張，報名費300元。

上述手續(xù)齊備，審查合格者發(fā)放準考通知，考生可于10月9日到研招辦領取《準考證》。

四、考試安排

博士研究生入學考試總分值為600分，包括六項內(nèi)容：英語筆試、數(shù)學筆試、科研學術成果計分、碩士學位論文評分、專業(yè)綜合面試、綜合素質(zhì)面試，每項內(nèi)容滿分100分。

考試時間擬定于2015年10月11至12日，考試地點和具體安排詳見《準考證》。

五、其他

1、考生可于2015年11月初查詢錄取情況，入學時間為2016年3月份（詳見通知書）。

2、我院提供部分往年考試試題，考生可登錄學院研究生處網(wǎng)站下載。

六、聯(lián)系方式

聯(lián)系人：譚繼帥（參謀） 手機：13831189507座機：0311-87992123（地）；0221-92123（軍）

E-mail：tanjishuai@126.com 通信地址：河北省石家莊市和平西路97號研究生招生辦公室（050003）

招生專業(yè)目錄

專業(yè)代碼、名稱及研究方向

導師

專業(yè)綜合（面試）

數(shù)學（筆試）

080200機械工程

01機械性能檢測與診斷

張英堂

測試技術與信號處理

矩陣理論

02地面運載平臺維修理論與技術

張培林

狀態(tài)監(jiān)測與智能診斷技術

03機械振動與沖擊防護

白鴻柏

振動理論

04機電液集成系統(tǒng)控制技術

何忠波

車輛工程

05機械制造及其自動化

倪新華

斷裂力學

080300光學工程

01軍用光電系統(tǒng)設計與應用

劉秉琦

陳志斌

應用光學、物理光學、光電測試技術

矩陣理論

02激光技術

沈?qū)W舉

激光原理及應用

03光學信息安全

光學信息技術原理與應用、光學信息安全

04微納光學

汪岳峰

光電子技術

080402測試計量技術及儀器

01測試性設計與分析

黃考利

測試技術

矩陣理論

02精密儀器與微系統(tǒng)

王廣龍

03裝備狀態(tài)監(jiān)測與故障預測

李洪儒

測試與診斷技術

矩陣理論或應用數(shù)理統(tǒng)計

04網(wǎng)絡安全技術

王  韜

計算機網(wǎng)絡

081100控制科學與工程

01裝備測試與故障診斷

尚朝軒

測試與診斷

矩陣理論或應用數(shù)理統(tǒng)計

02火力與指揮控制理論及應用

全厚德

孫世宇

數(shù)字信號處理

矩陣理論

03武器系統(tǒng)建模與仿真

朱元昌

系統(tǒng)仿真

04電子裝備自動測試、故障診斷及可靠性

蔡金燕

測試與診斷

05目標識別與信息處理技術

王春平

圖像工程

06精確制導理論與技術

楊鎖昌

精確制導、控制與仿真技術

07無人機數(shù)據(jù)鏈抗干擾技術

陳自力

線性系統(tǒng)理論、數(shù)字信號處理

08目標探測與識別

馬彥恒

數(shù)字信號處理、現(xiàn)代控制理論

09飛行器控制

齊曉慧

線性系統(tǒng)理論

10無人機協(xié)同控制

李小民

現(xiàn)代飛行控制理論、導航控制技術

11無人機信息處理與傳輸技術

王長龍

數(shù)字信號處理

12非線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性與控制

徐  瑞

動力系統(tǒng)的穩(wěn)定性理論

082600兵器科學與技術

01裝備輕量化技術

鄭  堅

火炮與自動武器原理、材料學

應用數(shù)理統(tǒng)計

02兵器試驗理論與技術

秦俊奇

火炮專業(yè)相關理論

矩陣理論

03裝備維修理論與技術

陶鳳和

火炮與自動武器原理、現(xiàn)代機械測試技術

04兵器性能檢測與診斷技術

房立清

機械裝備故障診斷與預測、武器系統(tǒng)裝備知識

應用數(shù)理統(tǒng)計

馮廣斌

火炮與自動武器原理、工程信號處理、現(xiàn)代機械測試技術

矩陣理論

05兵器結(jié)構動力學理論與應用

王瑞林

槍炮設計原理、振動理論、電磁場理論

06武器系統(tǒng)仿真與虛擬樣機技術

馬吉勝

振動理論、動力學仿真

07彈道學理論及應用

宋衛(wèi)東

彈道學理論、制導理論與技術

08彈道修正理論與技術

彈道學、自動控制與導彈設計理論

矩陣理論或應用數(shù)理統(tǒng)計

09兵器性能檢測與故障診斷

唐力偉

振動理論

10兵器新材料技術

王建江

材料學

應用數(shù)理統(tǒng)計

11彈藥系統(tǒng)設計與試驗評估

高欣寶

系統(tǒng)仿真技術及其在信息化彈藥工程中的應用

矩陣理論

羅興柏

爆炸及其防護技術在彈藥保障中的應用

12彈藥保障與安全技術

安振濤

炸藥理論、彈藥保障及安全風險評估

穆希輝

彈藥保障

矩陣理論或應用數(shù)理統(tǒng)計

13信息感知與控制技術

齊杏林

彈藥引信論證、設計、試驗及評估理論與技術

14防護材料與特種能源技術

杜仕國

防護材料與特種能源技術及其在彈藥工程中的應用

矩陣理論

15電磁發(fā)射理論與技術

雷  彬

電磁場理論、測試技術

16武器系統(tǒng)建模與仿真

蘇群星

武器系統(tǒng)仿真與模擬器設計

17紅外圖像末制導技術

高  敏

彈道學、自動控制與導彈設計理論

矩陣理論或應用數(shù)理統(tǒng)計

18裝備維修保障理論與技術

賈希勝

石  全

康建設

趙建民

可靠性、維修性、維修工程

應用數(shù)理統(tǒng)計

朱小冬

可靠性、維修性、維修工程、建模與仿真

矩陣理論或應用數(shù)理統(tǒng)計

19裝備維修性理論與應用

郝建平

可靠性、維修性、維修工程、虛擬仿真

20電磁防護理論與技術

劉尚合

魏光輝

電磁場理論、微波與天線

矩陣理論

王慶國

大學物理、有機化學、固體物理、電磁場理論

譚志良

電子技術基礎、通信原理、微波與天線

21脈沖電磁場測試技術

朱長青

電路分析、電磁場理論和微波技術、數(shù)電模電

110900軍事裝備學

01裝備保障信息化

盧  昱

網(wǎng)絡信息安全保障

軍事運籌學

02裝備保障理論與應用

石  全

軍事裝備學、戰(zhàn)役基本理論

應用數(shù)理統(tǒng)計或軍事運籌學

于永利

可靠性、維修性、維修工程、建模與仿真

軍事運籌學

柏彥奇