虚拟样机技术

基于核心软件的虚拟样机技术机电系陈立胜

学术报告1目录1．虚拟样机技术的基本概念

2.虚拟样机技术的特点

3.虚拟样机技术的软件化

4虚拟样机技术的工程应用

2虚拟样机技术的基本概念

虚拟样机技术（VirtualPrototyping,VP）是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术（指在某一系统中零部件的CAD和FEA技术）揉合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预测产品的整体性能，进而改进产品设计，提高产品性能的一种新技术。3虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中，工程设计人员可以直接利用CAD系统提供的各零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观察并试验各组成部件的相互运动情况，它可以在计算机上方便地修改设计缺陷、仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案后，再制造出物理样机。4虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟样机环境中真实地模拟产品整体的运动及受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或无法进行的试验，直到获得系统级的优化设计方案。虚拟样机技术的应用贯穿在整个设计当中，它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可以把自己的经验与想象结合在计算机内的虚拟样机里，让想象力和创造力得到充分发挥。当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计质量和效率也得到了提高。在传统开发模式中，机构设计工程师与控制设计工程师的设计过程是分离的，而虚拟样机开发模式，中机构设计工程师与控制设计工程师可以共享一个模型。52.虚拟样机技术的特点

虚拟样机技术的视线，必备的三个相关的技术领域是：CAD技术、计算机仿真技术和虚拟现实（VirtualReality，简称VR）为最终目标的人机交互技术。虚拟样机的组成及所处环境如图1所示。

6虚拟样机组成及所处环境

TheconstitutesandenvironmentofVP

7CAD技术的作用虚拟样机技术生成的前提是虚拟部件的“制造”。成熟的CAD三维几何造型软件能快速、便捷地设计和生成三维造型。虚拟部件必须包含颜色、材质、外表纹理等外在特征以显示真实的外观，同时还必须包含质量、重心位置、转动惯量等内在特征，用来进行精确的机械系统动力学仿真运算。CAD生成的三维造型数据必须导入虚拟样机环境，在虚拟环境中能测量和装配，并能显示出三维的外观造型后才能成为真正意义上的虚拟部件。CAD三维造型还是实现最终从虚拟部件“制造”到现实部件制造的基础。82.2虚拟样机的生产流程

9三个阶段第一阶段，描述虚拟部件的CAD数据必须产生，并且作针对实时应用的预处理。第二阶段是针对DMU仿真的需要对CAD几何造型进行后处理。

第三阶段是将处理好的CAD三维模型连接到虚拟样机内核上，使之与定义好运动联结（joints）、运动约束（Constraints）的机构系统以及其它子系统有机联系在一起，最后在虚拟样机仿真环境下生成虚拟样机。103.虚拟样机技术的软件化

国外虚拟样机相关技术的软件化过程已基本实现，目前有许多家公司在这个领域上竞争。比较有影响的产品包括美国机械动力公司(MechanicalDynamicsInc.)的ADAMS，美国CADSI(ComputerAidedDesignSoftwareInc.

1998年后，CADSI与比利时LMSInternational公司合并，CADSI易名为LMS－CADSI)公司的DADS，以及德国航天局的SIMPACK。其中美国机械动力公司的ADAMS占据了市场的70%。114虚拟样机技术的工程应用

虚拟样机技术应经广泛地应用到：汽车制造业、工程机械、航空航天业、国防工业及通用机械制造业等领域。所涉及到的产品，从庞大的卡车到照相机的快门，上天的火箭到轮船的锚链。在各个领域，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节省了开支、时间，并提供了满意的设计方案。12虚拟样机技术的工程应用

应用虚拟样机技术的企业主要由波音、通用、福特、丰田、本田等。飞机制造业对虚拟样机的需求最为迫切。飞机成本高，系统复杂，因此不可能制造多台物理样机，或多台飞机子系统物理样机；此外实地试验耗资巨大，危险性高，且受到安全法规的严格限制，还必须有产品安全性、性能和可靠性的标准。13虚拟样机技术的工程应用

波音公司在波音777飞机设计过程中，采用虚拟样机技术后，减少了设计更改次数，减少了94%的研制费用，提高模具设计精度10倍，研制周期降低50%。福特在C3P(CAD/CAM/CAE/PIM)项目中，采用虚拟样机技术后，产品开发周期从原来的48个月缩短为24个月。14制造业典型的产品开发过程串行开发模式：导致开发周期长、开发成本高！

设计-制造-测试产品概念15基于虚拟样机的产品开发虚拟样机概念产品Time=$基于虚拟样机的设计的开发时间无虚拟样机的设计的开发时间16MathCAD2001界面

17喷浆机器人大臂俯仰特性曲线

18AutoCAD图形展示19AutoCAD图形展示20pro/e连杆21Pro/E四杆机构22弹簧23减速箱零件汇总24主轴组