虚拟样机技术的发展与应用
虚拟样机技术的发展与应用
科技资讯 SC I EN C E &TE C HN O LO G Y I NF O R MA T IO N 工 业 技 术虚拟样机技术是一种全新的机械设计方法,作为一项计算机辅助工程(CAE)技术于20世纪80年代随着计算机技术的发展而出现,在90年代特别是进入21世纪以后得到了迅速发展和广泛应用,使机械制造业进入到一个新的时代。
1 虚拟样机技术的基本概念虚拟样机技术是一门综合多学科的技术,它的核心部分是多体系运动学与动力学建模理论及其技术实现。
虚拟样机技术(Virtual Prototyping, 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融合在一起,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。
在传统产品设计过程中,机电产品的设计者会使用一个顺序方法,例如机械工程师首先建立一个基础的设计,然后这项设计被送往电气工程师,最后是控制和软件工程师。
在设计完成后,为了验证设计,通常要制造样机进行试验,来证明设计理念、评估设计、测试产品的可制造性、更多仅仅是为了呈现一个产品。
有时这些试验甚至是破坏性的,成本昂贵。
当通过试验发现缺陷时,又要回头修改设计并再用样机验证。
只有通过周而复始的设计——试验——再设计的过程,产品才能达到要求的性能。
这种传统设计过程中没有体现各部门的交流和协作,每个部门都是相互独立的。
为了能用电子手段替代样机,必须首先提供虚拟实体模型,并且和实体模型有同样甚至更多的功能。
以此为导向,虚拟样机应该能被用来“测试”产品的造型、性能。
与此同时提出了虚拟样机的概念。
近年来随着C AX/D FX技术的发展,在产品开发过程中把分析作为设计的驱动,提出Design Driven by Analysis的概念已逐步从概念走向参数化建模虚拟样机技术的研究和应用,实现了产品开发全过程的电子化,改变了传统的设计观念,产品开发过程也随之发生了变化,从设计-样机制造-试验走向了设计-仿真,把物理样机制造放在最后,量化生产,真正实现了产品设计的数字化时代。
虚拟现实技术的发展与应用
虚拟现实技术的发展与应用虚拟现实技术是指模拟真实环境的计算机生成技术，利用专业设备来产生人类视觉、听觉、触觉等感官的虚拟环境，使人类得以在其中进行互动和体验。
虚拟现实技术发展迅速，已经进入到了应用的阶段，包括娱乐、教育、医疗、军事等领域。
本文将对虚拟现实技术的发展和应用做一简要介绍。
虚拟现实技术的发展虚拟现实技术最早出现于20世纪80年代，当时主要用于军事领域的训练和飞行模拟。
1991年，虚拟现实技术被正式定义并且开始应用于工业和医疗保健领域。
从20世纪90年代中期开始，伴随着计算机硬件和软件的不断发展，虚拟现实技术获得了飞速的发展。
基于PC的虚拟现实经常应用于游戏和现实体验活动中。
而随着虚拟现实技术的发展，大型的虚拟现实平台逐渐成为我们探索虚拟世界的新媒介。
虚拟现实技术的应用娱乐领域娱乐领域是虚拟现实技术应用最广泛的领域，其中以虚拟现实游戏最具代表性。
虚拟现实游戏许多都采用VR技术，利用头戴式装置使玩家在游戏中真正沉浸的感受。
例如，谷歌的Daydream平台上有许多优秀的虚拟现实游戏，典型的例子是《保卫萝卜VR》和《EVE：瓦尔基里》。
教育领域虚拟现实技术在教育领域中的应用前景也非常广泛。
他能够帮助学生更好更直观地理解抽象和复杂的知识。
例如，利用虚拟现实技术可以展示全球地理信息、化学元素的分子结构、物理公式等。
Facebook公司还会在2019年推出一项名为“Oculus for Business”的项目，这项项目旨在推广虚拟现实技术，让大众接受并了解虚拟现实技术的威力。
医疗领域虚拟现实技术在医疗领域也有许多的应用。
其中医学仿真和手术模拟是最常见的应用领域。
医生可以使用虚拟现实技术进行肝部手术或动脉瘤修复等操作，提供了一种低成本同时安全的手术培训。
同时，虚拟现实技术也能用于疼痛干预，帮助病人通过自我调节技术进行治疗。
军事领域军事领域也是虚拟现实技术应用广泛的领域，全球各大国强调基于虚拟现实领航和辅助仿真技术的军事行业的发展。
虚拟样机技术在产品设计中的应用
虚拟样机技术在产品设计中的应用随着科技的不断发展，虚拟样机技术在产品设计中的应用越来越广泛。
虚拟样机是一种通过计算机模拟的方式，在产品开发之前构建产品的虚拟模型。
它可以模拟产品的外观、结构和性能，帮助设计师在产品开发的早期阶段发现和解决潜在问题，提高产品设计的效率和质量。
首先，虚拟样机技术可以帮助设计师实现快速迭代。
在传统的产品设计中，设计师通常需要制作多个实物样机来进行测试和改进。
这不仅花费时间和金钱，还增加了开发周期。
而借助虚拟样机技术，设计师可以在计算机上快速制作和修改产品的虚拟模型，通过模拟仿真测试，快速发现潜在问题并进行改进。
这样一来，设计师可以快速迭代，减少了试错的成本和时间，提高了产品开发的效率。
其次，虚拟样机技术可以帮助设计师优化产品的外观和人机交互。
在产品设计的过程中，外观和人机交互是至关重要的因素。
借助虚拟样机技术，设计师可以在计算机上进行虚拟的三维建模和渲染，模拟产品在不同环境和使用场景下的真实表现。
通过虚拟样机，设计师可以实现对产品外观的快速修改和优化，以及对用户体验的评估和改善。
这样一来，设计师可以更好地满足用户的需求，提高产品的竞争力。
此外，虚拟样机技术还可以帮助设计师评估产品的可制造性和可维护性。
在产品设计的早期阶段，如果设计师没有充分考虑到产品的制造和维护过程，可能会导致生产效率低下、成本增加或者后期维护困难等问题。
通过采用虚拟样机技术，设计师可以在计算机上模拟产品的制造和维护过程，评估产品在实际生产和使用中的可行性，并进行相应的改进。
这样一来，设计师可以提前解决潜在问题，降低产品的制造和维护成本，提高产品的可制造性和可维护性。
最后，虚拟样机技术还可以帮助设计师进行产品展示和宣传。
在产品的市场推广过程中，展示和宣传是至关重要的环节。
借助虚拟样机技术，设计师可以在计算机上通过渲染和动画技术，实现对产品的高逼真度展示。
这不仅可以提高产品的吸引力和竞争力，还可以降低产品推广的成本。
虚拟样机技术
包括：边缘倒角、边缘圆角、开孔、添加凸台、 抽壳等。
修改构件特性
修改构件质量、转动惯量和惯性积
几何建模
..\ADAMS实例教程.pdf
3、3 约束模型机构
模型构件创建结束后，要定义构件间的连接方式和相对 运动方式，就是对模型施加约束
约束类型 1、理想约束。包括转动副、移动副和圆柱副 等 2、虚约束。限制构件某个运动方向 3、运动产生器。例如，规定一个构件遵循某 个时间函数按指定的轨迹规律运动。 4、接触约束。定义两构件在运动中发生接触 时是怎样相互约束的。
第二 章 ADAMS软件
2、1 ADAMS软件模块介绍 ADAMS由基本模块、扩展模块、接口模块、 专业领域模块组成
基本模块：ADAMS软件包包括三个最基本的解题模块： ADAMS/View（基本环境） ADAMS/Solver（求解器） ADAMS/PostProcessor（后处理）
ADAMS/View（界面模块）：样机建摸、样机模型 数据的输入和编辑、与求解器和后处理等程序的 自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据 的输入和输出、同其他应用程序的接口。
仿真结果 •回放仿真结果 分析 •绘制仿真结果曲线 验证仿真 •输入实验数据 分析结果 •添加实验数据曲线 与实验结果一致？ •增加摩擦力 精制机械 •定义柔性物体和连接 系统模型 •定义控制 重复仿真 •设置可变参数 分析 •定义设计变量 •进行主要设计影响因素研究 机械系统 •进行试验研究 优化分析 •进行优化研究
试验研究（Design of Experiments,DOE）
试验设计可以考虑多个设计变量同时发生变化， 对样机性能的影响
优化研究（Optimization）
在满足各种设计条件和指定的变量变化范围内， 通过自动化的选择设计变量，由分析程序求取 目标函数的最大值和最小值。
工业设计中的虚拟样机技术
工业设计中的虚拟样机技术在工业设计领域中，虚拟样机技术正发挥着越来越重要的作用。
虚拟样机技术是指通过计算机软件和硬件模拟真实产品的外观、结构和功能，以便在产品开发过程中进行设计验证、检测和模拟。
本文将介绍虚拟样机技术的优势、应用领域以及未来发展趋势。
一、虚拟样机技术的优势虚拟样机技术相对于传统的物理样机具有以下几个显著的优势。
1. 时间和成本的节省传统的物理样机需要进行制造、组装和测试，耗费宝贵的时间和大量的成本。
而虚拟样机技术只需要在计算机软件中进行模拟和验证，节省了制造样机所需的时间和成本。
2. 设计灵活性和可迭代性虚拟样机技术可以快速生成多个设计方案，并通过模拟和优化来选择最佳设计方案。
设计师可以轻松地对产品进行修改、优化和迭代，不受物理样机制造和测试的限制。
3. 设计评估和决策的可靠性通过虚拟样机技术，设计师可以对产品进行多方面的评估和分析，包括结构强度、运动学、流体力学等。
这使得设计师能够更加准确地评估设计方案的性能和可行性，并作出更加可靠的决策。
二、虚拟样机技术的应用领域虚拟样机技术广泛应用于各个工业设计领域，包括汽车、航空航天、医疗器械、消费电子等。
以下将以汽车工业为例，介绍虚拟样机技术的具体应用。
1. 汽车外观设计虚拟样机技术可以通过建立三维模型和材质贴图等手段，模拟汽车外观设计的效果。
设计师可以在计算机上进行各种细节的调整和修改，包括车身线条、轮毂造型、灯光效果等，以验证设计方案的可行性和吸引力。
2. 汽车结构设计虚拟样机技术可以对汽车结构进行强度分析和优化，以确保车身在各种工况下的强度和安全性。
设计师可以通过模拟车辆在碰撞、翻滚等事故情况下的反应，进行结构的改进和优化，提高汽车的安全性能。
3. 汽车动力系统设计虚拟样机技术可以对汽车动力系统进行模拟和优化，以提高汽车的燃油经济性和性能表现。
设计师可以通过模拟发动机的工作特性、传动系统的效率等，为汽车动力系统的设计和调校提供准确的数据和评估。
虚拟样机技术
1 虚拟样机技术概述
3）虚拟样机技术就是在建立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学模型，进 行仿真分析并从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设计方案的技术。 4）虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际 产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力 学特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建 立机械系统模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真 实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简 和优化系统。
1 虚拟样机技术概述
虚拟样机技术是许多技 术的综合。它以多体系统运 动学与动力学建模理论及其 技术实现为核心，以仿真为 手段，各种CAX/DFX技术 为工具，它主要包括面向虚 拟样机的建模技术、基于虚 拟样机的仿真技术、针对虚 拟样机的管理技术、各类工 具的集成技术以及VR/人机 界面技术，其技术体系如图 2 所示。
1 虚拟样机技术概述
（2）国内外学者对虚拟样机技术的定义大同小异， 下面是几种有代表性的论述： 1）虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持 的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的 推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技 术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式 环境以支持产品设计过程中的并行工程方法 。 2）虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发 (Integrated Product and Process Development,简称 IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程，这个过程 将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起， 对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和 费用目标。IPPD的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术 必须依赖IPPD才能实现。
1 虚拟样机技术概述
虚拟现实技术：原理、应用与发展趋势
虚拟现实技术：原理、应用与发展趋势虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是一种通过计算机技术模拟出的三维环境，使用户能够身临其境。
它通过引入视觉、听觉和触觉等感官，让用户感受到与真实世界相似的体验。
虚拟现实技术原理复杂，应用广泛，且正在快速发展。
一、原理1.1 人机交互技术：虚拟现实技术主要通过人机交互技术实现，用户通过佩戴头戴式显示器（Head-Mounted Display，简称HMD），进入虚拟环境，并通过操作手柄或其他设备与虚拟环境进行互动。
1.2 感知技术：虚拟现实技术利用计算机生成的图像和声音来模拟现实场景，以产生与真实世界几乎相同的感觉体验。
其中，3D图像技术和立体声技术是实现虚拟现实的关键。
二、应用2.1 游戏领域：虚拟现实技术在游戏领域的应用是其中最为广泛的，通过虚拟现实技术，玩家可以沉浸在游戏世界中，感受到更真实的游戏体验。
2.2 教育培训领域：虚拟现实技术在教育培训领域的应用也越来越多。
例如，通过虚拟现实技术，学生可以身临其境地参观名胜古迹，进行实地探险，提高学习兴趣和效果。
2.3 医疗领域：虚拟现实技术在医疗领域也有广泛的应用，例如手术模拟和康复训练等，能够帮助医生和患者更准确地进行治疗和康复。
2.4 娱乐媒体领域：虚拟现实技术在娱乐媒体领域的应用也越来越多，例如观影体验的提升和虚拟现实电影等，可以极大程度地增强娱乐体验。
三、发展趋势3.1 硬件技术：虚拟现实技术的发展不能离开硬件技术的支持。
随着技术的不断进步，头戴式显示器、追踪设备和控制器等硬件产品将变得更加小巧、轻便和性能更强大，使用户能够更加自由地进入虚拟环境。
3.2 内容创作：虚拟现实技术还需要更多多样化、高质量的内容支持。
预计未来，将出现更多虚拟现实的游戏、教育课程、娱乐项目等。
同时，虚拟现实技术将与影视制作和动画制作等相关行业进行更深入的融合。
3.3 交互体验：虚拟现实技术的交互体验也将变得更加自然和流畅。
航空航天产品设计中的虚拟样机模拟技术
航空航天产品设计中的虚拟样机模拟技术虚拟样机模拟技术在航空航天产品设计中的应用导语：航空航天领域一直以来都是科技创新的前沿领域之一。
而在产品设计过程中，虚拟样机模拟技术的应用不仅提高了效率，减少了成本，更为产品设计师提供了更多创造性的空间。
本文将探讨虚拟样机模拟技术在航空航天产品设计中的应用。
一、虚拟样机模拟技术的基本原理及特点虚拟样机模拟技术（Virtual Prototype Simulation Technology）是一种将虚拟现实技术与计算机辅助设计（CAD）相结合的应用技术。
通过对产品进行虚拟建模，进行逼真的物理仿真，实现对产品各方面性能的验证和分析。
相比传统的实体样机开发，虚拟样机模拟技术在以下几个方面有着独特的优势：1. 减少成本和时间：通过虚拟样机模拟技术，可以减少对实体样机的依赖，从而节约了开发过程中的资金和时间。
在产品设计的早期阶段，设计师可以通过虚拟样机模拟技术对产品进行多次迭代和修改，从而避免了实体样机的制造和调试所消耗的资源。
2. 提高设计质量：虚拟样机模拟技术可以虚拟呈现产品的形状、结构和工作方式，为设计师提供更加直观、准确的信息。
通过对虚拟样机进行模拟分析和测试，可以发现潜在的问题和不足，及时进行改进和优化，从而提高产品的设计质量。
3. 创新设计空间：虚拟样机模拟技术提供了一种无限制、可自由探索的设计空间。
在虚拟环境中，设计师可以进行多种方案的快速迭代和对比，发现和尝试新的设计理念。
这种创新空间为航空航天产品的设计师带来了更多的发挥创造力和思维的机会。
二、虚拟样机模拟技术在航空航天产品设计中的应用1. 飞行器气动布局设计：在飞行器的气动布局设计中，虚拟样机模拟技术可以对飞行器的气动特性进行模拟和分析。
通过对不同气动布局方案进行虚拟样机模拟，设计师可以评估不同方案的优劣，选择最佳的设计方向。
同时，虚拟样机模拟技术还可以通过分析飞行器的气动性能，指导优化飞行器的外形设计，降低气动阻力，提高飞行器的整体性能。