虚拟样机技术 上
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。
ADAMS——虚拟样机技术入门与提高
输入对话框中的文本输入栏
后处理图标中的各种对象，例如：曲线、标题、 坐标、符号标记等
4、快捷工具栏 5、命令窗口
3.5.1 主工具箱
主工具箱上部有12个图标是建模和仿真工具， 下面的 其他图标是视图工具。主工具箱中 的命令集有多个层次，在主工具箱中所见 的图标，是下一层次命令集合的默认命令， 直接单击主工具箱中的图标，可以选择该 默认命令。
可以方便地同时显示多次仿真的结果以便 比较。
3.2 ADAMS/View 建模仿真 步骤:
复杂机器仿真时 要循序渐进
完成几个零件的 约束添加后就进
行一次仿真
分析技巧：
采取渐进的，简单逐步发展到复杂的分析 策略 不必过分追求构件几何形体的细节部分 先从分析线性（阻尼）开始 →非线性 （阻尼 ）
输入ADAMS文件 ----- Import a file 退出ADAMS/View程序 ---- Exit
启动时的ADAMS/View主窗口：
窗口名称栏
主工 具箱
菜单栏
快捷工 具栏
欢迎 窗口
工作屏 幕区
视图方向
状态栏
3.4 ADAMS/View程序屏幕
ADAMS/View主窗口部分功能如下： 1. 主工具箱—展示各种常用命令的快捷键； 2. 命令菜单栏—包括了ADAMS/View程序的全部命
用户在仿真过程进行中或者当仿真完成后， 都可以观察主要的数据变化以及模型的运动。 这些就像做实际的物理试验一样。
ADAMS/Solver :
一个自动建立并解算用于机械系统运动仿真方程 的，快速、稳定的数值分析工具。
提供一种用于解算复杂机械系统复杂运动的数值 方法 。
虚拟样机技术
制造业典型的产品开发过程
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。
虚拟样机技术的工程应用
4 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。
虚拟样机技术的工程应用
概念
设计 - 制造 - 测试
产品
串行开发模式：导致开发周期长、开发成本高！
基于虚拟样机的产品开发
概念
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
虚拟样机
产品
Time = $
MathCAD2001 界面
喷浆机器人大臂俯仰特性曲线
AutoCAD 图 形 展 示
AutoCAD 图 形 展 示
pro/e 连 杆
Pro/E 四 杆 机 构
弹簧
减速箱零件汇总
主轴组合
减速箱体的装配
Solidwork 动 画 展 示回转工作台N Nhomakorabea 加 工
虚拟样机技术在机械设计中的应用
虚拟样机技术在机械设计中的应用摘要：随着科技水平的提高，促进虚拟样机技术在机械设计中的应用。
虚拟样机是实际产品在计算机上的一种表现形式，因此人们也称其为数字样机。
在实际应用之中，虚拟样机技术将会为机械设计开辟一条新的设计思维。
由于虚拟样机技术是把虚拟建模技术与分析技术相结合的，主要还是针对产品在投入使用后的各种工作状况进行动态仿真，从而达到预测产品整体性能的目的。
这样一来，对于产品的改进，以及提高产品各方面的性能都有很大的帮助。
对于机械设计这种对于产品实用性要求较高的设计工程，虚拟样机技术将会发挥比较优良的作用。
关键词：虚拟样机；机械设计；应用引言虚拟样机技术的兴起为机械设计提供了新的设计理念和方法。
虚拟样机技术在机械设计中的应用是指机械设计的初级阶段，设计处于初始阶段，虚拟样机的计算机创建、计算机的机械仿真结果和功能设计都是基于各种模拟实验和试验。
通过虚拟样机技术可以发现设计中存在设计上的缺陷，同时对力学性能进行了改进和优化。
1虚拟样机技术虚拟样机技术是一门涉及多个学科的技术，它以动力学、机械系统运动学、控制离乱和有限元分析等技术为核心，利用计算机图形技术，将产品的各个部件设计、分析、研发等集成一体，从而实现机械设计的数字模型，为工程机械产品的设计、研发和优化等功能提供计算机虚拟现实的平台，所以虚拟样机也被称为数字化样机。
它是一种全新的机械产品设计理念，与传统的仿真技术相比，样机虚拟技术具有两个方面的优势：（1）传统的仿真技术往往是针对产品的某一个子系统进行仿真，而虚拟样机技术更加强调对整个系统的优化。
通过对虚拟环境和虚拟征集的整合，通过多种方案对产品进行设计、分析和评估，并不断改进和完善产品的设计方案，直到最终获得一个产品最佳整体性能；（2）传统产品设计液压系统、整机结构和控制系统等各个子系统都是独立设计，是一个串行的过程，他们往往忽略了产品各个子系统的连接与交互，这样的方式有一个非常大的弊端就是产品存在的问题往往到后期才发现，这就造成严重的浪费。
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。
机械设计的数字化与虚拟样机技术
机械设计的数字化与虚拟样机技术随着科技的快速发展，机械设计领域也在经历着革命性的变化。
数字化与虚拟样机技术的应用，为机械设计提供了全新的思路和方法。
本文将探讨机械设计的数字化与虚拟样机技术，并分析其在实际应用中的优势和挑战。
一、数字化技术在机械设计中的应用随着计算机技术的不断进步，数字化技术在机械设计中得到了广泛应用。
传统的机械设计往往需要通过手绘图纸和物理模型来呈现设计方案，而数字化技术则可以实现全程电子化设计过程。
设计师可以利用CAD软件进行设计绘图，实现快速、精准的设计方案展示。
此外，数字化技术还可以应用于模拟仿真、数据分析等方面，帮助设计师更好地评估和改进设计方案。
二、虚拟样机技术在机械设计中的应用虚拟样机技术是近年来兴起的一种新型技术，通过构建虚拟的三维模型和仿真环境，实现对机械产品性能、结构等方面的模拟和评估。
虚拟样机技术可以帮助设计师在设计初期就进行全面的评估和验证，避免了传统样机制作中的种种不便和限制。
设计师可以在虚拟环境中对产品进行多方位的测试，发现并解决潜在的设计问题，从而提高设计效率和质量。
三、数字化与虚拟样机技术的优势数字化与虚拟样机技术的应用为机械设计带来了诸多优势。
首先，节约了设计时间和成本。
传统设计需要花费大量时间和成本在样机制作上，而数字化与虚拟样机技术可以在计算机上完成设计、仿真和评估，大大降低了制作实物样机的成本。
其次，提高了设计精度和效率。
数字化技术可以实现对设计方案的精准绘制和修改，虚拟样机技术则可以帮助设计师及早发现并解决问题，提高了设计的准确性和效率。
此外，数字化与虚拟样机技术还可以实现设计过程的可视化，便于设计师与团队成员之间的沟通和合作。
四、数字化与虚拟样机技术的挑战尽管数字化与虚拟样机技术带来了诸多优势，但在实际应用中仍然存在一些挑战。
首先，技术的复杂性。
数字化与虚拟样机技术需要设计师具备一定的计算机技能和专业知识，对于一些传统的设计师来说可能需要进行培训和学习。
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
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绪论
虚拟样机技术概述
1.1.1虚拟样机技术的概念
虚拟样机技术是年代逐渐兴起、基于计算机技术的一个新概念。
从国内外对虚拟样机技术( , )的研究可以看出，虚拟样机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义]2][1[。
美国国防部对虚拟样机技术有关概念的建设性意见为]1[：
[1].虚拟样机定义，虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模型，它在
一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。
[2].虚拟样机设计，利用虚拟样机代替物理样机来对其候选设计的各种特性进行
测试和评价。
[3].虚拟样机设计环境，是模型、仿真和仿真者的一个集合，它主要用于引导产
品从思想到样机的设计，强调子系统的优化与组合，而不是实际的硬件系统。
国外其它学者对虚拟样机技术的定义大同小异，主要区别在于技术的构成及其范畴上。
如. 和等人认为虚拟样机技术是将建模技术、计算机支持的协同工作()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[；等人认为，虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发( ,简称)是分不开的。
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。
的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖才能实现]2[。
国内学者在从事虚拟样机技术方面工作中也提出了一些见解，特别是对应用过程及其优点作了比较具体的阐述。
例如，李瑞涛等认为所谓虚拟样机技术就是在建造物理样机之前，利用计算机技术建立产品系统的计算机模型，通过虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式地探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、功能等方面交互的建模与分析，模拟该系统在真实工作环境条件下的运动和动力特性，从而反复修改设计，以得到最优设计方案]2[。
唐硕、赵建卫等认为，虚拟样机技术是建立在、系统仿真和虚拟现实基础上的，通过在计算机上建立在一定程度上具有与物理样机相似的功
能真实度的数字模型（包括几何外形、传动和连接关系、物理特性、动力学和运动学特性等）表示物理样机的各个部分、各个部件以及整个原型样机，能够方便地对系统反复进行修改，直至达到满意的设计性能指标的一种新概念技术]3][1[。
1.1.2虚拟样机技术的背景]5][4[
任何一项技术的产生及广泛应用都有其原因，其中最重要的是市场的需求和技术本身的成熟程度。
虚拟样机技术的产生有其经济背景。
随着经济贸易的全球化，要想在竞争日趋激烈的市场上取胜，缩短开发周期，提高产品质量，降低设计成本以及对市场的灵活反应成为竞争者们所追求的目标。
谁早推出产品，谁就占有市场，然而，传统的设计与制造方式无法满足这些要求。
在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。
在设计完成后，为了验证设计，通常要制造样机进行实验，有时这些实验甚至是破坏性的。
当通过实验发现缺陷时，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－实验－设计过程，产品才能达到要求的性能。
这一过程是冗长的，尤其是对于结构复杂的系统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反应了，同时，样机的单机手工制造增加了成本。
在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场以及设计成本的考虑而中断这一过程，使产品在上市时便有先天不足的毛病。
在竞争的市场的背景下，基于实际样机上的设计验证过程严重地制约了产品的质量提高，成本降低和对市场的占有。
如果基于实际样机上的设计验证能像小孩子搭积木一样简单，这个问题便迎刃而解。
虽然复杂的机械系统不可能用积木搭出来，但我们可以通过计算机类似做到这一点。
机械系统的运动必须受制于物理规律，我们只要掌握了这些规律并定义了描述机械系统的方法，就可以像搭积木一样把机械系统组装起来，形成虚拟样机，然后观察它是怎样运动的，通过计算机的仿真结果，工程师和设计师们便可以评价机械系统的设计质量。
虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程当中。
在概念设计和方案论证中，设计师将自己的经验与想象融于计算机的虚拟样机设计中，充分发挥想象力和创造力，并替代物理样机进行性能模拟试验，通过试验中的反馈信息不断地指导设计，顺利地完成产品研发过程。
由于虚拟样机比物理样机更易于产生和显示，能方便快捷地反复修。