浅析虚拟样机技术在机械工程设计中的有效应用
虚拟仿真技术在机械设计教学中的应用分析
虚拟仿真技术在机械设计教学中的应用分析作者：樊贵强赵永燕来源：《科学大众》2019年第05期摘; ;要：随着计算仿真技术的迅速发展，虚拟现实技术越来越凸显出其强大的生命力，其应用正在逐渐渗入医疗、航空、工业制造以及教育行业，特别是对于目前国内高校硬件配置不足的教学领域，更是凸显了其重要性。
文章主要以机械设计教学为研究对象，分析虚拟仿真技术的重要性以及其他的一些问题。
关键词：虚拟仿真技术;机械设计;虚拟现实技术自2016年虚拟现实技术开始出现以来，它已经成为一项最具发展潜力的新技术，已经开始融入众多行业之中，如外科手术、太空遨游、建筑视景及城市规划等，本文主要以机械设计教学为研究对象，分析虚拟仿真技术的重要性以及其他的一些问题。
1; ; 虚拟现实技术的相关概念虚拟现实技术（Virtual Reality，VR），可以说是目前一种利用现有的科学技术实现对自然界的虚拟重构，从而达到所需要的效果。
其中，计算机技术、仿真技术、多媒体技术、传感技术、通信技术以及人机接口技术是虚拟现实技术的关键技术，正是利用这些技术来实现三维虚拟世界的模拟构建，然后借助相关的虚拟感知设备比如头盔、数据手套等来实现人与虚拟场景之间的互动，最后，将相关的信息传递给体验的用户。
从虚拟现实技术的应用环境来看，主要有3个方面的特征：（1）沉浸性，主要描述体验者在虚拟现实中通过听觉、视觉、触觉以及力觉所感受的真实性，从而构建一个完美的虚拟场景，让体验者有身临其境的感受。
（2）交互性，这个特征类似于操作电脑，通过相关的虚拟感知设备来实现人机的交互功能，让体验者可以根据相关的反馈做出相应的动作。
（3）构想性，基于前两个特征，让体验者对所处的虚拟场景产生丰富的联想，从而构想出虚拟世界的真实感受。
2; ; 虚拟现实技术的研究现状早在20世纪80年代，美国就开始对虚拟现实进行相关的实验，并且还取得了不少的成功，这一结果主要得益于当地政府部门对该行业的大力扶持和国内计算机相关技术的成熟。
虚拟样机在机床机构分析中的应用
数 控 机 床 的 动 态
以及 整个 建模 、施加 约束和添 加 力的过程 。并在此 基础上 ，
求 解 滑 块 的 运 动 参 数 随 时 间 变 化 的 曲 线 ， 以及 随 曲柄 和 连 杆
系 列 产 品 的 核 心 模 块 之
一
，
作 为 一个 强 大 的建
特 性 分析 和切 削
稳 定 性 ． 应 用 虚
组成一个完整 的系统 ，利 用外 力或运动驱动机构动作 。另外 ，
用户还可 以在模型 中使用弹簧、阻尼器和摩擦 力等 ，以便提高
仿 真的精度 。同时，Ａ Ａ Ｓ ｉｗ Ｄ Ｍ ／ ｅ 还支持参数化建模 ，因此工程 Ｖ
师能很容易地修 改模型并 用于实验研究。 在Ａ Ａ Ｓ『 ｗ Ｄ Ｈ ＾１ 中建立 曲柄滑块机构的虚拟样机模型 ，具体 ｅ
在机 械 设计 中要研 究 滑块 的运 动规 律和 摆 角 的变 化规 认 的定 位方 向与设计 师的 目标 定义不 同 ，因此需要右键 点击 律 ，如果采用数学建模 的方式进行求解将非常复杂 ，也非常费 Ｍ ｄ ｆ ，设置定位方向。另外 ，其位置不是关￣－ Ｙ－ ｏ ｉｙ ｘ － 面对称 ｏ？ ＇ －
能 的介绍都将结合工程 实例进行 ，力图使读者在读完文章之后 ，就 可以进行Ａ Ａ ￣功 能的 实际操作。 Ｄ ＭＳ
虚 拟样 机 在 机床 机构 分 析 中的应 用
口沈阳机床 （ 集团 ）有限责任公 司 国家重 点实验 室 刘阔 刘春时 林剑 峰 马晓波 于文东
曲柄滑块机 构是机 床及其 他机械 中的一种 常用主机构 ，
（ 进入 Ｓ ｔ ｌ 菜单 ，设置 好 网格 尺寸和 颜色等 参 ２） ｅｔ ｌ ｇ
（ 采用Ｃ ｌｎ ｅ 圆柱体建立 曲柄模型 ，由于圆柱体默 ３） ｙ ｊｄ ｒ
虚拟样机技术在夹紧机构设计中的应用
K?
!" #$ %&%’( 仿真分析的基本过程 在 !"!#$ % &’() 环境中创建 虚拟样机的 步 骤与建立物理样机的步骤很相似， 整个过程如图 * 所示 +
然而， 这个反向力矩也不能太大， 否则， 它施加在 大蒜的表层的力过大， 将导致大蒜表皮和肉瓣受 损+ 并且， 在加工过程中， 必须使大蒜始终保持夹 紧状态 + 因此， 在设计中， 采用了类似曲柄滑块的 结构， 如图 , 所 示， 使曲柄 * 与连杆 , 在一条 直 线， 机构处于死点位置 + 此时无论大蒜加在构件 . 上的反作用力多大， 也不能使构件 * 移动+ 这就保 证了在去掉外力之后， 仍能可靠夹紧大蒜+ 当需要 取出大蒜时， 只要在 / 处施加一个很小的力， 就 可使机构离开死点位置， 从而松脱大蒜 +
563).$() ： 9/36 ?+?5) (656 EFE>. 6’-7S+)5 7’ 3*7)’0(:5 7/5 +??,3:+73’* ’- 43)7(+, ?)’7’78?3*1 75:/K *’,’18 3* 7/5 ?)’0(:7 05631* +::’)03*1 7’ 7/5 05631* ’- :,+T? T5:/+*36T -’) 7/5 :(773*1 0543:5 ’- 7/5 1+),3: -3Q)5= 7#0 8*.43：43)7(+, ?)’7’78?3*1 75:/*’,’18 ； :,+T? T5:/+*36T；-3Q)5 :(773*1 D D 随着科技的发展， 计算机辅助设计技术越来越 广泛地应用在各个设计领域= 现在已经突破了二维 图纸电子化的框架， 发展为以三维实体建模、 动力学 模拟仿真和有限元分析为主的虚拟样机制作技术= 使用虚拟样机技术可以在设计阶段预测产品的性 能， 优化产品的设计， 缩短产品的研制周期， 节约开 发费用 ； 可使产品设计人员在各种虚拟的环境中 真实地模拟产品整体的运动及受力情况， 快速分析
虚拟样机技术在“机械原理课程设计”教学中的应用
实践教学环节进行 建设 。
一Hale Waihona Puke 、教 学 现 状 分 析
“ 机 械原 理课 程设 计 ”的任 务是 使学生 更好 地理 解 和掌
握“ 机械 原理”课程 的基本理 论和方 法， 进 一步提高学生查 阅
技术资料 、 绘 制工程 图和应 用计算 机等能力， 特 别是加强培养 学生创 新意识 和分析问题 、 解 决问题 的能力 。 课程设计 实施 基 本要求是按照一个简单机械 系统 的功 能要求 ， 综 合运用所 学知 识， 拟定机 械系统 的运动方 案， 并对其中某些机 构进行分析 和 设｛ 十 ＾ Ⅲ
安 排在学期末最 后１ 周， 若 除去设计准备 和答 辩的时间等， 实 际
工作 日不 到四天 ， 并且学生此 时心思往往不在学校 ， 急于回家， 从 时间跨度来说 学生主动思考和解决 问题 的机会 较少， 完全处
课 程设计 的选 题 主要是插 床或 牛头刨床导杆机 构 的运 动 分析与动态静力分析， 这也是很多高校在 “ 机械原理课程设计” 中的选题 。 设计方 案及参 数往往 已给定 ， 课程设 计过 程中学生 只是 按照设计 说 明书上 的设计 步骤 对拟定 好的执 行机构进 行 运动和动力分析设 计， 没有机械系统 的方 案设计 和机 构的选型 设计。 从 知识层 面上 说 ， 学生缺乏 进行系统设计 创新 的机会和 能力锻炼的机会 ， 也导致了学 生处 于被动的学习状 态。 课程设计 中， 让学生 自主设 计和发挥主观能动性的内容少， 无法激发学生 的创造力， 不利于创新思维和工程实践能力的培养和训练。
关键词 ： 机械 原理课程设计 ； 虚拟样机技术 ； ＡＤ ＡＭＳ ； 教学研究 作者简介： 黄小龙 （ １ ９ ７ ７ 一 ） ， 男， 广西梧 州人 ， 北京信息科技 大学机电工程学院， 高级实验师。（ 北京 １ ０ ０ １ ９ ２ ）
现代设计技术在农业机械工程设计中的应用
现代设计技术在农业机械工程设计中的应用
1. 三维建模技术：利用现代计算机软件，设计师可以将农业机械的各个组成部分通过三维建模方式进行设计，使得设计更加直观、准确。
通过三维建模技术，设计师可以更加方便地对机械进行模拟分析和测试，提前发现问题并进行优化，从而提高农业机械的效率和性能。
2. 仿真技术：通过利用计算机软件进行仿真设计，可以有效地减少农业机械的试验成本和试验周期。
通过仿真技术，设计师可以模拟机械在不同工况下的运行情况，研究机械的动力学性能和热力学特性等。
通过仿真技术设计出来的机械在实际生产中更加可靠，性能更优。
3. 虚拟样机技术：传统的农业机械设计需要制作大量的样机进行试验，这不仅耗费时间和金钱，而且效率低下。
现代设计技术可以利用虚拟样机进行设计，通过计算机模拟机械的运行过程，不仅可以快速设计出满足要求的机械，还可以在设计过程中对机械进行优化和改进。
4. 自动化控制技术：现代农业机械的设计中，自动化控制技术得到广泛应用。
通过自动化控制技术，可以实现对机械运行过程的精确控制和监控，提高农业生产的自动化水平和生产效率。
6. 互联网技术：通过互联网技术，农业机械可以与其他设备进行联网，实现信息的共享和数据的交互。
通过互联网技术，可以实现对农业机械的远程监控和管理，提高农业生产的管理水平和效率。
现代设计技术在农业机械工程设计中的应用可以提高农业机械的效率和性能，降低生产成本，提高生产效率和质量，推动农业现代化进程，促进农业可持续发展。
这些技术的应用也可以为农民和农业生产者提供更好的工具和方法，提高他们的生活质量和工作效率。
虚拟样机技术在地质工程机械领域的应用研究
１０ ８ ０ ０ ３，Ｃ ｉ ａ ． ｎ ｅ ｎ ｏ ｉ ｒ ａ ｅ ｏ ｏｏ ｉａ ｕ ｖ ｙｎ ｅ ｔｒｆ ｒＣｈｎ ｓ ｕ ｌｉ ｇ Ｍａ ｅ ｉｌＩ ｄ ｓ ｙ，Ｈｏ ｈ ｔ ｈ ｎ ；２ Ｉ ｎ ｒＭｏ ｇ ｌ Ｂ ｉ ｄ ｆＧｅ ｌ ｇｃ ｌＳ ｒ ｅ ｉ ｇ Ｃ ｎ ｅ ｏ ｉ ｅ ｅ Ｂ ｉ ｎ ｔｒａ ｎ ｕ ｔ ａ ｇ ｄ ｒ ｈ ｏ
地质工 程 机械 是 国 民经 济建 设 的重 要 没备 ， 工
１ 虚 拟样 机技 术
程地质勘查 、 能源开发 、 市政工程施Ｔ以及地质灾害 防治等领域 ， 无不涉及地质工程机械设备。然而 ， 国 内地质 工程机 械设 备 的开发 与研 制一直 在 传统 的研 发模式下进行 ， 设计与制造周期 长、 成本高 ， 一些产
前景。
关键词 ： 虚拟样机技术 ； 地质 工程机械 ； 真； 仿 气动潜孔锤
中图分类号 ：Ｈ ２ ； ３ ． ２ Ｔ Ｉ２Ｐ ４４ ６
ｇａ ｏ。
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： ７ — ４ ８２０ ） １ ０３ — ３ １ ２ ７２ （０６ ｌ — ０８ ０ ６
Ａ ｐｉ ｔ ｎ Ｓｕ ｙｏ ｉｔａ ｒ ｔｔｐｎ ｅｈ ｏｏｙ ｉ ｈ ｉｄ ｏ ｏｏ ｉ ｌ ｎ ｉｅｒｎ ｃ ｉｅｙ Ｑ ｅ ｐ ｌａｉ ｔｄ ｎＶ ｒｕ ｌ ｏｏｙ ｉｇＴ ｃｎ ｌｇ ｎｔｅＦｅ ｆＧｅｌ ｃ ｇｎｅｉｇＭａ ｈｎ ｒ／ Ｕ Ｙ— ｃ ｏ Ｐ ｌ ｇａＥ
，
Ｂ ｈ ｎ —ｅ Ｌ ｎ ｎ １Ｓ ｈｏ ｏ Ｅ ｇｎｅ ｎ ｎ ｅｈ ｏ ｇ ，Ｃ ｉａＵ ｉ ｒ ｔ ｏ Ｇ ｏｃ ｎｅ ，Ｂ ｉｎ Ｕ Ｃ ａ ｇｇ ｎ ， １ ｇ （ 、 ｃｏｌ ｆ ｎｉｅｒ ｇａ ｄＴ ｃ ｎｌ ｙ ｈ ｎｖ ｓｙ ｆ ｅｓｉ ｃｓ ｅ ｉ ｉ ｆ ｉ ｏ ｎ ｅ ｉ ｅ ｊｇ
基于概率虚拟样机的机械产品可靠性设计分析
基于概率虚拟样机的机械产品可靠性设计分析邢晨光机械产品可靠性设计分析是指为满足机械产品的可靠性而进行的功能性设计。
在我国，作为在现代设计理论与方法中较为重要的产品可靠性设计还不被重视，可靠性技术标准和可靠性指标评价体系还很不完善，现阶段使用的大多是企业根据自己产品在市场上的定位和国家有关规定，在确定产品可靠性目标后形成的企业标准。
目前世界上已广泛使用的如故障模式及影响分析、故障树分析、可靠性预测、概率设计等先进设计方法及手段在国内的可靠性设计方面应用还不充分。
因此，利用数字化设计方法及手段，大力推进基于概率虚拟样机的机械产品可靠性设计分析方法，提高设计可靠性与质量就成为一项十分重要的工作。
通过对产品进行功能、结构分析，建立产品故障模型，并依据故障模型划分故障类型及进行故障机理分析，从而利用虚拟样机技术对故障模式进行仿真，验证机械零部件故障模式，在此基础上确定可靠性设计重点，改进零部件设计参数，完善可靠性设计，提高产品使用寿命。
1 机械产品可靠性设计分析方法分析系统研制阶段的主要任务，并结合工程实际中开展可靠性设计分析工作的经验可知，各种可靠性设计分析工作主要集中在技术指标论证阶段、方案论证阶段和工程研制阶段，包括可靠性要求制定，可靠性建模、预计分配，故障模式影响及危害性分析和故障树分析和可靠性仿真分析等。
可靠性设计分析工作从宏观上可以分为定性设计分析和定量设计分析，可靠性定性分析方法相对应用广泛，并且得到了工程验证，而定量设计分析的方法则是机械可靠性设计分析中的难点和薄弱环节，特别是在数字化环境中如何利用CAD/CAE工具进行定量的机械可靠性参数设计也是今后重要的发展方向。
1.1 可靠性定性设计分析方法复杂系统可靠性分析首先要将系统按照功能或结构进行层次划分，然后根据任务剖面建立功能框图及零部件的功能框图，总结搜集故障或零件失效模式，然后再利用故障模式影响及危害性分析、故障树分析等分析工具和可靠性设计准则符合性查询工具进行可靠性定性分析。
虚拟样机技术在我国石油机械应用现状研究
工业 的蓬勃发 展 ，也对 机械设计 和制造技 术不断 提
且设计 质量和效 率 也得 到 了提高 ｊ ，特别是 涉及 到 多个学科 的整体 设计方面具有更 大的优势 Ｊ 。
１ ２ 虚拟样 机技 术应 用概况 ．
出了新 的要 求 ，虚 拟 样 机 技 术 必 将 得 到进 一 步 应
石油 机械传 统 的设 计与制 造过程 是 ：首先进 行 方 案论证 和概念设 计 （ ｏ ｃｐ Ｄ ｓ ｎ ，制 图 、制 Ｃ ｎｅ ｔ ｅｉ ） ｇ
造 物理样 机 ，然 后进行 试验 ，根据 试验结 果 ，验 证
和修 改设计 ，再 做物理 样机 、试验 ……周 而复始 地
进行 ，直 到达到 设计 目标 。这 样 的设 计方 法设计 周 期 长 ，市场灵 活性差 ，成本 高 。
前 ，比较有 影 响力 的软 件 有 美 国 机 械 动 力 学 公 司
（ ｃ ａ ｉ ｌ ｙａ ｉ ｃ ） 的 Ａ Ａ Ｍｅｈ ｎ ａ Ｄ ｎ ｍ ｃ Ｉ ｃ ｓｎ１ Ｄ ＭＳ （ ｕｏ ａｉ Ａ ｔ ｔ ｍ ｃ Ｄ ｎ ｍ ｃＡ ａ ｓ ｆ ｃ ａ ｉ ｌ ｙｔ ｙ ａ ｉ ｎｌ ｉ ｏ ｈｎｃ ｓ ｍ）机 械系 统 自 ｙ ｓ Ｍｅ ａＳ ｅ
２ ２ 虚 拟样 机技 术在 石油 机械 行 业应 用现状 ．
石 油机 械正 朝着 国际化 、模块 化 、个性 化 、机
电液一 体化 、 自动化 和环 保化 的方 向发 展 ，石油机 械 涉及 到 机 械 设 计 、液 压／ 动 技 术 、控 制 技 术 、 气
用 。笔 者拟 在此介 绍虚 拟样机技 术 的基本 原理 和发 展概况 ，重 点研究 其在 国 内石 油机械 设计 领域 的应 用现状 ，详 细分 析虚拟 样机技术 的优 势和 不足 ，同 时指 出其在 石油 机械领 域 的发 展方 向 。
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浅析虚拟样机技术在机械工程设计中的有效应用
随着计算机技术的不断发展和应用，虚拟样机技术在机械工程设计中得到了越来越广泛的应用。
虚拟样机技术是指通过计算机软件在计算机环境中演示和模拟机械产品的运行状态，以达到预测和优化机械产品性能、降低制造成本、缩短产品开发周期和提高产品质量的目的。
本文将从虚拟样机技术的优势、应用领域、开发工具和实际案例四个方面来浅析虚拟样机技术在机械工程设计中的有效应用。
一、虚拟样机技术的优势
虚拟样机技术能够以非常低的成本在计算机环境中进行演示和模拟机械产品的运行状态，使产品的功能性和性能始终在开发过程中就得到了有效的检验和优化。
虚拟样机技术利用现代计算机技术可以对各种物理现象进行多学科仿真，包括机械的力学分析、动力学分析、流体力学分析、热力学分析等等，不仅提高了机械产品的设计质量和可靠性，并且可以通过实际操作来验证机械产品的结构和性能，提高了产品开发的效率，降低了产品开发成本。
虚拟样机技术广泛应用于机械设计、工程仿真、模拟建模、制造过程优化等领域。
针对机械设计，通过虚拟样机技术可以设计出具有良好功能性和性能的机械产品，提高产品的质量和竞争力。
而在工程仿真方面，利用虚拟样机技术可以精确模拟机械产品的运行状态，预测产品的运行情况和生命期，并且可以针对产品存在的问题进行优化和改进。
虚拟样机技术还可进行模拟建模，帮助机械制造厂优化产品生产工艺，提高生产效率，降低生产成本。
在制造过程优化方面，通过虚拟样机技术，可以优化机械产品的制造流程，避免制造中产生的重大缺陷，提高生产率和产品质量，以及减少流程中的人员伤害事故等问题。
目前，虚拟样机技术的应用主要通过计算机辅助工程（CAE）软件实现。
CAE软件提供了多种仿真功能，包括结构力学分析、动力学分析、流体力学分析和热传输分析等等，可以方便地进行各种工程仿真。
常用的CAE软件有ANSYS、ABAQUS和SOLIDWORKS等。
这些软件提供了多种仿真模块和工程分析工具，并且可以用于模拟复杂的机械系统。
通过这些软件，机械工程师可以进行可靠性工程、产品开发和制造过程优化，以及对其它技术分析的仿真等多方面的工作。
此外，还有虚拟现实技术（VR）和增强现实技术（AR），可以将虚拟样机直观地呈现出来，让观众可以直接看、听、感受到虚拟样机所呈现的物理现象，便于用户对虚拟样机运行状态的理解和评估，更直观体验产品的功能和性能。
虚拟样机技术在实际机械工程设计中的应用案例非常多。
以汽车制造为例，虚拟样机技术可以在产品开发阶段提前检测到汽车产品的性能、可靠性及安全等问题，避免试验车辆的制造造成的高昂的制造成本，大量减少物料损耗和资源浪费。
针对制造厂的机器人生产线，虚拟样机技术可以帮助厂商测试机器人操作的精度、以及制造过程的质量控制，以
便于制造厂根据虚拟样机模拟结果来优化生产流程。
此外，虚拟样机技术还可以应用于空
气动力学、发电设备、工程车和农业机械等领域。
总之，虚拟样机技术的应用在机械工程设计中已经得到了广泛应用，并且在概念设计、产品开发、性能优化和制造过程优化等方面都可以发挥重要作用。
通过虚拟样机技术，可
以加速产品的开发进程，提高产品的质量和可靠性，同时也可以大幅降低开发成本和生产
周期，从而为企业带来可持续的竞争优势。