虚拟样机设计与仿真

研究生课程考试答题册

学号：2017200974

姓名：周启航

考试科目：虚拟样机设计与仿真

考试日期: 2018.11

西北工业大学研究生院

目录

一、通过自学和调研就以下问题进行叙述 (3)

1、何为虚拟样机？何为虚拟样机仿真？ (3)

2、虚拟样机仿真有哪些关键技术？虚拟现实技术、增强现实技术、CAE

技术、视景仿真技术的发展与前景如何？ (4)

3、做好机械系统的虚拟样机仿真工作应注意哪些问题？应如何处理虚拟

样机仿真与实物样机仿真的关系？ (5)

二、伞状天线盘式结构仿真分析 (6)

一、问题分析 (6)

二、建立仿真模型与设置 (8)

三、仿真结果 (12)

四、结论与存在的问题 (13)

一、通过自学和调研就以下问题进行叙述

1、何为虚拟样机？何为虚拟样机仿真？

现有一下观点：计算机中的模型就是虚拟样机；有限元模型就是虚拟样机；ADAMS的模型就是虚拟样机；只有满足“3I”特征才是虚拟样机。试对以上观点做出评价。

答：（a）机械工程中的虚拟样机技术又被称为机械系统动态仿真技术，是国际20世纪80年代发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。工程师在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的实物样机实验。当然还有以下关于什么是虚拟样机的描述：（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；

（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；

（5）虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD 模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。

（b）虚拟样机仿真：虚拟样机技术是CAD/CAE/CAM技术与虚拟现实技术相结合的产物。是更高层次的CAD/CAE/CAM技术。现代的仿真更多是指运用计算机进行仿真，使用一套以计算机为主体的软硬件设备模仿实际系统的综合技术。虚拟样机仿真是指在虚拟环境中，运用虚拟现实技术，对产品进行虚拟设计，并通过构造的虚拟样机，将产品的物理模型转换为数学模型然后对其进行分析、研究、实验、验证以及人员培训。虚拟样机仿真强调在实际产品实施制造前，完成产品的设计、分析、制造、管理过程的全面仿真，以保证产品在实际制造过程的可行性，以及产品在使用中的可靠性。

（c）前三个观点都是片面的，虚拟样机包含计算机中的模型，有限元模型和ADAMS模型。“3I”特征是指沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)，显然某些有限元模型的仿真并没有沉浸感，所以该观点也是以偏概全。

2、虚拟样机仿真有哪些关键技术？虚拟现实技术、增强现实技术、CAE技术、视景仿真技术的发展与前景如何？

答：（a）虚拟样机仿真的关键技术有：系统总成技术、支撑环境技术、虚拟现实技术、协同仿真技术、一体化建模技术、信息/过程管理技术等。

（b）

（一）虚拟现实是用计算机和先进的传感设备，构造出一种人工环境，它能模仿人的视觉、听觉、嗅觉等感知功能使人能沉浸在虚拟的环境中，并与这个虚拟的环境交互作用。虚拟现实技术应用在汽车领域，奔驰、宝马、大众等大公司的报告显示，以“数字汽车”模型来替代木制或铁皮制的汽车模型，可以将新车型开发时间缩短80%左右，开发成本最多可降低到原来的1/10。也应用在立体环幕投影系统中，为参与者营造逼真的场景。

（二）增强现实(Augmented Reality，简称AR)通过电脑技术将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间。AR技术不仅在与VR技术相类似的应用领域，诸如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用，而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域，具有比

VR技术更加明显的优势。增强现实正在走近工程设计、现代展示、医疗、军事、教育、娱乐、旅游等领域。

（三）CAE英文全称为Computer Aided Engineering，中文直译为计算机辅助工程，具体可理解为计算机辅助分析，主要以有限元分析技术为基础，综合了迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程管理学与现代计算技术而形成的一门综合性，知识密集型的学科。大多数工程问题没有解析解，借用计算机技术和数值计算技术来求解工程问题，这就是CAE在今后较长一段时间内的用武之地。

（四）视景仿真是数字仿真技术与计算机图形学的结合，是在数字仿真的基础上，以三维模型的实时真实感、动画显示技术应用于模拟训练、虚拟现实以及其他实时动态仿真系统的图形显示。可运用于军事演练、城市规划仿真、大型工程漫游、名胜古迹虚拟旅游、模拟训练以及交互式娱乐仿真等视景仿真技术对作战装备的使用效果有很好的实时显示，给人以强烈的视觉上的冲击，对提高武器装备的性能、研制效率有着重要的作用。

3、做好机械系统的虚拟样机仿真工作应注意哪些问题？应如何处理虚拟样机仿真与实物样机仿真的关系？

答：我个人认为机械系统的仿真水平很大程度上取决于模型的仿真度，结构的准确性，系统的真实性都将影响最终的仿真结果和数值解的精度。因此我认为着重突破的技术应该在于建模的方法上。

目前有三种普遍的仿真建模的方法分别是：理论建模法、实验建模法、虚实混合建模法。其中理论建模法是根据系统的特性，分析其内部的机理，依据力学、电磁学、热力学和化学等基本理论，弄清因果关系，给出适当简化假设，对被测系统原理进行分析和抽象，利用合适的数学工具得到描述系统特征的数学模型。其特点在于推导过程清晰，所得解析式反映了系统输入输出和参数间的关系。适用于结构和原理简单的系统或子系统。对复杂系统进行理论建模时，因为要对系统作较大的简化，所以结果往往与实测结果差异较大。实验建模法是通过实验测试的方法得到系统的输入输出数据，再利用数理统计等理论和方法对测得的数据进行处理，从而得到系统的最终数学模型。其特点是需要数据采集设备，需要合适的激励信号。所设计的实验要求简单、易行。得到的实验模型要能充分反映被

测系统系统的动态特性。通常，实验模型本身并不直接反映被测系统的结构和原理，然而却便于与实验结果对照，相对理论建模法而言更加准确、可靠。虚实混合建模法是用实验建模所得的仿真结果对理论建立的模型进行修正，使得理论建模可得到接近实验建模的效果从而形成系统的数学仿真模型。特点在于需要同时建立两套仿真模型，因此工作量较大。所得到的数学仿真模型既能象实验建模那样真实反映理论建模所无法仿真的特性，又能直接反映被测系统的结构和原理。因此，相对前两种建模法而言更加准确、可靠和实用。这种建模方法对于复杂结构和系统级的仿真最为有效。

所以总的说来，理论建模方法在零件层级的设计分析过程中得到结果的精度也许是可接受的，但在产品的系统级上就很难反映实际产品的特征；实验建模法对于项目研究来说虽然能够得到较为准确可靠的结果，但是成本较高比较难以接受；采用虚实混合建模方法，在系统级上根据产品的物理样机测试结果，修正完善虚拟样机的各物理量和边界条件，使虚拟样机真实反映产品的各种工作性能，从而建立更精确的系统级虚拟样机，所以暂时看来虚实混合的建模方法最为有效。另外，仿真工作者要有清醒的头脑，对各类可预见的问题或难点进行估计与分析。注意处理好需要和可能、急需和发展等问题。

二、伞状天线盘式结构仿真分析

一、问题分析

天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。

1、按工作性质可分为发射天线和接收天线。

2、按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。

3、按方向性可分为全向天线和定向天线等。

4、按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。

5、按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频宽。

6、按维数来分可以分成两种类型：一维天线和二维天线。一维天线：由许多电线组成，这些电线或者像手机上用到的直线，或者是一些灵巧的形状，就像出现电缆之前在电视机上使用的老兔子耳朵。单极和双极天线是两种最基本的一维天线。二维天线：变化多样，有片状（一块正方形金属）、阵列状（组织好的二维模式的一束片）、喇叭状、碟状。

7、天线根据使用场合的不同可以分为：手持台天线、车载天线、基地天线三大类。手持台天线：就是个人使用手持对讲机的天线，常见的有橡胶天线和拉杆天线两大类。车载天线：是指原设计安装在车辆上通讯天线，最常见应用最普遍的是吸盘天线。车载天线结构上也有缩短型、四分之一波长、中部加感型、八分之五波长、双二分之一波长等形式的天线。基地台天线：在整个通讯系统中具有非常关键的作用，尤其是作为通讯枢纽的通信台站。常用的基地台天线有玻璃钢高增益天线、四环阵天线（八环阵天线）、定向天线。

本次仿真分析中的伞状天线是在单根垂直导线的顶部，向各个方向引下几根倾斜的导体，这样构成的天线形状象张开的雨伞，故称伞形天线。它也是垂直接地天线的一种形式。其特点和用途与倒L形、T形天线相同。针对伞状航天可展天线的某一盘式部件进行应力和变形的仿真模拟分析，观测其盘式结构的变形及位移，以确定能否满足天线设计精度。

首先是天线的驱动结构图，如图1：

图1

其剖视图如图2：

图2

图中：1卡簧2轴承 3滑块4滑动盘5连接螺栓

6固定套筒7丝杠 8卡簧 9轴承

其工作原理为：电机带动丝杠7旋转，丝杠上滑块3沿丝杠轴线移动，带动与之通过螺栓5固连的滑动盘4上下移动，滑动盘的移动带动天线的展开与收缩。

本文面临的问题是，在给滑动盘4的部分表面施加均布载荷时，盘的变形量能否满足小于0.01mm的精度要求及盘的最大应力能否小于50MPa。

二、建立仿真模型与设置

下面应用ABAQUS软件对滑动盘4的应力分析及变形分析。

1、导入.x_t模型，如下图3：

图3

2、添加材料属性，此处为钛合金。其弹性模量为116GPa，泊松比为0.33。如

下图4：

图4

3、划分网格，此处为四面体单元。如下图5：

图5

4、耦合-相互作用，为下一步施加载荷做准备，紫红色表面为要施加的载荷面，

如下图6：

图6

5、施加载荷，载荷大小为230N，垂直盘面。如下图7：

图7

6、施加边界条件，使盘内柱状表面固定，如下图8：

图8

7、进行计算分析，输出结果为应力如下图9、变形如下图10：

图9

图10

三、仿真结果

由仿真得到的应力图图9所示，其最大应力为14.27MPa，应力最大处发生在肋凸缘处；由仿真得到的变形图图10所示，其最大变形量为0.002418mm，最大变形处发生在盘的边缘处。

四、结论与存在的问题

由结果知，最大应力14.27 MPa小于要求应力50 MPa，最大变形0.002418mm 小于0.01mm，说明该滑动盘结构设计合理。

仿真得到合理的结果，说明应用ABAQUS对该模型的分析取得了一定程度上的成功，但是本次仿真分析中还有许多实际情况没有考虑，比如风速、温度等对伞状天线盘式结构展开的影响，所以如果想要取得更准确、更接近实际情况的仿真结果，下一步的处理方向就是进一步改进仿真模型的真实性。