虚拟样机技术作业2011

机械系统计算机虚拟样机技术研究生课程作业（注：从习题1-4中任选3题，再加上论文题）习题321KCBADF1. 下图为一小型压力机。已知各构件的长度为lAB=100mm，lBC=200mm，lAD=200mm。驱动力F作用在构件1的D点，大小为F=140N，且始终与AD保持垂直。滑块C向下运动压紧工件，其压紧力用弹簧力来模拟。弹簧刚度K=5N/mm，阻尼系数C0。（1） 试建立该压力机的虚拟样机模型；（2） 进行动力学仿真分析，求曲柄角度的变化规律及给出在压紧过程中工件所受压力的变化情况。（仿真测试时间0.1秒，步长0.0001秒）P39质量球-弹簧系统KmF习题2 如图所示为质量球弹簧系统。已知质量球的质量为m=1kg，弹簧的刚度为K=(2)2 N/m，在球上作用有一个铅垂向下的力F=sin(t)。 建立该系统的虚拟样机模型仿真分析该系统的振动特性P79习题3 在进行凸轮机构设计时，一般先确定从动件的运动规律，再据此设计凸轮的轮廓曲线。假设已经确定了移动从动件（如图（a）的运动规律，如图（b）所示。 移动从动件的推程按匀速规律运动，其位移方程为： 回程按简谐规律运动，其位移方程为： 其中从动件的行程h=200mm，推程和回程的运动角，凸轮的转动角速度，凸轮的转角，t表示时间。 在不考虑凸轮的情况下，试建立一个移动从动件，并用上述运动规律来驱动其沿竖直方向的运动。(b)从动件运动规律36027018090hsO(a)移动从动件移动从动件及其运动规律P88习题4 在水平桌面上放置一个质量m=1kg的正方体，如图所示。正方体与桌面的静摩擦系数为，动摩擦系数为。现给正方体施加一个水平方向的推力，推力的初始值为2N，然后每过1s就增加1N，如图（b）所示。试通过虚拟样机技术分析正方体的运动状况。P94系统模型及作用力变化规律（a）系统模型(b) 作用力变化规律56F/Nt/s432045321F5.论文 以“虚拟样机、计算机模拟、数字化设计在工业中的应用”为主题（农业机械、汽车、航天、工程机械） 要求：至少5篇参考文献（1篇英文文献）虚拟样机技术在农业机械设计上的应用和发展1 虚拟样机技术的概念虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域CAX（CAD、CAM、CAE）/DFX（DFA、DFM）的发展和延伸。虚拟样机技术以系统建模/仿真技术为核心，融合了现代信息技术、先进设计制造技术、现代管理技术。与传统的产品设计技术相比较，虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品的全生命周期，能够对产品进行全方位的仿真分析、测试和评估，并强调不同领域的协同设计1。由于虚拟样机技术适用于不同的领域，因此对虚拟样机的概念并没有一个精确的概念。现将一些比较有代表性的定义总结如下：文献2较早地对国内几种有代表性地定义做了总结：虚拟样机技术就是在建筑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字化模型，进行仿真分析并以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。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的特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统的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构精简和优化系统。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的功能，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。其中定义从建模和仿真的角度来论述；定义强调虚拟样机的数字化设计；定义。侧重于虚拟现实和交互性。文献3认为：虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法，这些数字模型即虚拟样机（ virtual prototype ）。将不同工程领域的开发模型结合在一起，它从外观、功能和行为上模拟真实产品，支持并行工程方法学。虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域仿真技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。这个定义从广义上来定义虚拟样机技术，包含了其相关技术以及涉及到的各个方面，基本上概括了虚拟样机技术涉及的全部内容。文献4认为：虚拟样机技术是指利用计算机仿真技术在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术结合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，对该模型进行评估和测试，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。相对于文献3的定义，这个定义从狭义上来定义虚拟样机技术，从虚拟样机技术的核心即建模/仿真来描述，没有涉及到虚拟样机技术产品开发的其他方面。文献5认为：虚拟样机就是用来代替物理产品的计算机数字模型，它可以像真实的物理模型一样，用来对所关心的产品的全寿命周期，如设计、制造、服务、循环利用等，进行展示、分析和测试。这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术。这个定义明确了几个问题：明确表示虚拟样机是一个代替物理产品的数字模型；明确阐述了虚拟样机的功能是代替产品的物理模型；明确了虚拟样机和虚拟样机技术的区别。通过对以上几种定义的分析，得到的一个共同点就是：虚拟样机是一个用来代替产品物理模型的数字化模型。本文基于虚拟样机技术的特点，结合农业机械设计领域的实际情况，提出一个现阶段普遍适用的基于农业机械设计的虚拟样机技术的概念。在农业机械设计上，虚拟样机技术就是利用先进的计算机建模技术建立起在一定程度上具有和物理样机相当功能的数字化模型（即虚拟样机），并利用先进的仿真技术对虚拟样机进行仿真分析和测试的一种设计方法。通过对虚拟样机施加特定的约束和驱动，分析其对各种在实际生产和应用中可能遇到的情况的虚拟响应，并对虚拟样机进行优化设计，得到最适当的参数，使虚拟样机和物理样机具有最大程度的一致性。 2 虚拟样机技术的实现虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商业化虚拟样机软件来实现的。比较有影响力的商业软件有：美国机械动力学公司的ADAMS 、CADSI 的DADS 以及德国航天局的SIMPACK，此外还有Working Model、ADINA、IDEAS、FLOW 3D、Phoenics 、Pamcrash、MSC. Software 等等。其中ADAMS 在国内应用最为广泛。ADAMS 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等6。ADAMS 的功能虽然强大，但它主要是进行机械系统的静力学、运动学和动力学的仿真分析，而在几何建模、结构分析、控制系统设计上则不及相应领域的专业软件。因此，要提高虚拟样机的设计效率和仿真分析的精度，有必要进行ADAMS 与其他软件的联合仿真。ADAMS 一方面是虚拟样机分析的应用软件，另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，有利于与其他领域的软件进行联合仿真。本文根据实际应用情况，总结出一种当前普遍适用的联合仿真方案如图1 所示。ADAMS 与三维造型软件的联合仿真。比较著名而又应用广泛的大型三维造型软件有Pro/E、UG、SolidWorks 等。利用专业的三维造型软件，建立起样机的三维实体模型，然后保存为几种图形的标准格式如IGES、STEP、Parasolid，通过ADAMS/Exchange 模块导入到ADAMS中进行仿真分析。其中Pro/E和ADAMS之间通过专用的接口模块Mechanism/pro 来传输数据。ADAMS 与结构分析软件的联合仿真。ADAMS 分析对象主要是刚体，如果和结构分析软件如ANSYS 联合仿真的话可以解决机械系统的柔性问题。利用ANSYS进行模态分析时可以生成柔性体的模态中性文件（.mnf文件），通过ADAMS 中的ADAMS/Flex 模块导入到ADAMS 中生成模型中的柔性体。同时，ADAMS 进行仿真分析时可以生成ANSYS 使用的载荷文件（.lod 文件），ANSYS 可直接利用此文件进行仿真分析7。ADAMS 与控制系统设计软件的联合仿真。对于一些比较复杂的机械系统，要精确控制其运动，仅利用ADAMS 是难以做到的，这就要借助于其他的控制软件如Matlab 的强大仿真功能。Matlab/Simulink 是新型的图形建模与仿真工具，可以方便地实现对工程问题的模型化和动态仿真。通过建立起的样机模型、利用Adams的ADAMS/Controls 控制模块和Matlab 等自动控制仿真技术等知识建立包括控制系统和运动机械系统为一体的仿真模型，实现机械系统和控制系统的联合仿真。3 虚拟样机技术在农业机械设计上的应用虚拟样机技术在一些发达国家已经得到了广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。在国内，虚拟样机技术的研究与应用正处于初步阶段，并呈现出美好的发展前景，在农业机械方面的应用也日益广泛。3.1 虚拟样机技术在农业机械设计中的必要性在我国，传统的农业机械的设计很大一部分是凭借经验进行类比设计，一般只进行静态分析而不注重动态特征的分析。传统的产品开发过程是：设计样机制造样机测试反馈设计正式生产。在这种开发模式中，物理样机的制造和测试是必须的。一旦在测试中发现某个环节出现问题又或者设计方案发生变化，就必须重新制造物理样机再进行测试。经过对物理样机反复的测试和改进设计、样机制造后，再进行正式的批量生产制造。很显然，这种模式在物理样机的反复设计、制造和测试中浪费了大量的人力财力，导致产品生产周期长，成本高。因此，农业机械的设计和开发模式必须进行重大的变革。3.2 虚拟样机技术在我国农业机械设计中的应用计算机辅助设计在我国农业机械设计上的发展经历了一个渐进的过程： 二维CAD 三维CADCAD/CAM/CAECAX/DFXVP（虚拟样机技术）。早期的基于计算机的农业机械的设计主要是利用计算机来生成零件或整机的二维或三维图形，也即是传统意义上的CAD 建模，逐步发展到现在的虚拟样机技术。在我国农业机械虚拟样机设计的发展过程中，以上提到的利用ADAMS以及其他专业软件和ADAMS联合仿真的方法在农业机械设计上很普及，成了现代农业机械虚拟样机设计的主流。下面分类总结如下：1、单独利用ADAMS 进行运动仿真分析。这种方法直接在ADAMS中建立虚拟样机模型，进行仿真分析。其优点是可以实现数据的无缝连接，缺点是ADAMS 的建模功能不强，难以建立起大型复杂的模型。这方面的研究有：文献8在建立农用运输车整车多体动力学模型的基础上，借助软件ADAMS 研究了农用运输车平顺性仿真的方法，是国内较早将ADAMS 软件应用到农业机械设计中的例子；文献9采用 ADAMS 仿真软件对4LZ-1.2 型全喂入稻、麦联合收割机清粮机构进行建模，并对该模型进行运动学仿真和结构优化；文献10利用ADAMS 建立了1LD-440 型深耕犁机构的虚拟模型，通过仿真实验与物理实验的比较，对模型进行了验证；文献11利用ADAMS 建立风筛清选装置的虚拟样机模型，并对不同机械系统工作参数下，油菜物料在清选装置中的运动规律进行初步的仿真研究；文献12在理论分析的基础上利用ADAMS软件建立了联合收获机切割机构的模型，对割刀的运动进行了仿真，得出的仿真结果与理论分析相一致。2、ADAMS 和造型软件的联合仿真。这种方法先在专业的造型软件上建立模型，然后再把模型导入ADAMS 中。优点是专业的造型软件的建模功能强大，可以建立起复杂的模型，实现对复杂机构的仿真分析。缺点是在把模型导入ADAMS的时候由于格式转换会出现数据的丢失。这方面的研究有：文献13在铲式玉米精密播种机的结构和特点分析的基础上，利用 Pro/E 和ADAMS 对铲式玉米精密播种机的运动进行了仿真分析；文献14运用三维造型软件ProE 建立了J801 型机械式调速器转子部件实体模型，通过Mechanism/Pro 接口导入ADAMS 建立了虚拟样机，对其运动特性进行了计算机仿真；文献15应用基于特征的参数化造型软件Inventor 对马铃薯收获机零部件进行参数化造型，采用ADAMS 机械仿真软件，对小型马铃薯收获机虚拟样机的关键部件振动筛进行了运动仿真。3、ADAMS 和结构分析软件的联合仿真。正如前述所讲的，ADAMS 的结构分析功能不强，而且分析对象主要是刚体，因此，要实现对柔性体的分析，就要与其他的结构分析软件进行联合仿真。在这方面的研究有：文献16利用ADAMS 和有限元分析软件ANSYS，建立了2ZB-8 型水稻移栽机摆秧机构的参数化虚拟模型和水稻钵苗的虚拟模型，通过仿真与物理试验的比较，对模型进行了验证；文献17采用 ADAMS 和ANSYS 并通过实测尺寸构建了GN31 耕整机的虚拟样机，从整机角度分析研究了耕整机振动机理；文献18采用ADAMS 和ANSYS，建立了电磁振动排种器的虚拟样机，通过仿真试验研究了连接弹簧的物理参数对电磁振动排种器的影响；文献19在考虑工作对象即甘蔗的几何物理性能的基础上，利用ANSYS 建立其数字物理模型，把该模型引入到虚拟样机软件ADAMS 中，建立起甘蔗收获机虚拟样机和工作对象的作用关系，从而更精确地描述机器工作过程；4、ADAMS 和控制系统分析软件的联合仿真。机械系统和控制系统结合是现代机械设计的重要发展方向，降低机构的结构复杂性，代之以结合控制系统，可实现机构的复杂运动，提高机构运动的精度和可靠性。这方面的研究有：文献20以弹性轴的多柔体动力学分析为基础，通过ADAMS 与Matlab 联合仿真研究了弹性轴轴承系统在径向正弦载荷作用下的动力学特性；文献21依照马铃薯联合收获机输送臂的工作特性，利用ADAMS 软件建立了输送臂机械模型和液压仿真模块，在Simulink环境下建立了输送臂的控制模型，通过ADAMS 与Matlab 接口对系统模型进行了集成仿真，对输送臂的运动过程进行了分析与仿真研究。总之，通过对上述多种联合仿真方案的总结可以看出，虚拟样机技术在农业机械设计中的应用，主要有以下几个方面：建模与优化设计；运动学与动力学仿真分析；振动分析；机械系统和控制系统一体化分析。此外，由于虚拟设计在甘蔗收获机械上的广泛应用，科研人员开始研究运用人工智能技术将甘蔗联合收获机虚拟设计中的有关知识加以系统化和条理化，使用+和VFP 数据库建立了甘蔗收获机总体方案的虚拟设计专家系统22。并提出了基于产品数据管理（PDM）的甘蔗收获机械可视化虚拟设计平台的研究23，涉及到对整个产品生命周期的描述、控制和管理。4 虚拟样机技术在农业机械设计上的发展前景虚拟样机技术具有丰富的内涵，包含着很多方面的高新技术。在农业机械设计方面应用到的主要是基本的部分，要实现其功能的全部应用还要经过一个不断发展的过程。结合目前虚拟样机技术在农业机械设计上的实际应用情况，农业机械设计在今后的发展方向主要有以下几个方面：1、参数化设计参数化设计是一种使用重要几何参数快速构造和修改几何模型的设计方法。它通过调整模型的某一部分或某几部分的尺寸参数，自动完成对模型相关部分的修改，从而实现同类结构产品的快速设计和修改。与传统的三维造型设计方法相比较，参数化设计具有以下特点：（1）从参数化模型中自动导出精确的几何模型。它不要求输入精确的模型，只要输入一个基本模型，标注一些几何元素的约束，通过改变约束条件来自动地导出精确的几何模型。（2）通过修改局部参数来达到自动修改几何模型的目的。对于形状大致相似的一系列零件，只要修改相关的参数，就可以生成新的零件，从而大大提高了零件的设计效率24。目前，参数化设计在机械设计中已经得到了较为广泛的应用，但在农业机械设计方面应用得还比较少，还没有形成产品化的效果，尤其是针对特定农业机械的关键部件的参数化设计，目前还比较少见。2、多学科协同设计与仿真协同虚拟样机技术(CVP)是在分布式的环境下，多领域专家协同建立和应用虚拟样机的方法和技术。它以群体的工作目标为中心， 组织各领域人员进行协同设计，通过一个共享的分布式设计环境使得各领域人员的专业经验和知识能够被有效的共享，协调大家进行合作设计。它能够实现分布在不同地点、不同部门的各领域成员围绕逼真的虚拟样机，从不同角度、不同需求出发，对虚拟样机进行测试、仿真和评价， 并进行改进和完善目前，农业机械设计在多学科协同设计与仿真领域已经取得了初步的进展，实现了不同学科领域的联合仿真。但是总体来说，多属于同地域不同学科的联合仿真，而通过网络工作环境的跨地域资源的并行参与和协同工作，还没有应用到农业机械的设计中。3、虚拟现实技术虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟环境的计算机仿真系统，它综合了计算机三维图形技术、计算机仿真技术、多传感交互技术、显示技术、网络技术等多种高新技术的成果26。它通过计算机生成一个以视觉为主的，包括听觉、触觉、嗅觉的逼真的三维虚拟环境。人们带上特殊的头盔、数据手套等传感设备，便可以进入虚拟环境中进行实时交互，获得“身临其境”的感受。它改变了过去人们要感受某一个环境就必须亲身经历其中的观念，革新了人类的认知手段和扩展了人类的认知领域。与传统的CAD 建模和仿真相比较，虚拟现实技术是面向系统的，强调实时性、交互性以及感知方式的多样性，使用户能够“直接”地感知模型的功能和性能27。目前将虚拟现实技术应用到农业机械设计上的最大制约是它对计算机软硬件的要求很高，而且需要具有先进的传感设备，而这些软硬件条件在目前还不够普及，而且价格昂贵。当前利用虚拟样机技术已经可以建立起一定程度上符合虚拟现实技术要求的虚拟样机，但要实现其沉浸性、交互性等功能，还有待于进一步的发展。5 结论目前虚拟样机技术在农业机械设计上的应用越来越广泛，从传统的零件二维和三维CAD 建模，发展到基于虚拟样机的运动仿真和分析，再到基于虚拟样机的多领域联合仿真。但都局限于虚拟样机技术的基本功能的应用，要实现虚拟样机技术的全部功能还有待于今后的不断发展。参 考 文 献1 熊光楞，王克明，郭斌. 数字化设计与虚拟样机技术J.CAD/CAM 与制造业信息化，2004，（Z1）：33-34.2 李瑞涛，方湄，张文明等. 虚拟样机技术的概念及应用J.金