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1、虚拟样机技术,第一章 概述,1.1 基本概念,1、样机和虚拟,样机：正式产品投产之前制造的实验机型，用以评价产品的综合性能。 虚拟 完全的数字化方法 借助于网络通信的分布式工作 基于多媒体技术和虚拟现实技术,2、虚拟样机,概念：原型产品的计算机仿真模型,具有一定的真实功能,并可与物理样机媲美。 两种理解： 从计算机图形学的角度：虚拟样机（VP:Virtual Prototype ） 从生产制造的角度：数字化模型(DMU:Digital Mock-Up ),3、虚拟样机技术,美国国防部：使用虚拟样机代替物理样机对设计方案进行测试和评估的过程 美国UARK大学虚拟样机技术实验室：虚拟样机技术是在一
2、个人造的四维交互环境中对新的或修改过的想法、概念、产品、模式或者过程所进行的设计、仿真和试验。 熊光楞：是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计方法，这些数字化模型就是虚拟样机，能从视觉、听觉、触觉以及功能、性能和行为上模拟真实产品。,4、虚拟样机技术的内容,数字化物理样机（DMU）装配过程 型态特性 装配特性 功能虚拟样机（FVP:Functional Virtual Prototyping ）分析过程 功能 操作性能 虚拟工厂仿真（VFS:Virtual Factory Simulation ）制造过程 制造性能,5、虚拟产品开发的概念,集计算机图形学、人工智能、并行工程、网络技术、多媒
3、体技术和虚拟建模技术为一体，以计算机仿真和产品建模为基础，对产品进行构思、设计、制造、测试和分析，完成产品开发的过程。,6、虚拟产品开发的特点,利用数字化模型进行仿真分析，提高多目标决策水平，达到全局优化和一次性开发成功的目的。 数字化方式贯穿产品生命周期 并行工程，网络协同 低成本、短周期、高质量 支持产品的全方位测试、分析与评估,8、虚拟现实,虚拟现实技术是多媒体技术广泛应用后兴起的更高层次的计算机技术，它利用三维图形生成技术、多传感交互技术以及高分辨显示技术，生成三维逼真的虚拟环境，用户戴上特殊的头盔、数据手套等传感设备，或利用键盘、鼠标等输入设备，便可以进入虚拟空间，成为虚拟环境的一员
4、，进行实时交互，感知和操作虚拟世界中的各种对象，从而获得身临其境的感受和体会，达到真实体验和基于自然技能的人机交互，这样的虚拟环境给计算机仿真工作者带来莫大的好处。,LAN Cable,Computer for Master Side,Image Processing Unit,Motion Bed,3D Glasses Headphone,3D Screen,Camera Pan Control,A/D D/A,Computer for Slave Side,Hydraulic Servo Valve Drive Unit,Construction Robot,Frame Buffer,St
5、ereo Microphone Stereo View Camera,Torque Sensor Position Sensor Pressure Sensor,Hydraulic Actuators,Tele-Robotics System Using VR,Joystick,Tele-Operation construction robot system,9、虚拟设计与传统设计,传统设计： 设计对象：物理样机 设计环境：真实环境，以图纸上的线条、线框表述设计对象 特点：步骤清晰、责任明确，但反复的过程中消耗较大的人力物力和时间 虚拟设计： 设计对象：虚拟样机 设计环境：虚拟环境，在计算机上
6、方便进行交互、实时、可视化的修改，并能马上看到结果。 特点：并行工程，协同工作、异地设计、资源共享、优势互补，缩短周期,参考书,根据作者使用ADAMS的经验和体会，结合实际的例子对机械系统动力学分析的建模、分析、优化以及专用仿真系统的二次开发等进行了较详细的阐述。本书可作为高校“机械系统动力学分析”课程教材，对从事机械系统数字化功能样机的建模、求解、专业化仿真系统二次开发的工程技术人员具有重要的实用价值，可作为机电工程类本科、研究生教学用书。,参考书,以ADAMS软件为蓝本，较系统地介绍了机械系统动态仿真技术，并根据作者实际使用ADAMS的经验和体会，机械设计和创新设计的需求，结合大量的实例，
7、从ADAMS的入门上知识入手，介绍了虚拟样机的基本概念，ADAMS软件的主要功能和操作技巧。,参考书,本书主要介绍如何用虚拟样机仿真分析软件ADAMS进行虚拟样机仿真，重点介绍ADAMS提供的虚拟样机的仿真建模工具以及专业模块的应用（汽车模块、液压模块、控制模块）。读者对象主要是各高校的研究生及科研院所、技术公司、企业技术部门的设计人员；应用领域包括航空航天、汽车、机械生产厂、发动机、液压传动等行业。,参考书,参考书,1.2 计算机辅助设计 Computer-Aided Design,在当代，广义的CAD则是指CAD/CAE/CAM/PDM的高度集成,CAD 侧重于产品的设计与开发 CAE (
8、Computer Aided Engineer) 侧重于产品的优化与分析 CAM (Computer Aided Manufacture) 侧重于产品的加工与制造 PDM (Product Data Management) 侧重于产品数据管理,波音777 无纸化设计,波音777是波音公司研制的双发宽体客机 1990年10月29日正式起动。 1994年6月12日第1架波音777首次试飞,1995年5月17日波音公司生产出首架波音777，交付用户美国联合航空公司。是当时世界上最大的双引擎远距离喷气式飞机。,波音777 虚拟制造技术CATIA,戴姆勒奔驰引擎CATIA,常用CAE软件调查来自仿真论坛
9、,1、AutoCAD 简介,AutoCAD是由美国Autodesk(欧特克）公司于二十世纪八十年代初为微机上应用CAD技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完善，现已经成为国际上广为流行的绘图工具。用于二维绘图、详细绘制、设计文档和基本三维设计。 目前CAD技术已在电子和电气、科学研究、机械设计 、软件开发、机器人、服装业、出版业、工厂自动化、土木建筑、地质、计算机艺术等各个领域得到广泛应用。,CAD操作界面,2、Solidworks的特点,SolidWorks为法国达索系统（Dassault Systemes S.A）下的子公司，专门负责研发与销售机械设计软件的视窗产品。是第一款基于Wind
10、ows平台开发的三维CAD软件，目前是国际上最为流行的三维机械设计软件。 Solidwoks是一个基于特征、参数化的实体造型系统具有强大的实体建模功能；同时也提供了二次开发的环境和开放的数据结构。,全动感用户界面,只有SolidWorks 才提供了一整套完整的动态界面和鼠标拖动控制。“全动感的”的用户界面减少设计步骤，减少了多余的对话框，从而避免了界面的零乱。 崭新的属性管理员用来高效地管理整个设计过程和步骤。属性管理员包含所有的设计数据和参数，而且操作方便、界面直观。 特征模版为标准件和标准特征，提供了良好的环境。用户可以直接从特征模版上调用标准的零件和特征，并与同事共享。 SolidWor
11、ks 提供的AutoCAD模拟器，使得AutoCAD用户可以保持原有的作图习惯，顺利地从二维设计转向三维实体设计。,装配设计,在SolidWorks 中，当生成新零件时，你可以直接参考其他零件并保持这种参考关系。在装配的环境里，可以方便地设计和修改零部件。对于超过一万个零部件的大型装配体，SolidWorks 的性能得到极大的提高。 SolidWorks 可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。 镜像部件是SolidWorks 技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。 SolidWo
12、rks 用捕捉配合的智能化装配技术，来加快装配体的总体装配。智能化装配技术能够自动地捕捉并定义装配关系。,PhotoWorks高级渲染,有效地展示概念设计，减少样机的制作费用，快速地将产品投放入市场。 PhotoWorks提供方便易用的、最品质的渲染功能。通过在Windows环境下，与三维机械设计软件的标准SolidWorks的无缝集成，PhotoWorks帮助方便制作出真实质感和视觉效果的图片，并向客户发布。,3、Pro/ENGINEER简介,Pro/ENGINEER简称Pro/E，是美国参数技术公司旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前
13、的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engineer作为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准而得到业界的认可和推广。 Pro/ENGINEER是集合了零件设计、产品装配、模具开发、数控加工、造型设计等多种功能于一体的一种模具软件。一般中小型企业较长用，主要用来造型与分模。由于其参数化性能较强，设计小型产品非常方便，受到多数设计师的青睐。广泛用于电子、机械、模具、工业设计和玩具等各行业。,4、Unigraphics NX（UG）简介,UG NX加工基础模块提供联接UG所有加工模块的基础框架，它为UG NX所有加工模块提供一个相同的、界面友好的图形化窗口环境，用户可以在图形方式下
14、观测刀具沿轨迹运动的情况并可对其进行图形化修改。UG NX的加工后置处理模块使用户可方便地建立自己的加工后置处理程序，该模块适用于目前世界上几乎所有主流 NC机床和加工中心。 UG是当今较为流行的一种模具设计软件 。,1.3 计算机辅助工程 Computer-Aided Engineer,传统的CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。 从广义上说，计算机辅助工程包括很多，它可以包括工程和制造业信息化的所有方面。,工程设计中的计算机辅助工程CAE (Computer Aide
15、d Engineering)，指用计算机辅助求解分析复杂工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等。 CAE软件可作静态结构分析，动态分析；研究线性、非线性问题；分析结构（固体）、流体、电磁等。,应用CAE软件对工程或产品进行性能分析和模拟时，一般要经历以下三个过程：,前处理：对工程或产品进行建模，建立合理的有限元分析模型。 有限元分析：对有限元模型进行单元特性分析、有限元单元组装、有限元系统求解和有限元结果生成。 后处理：根据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行用户所要求的加工、检查，并以图形方式提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。,计算机辅助工程CAE软件,Hyperworks，主要做前处理（分单元加载荷加约束）和后处理（看输出结果和仿真） Pro/ENGINEER Mechanica 综合的CAE软件 Ansys，很经典的CAE，国内应用最广，客户成熟度最高，尤其是在高校科研领域 ADINA,强大的非线性功能、能做直接流固耦合 Abaqus，强大的非线性复杂动态问题求解器，专门汽车分析模块 LS-DYNA，强大的动态问题求解器，专门汽车分析模块,1.4 课程学习方法和成绩考核方式,成绩考核,平时表现（50%）+小组成绩（40%）+论文（10%） 平时表现（课堂纪律，个人练习表现） 小组成绩（大作业结果）,
