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武汉钢铁
虚拟样机技术的工程应用
变电站虚拟操作系统
虚拟样机技术理论基础
虚拟样机技术的核心理论是多提系统动力学。目前，多体系统动 力学分析已经形成了比较系统的研究方法，其中主要以工程中常用的 拉格朗日方程为代表的分析力学方法，以牛顿-欧拉方程为代表的矢 量力学方法，图论方法，凯恩方法和变分法等。目前，相关技术大都 有相对应的软件开发出来，如基于牛顿-欧拉法的NEWEUL软件，基 于图论法的MESAVERDE软件，基于拉格朗日法的ADAMS和DADS 软件等。 在应用多体系统动力学的研究方法解决实际问题时，一般要经过以 下几个步骤： 1）实际系统的多体模型简化； 2）自动生成动力学方程； 3）准确的求解动力学方程。
虚拟样机技术未来发展方向
(3 ) 虚拟样机系统的容错性。 当前的虚拟样机技术的方法和工具与物理样机间存在误差,这种误差 可能由于计算时间的延迟、 图像处理时间的延迟以及用户在虚拟环境中 操作的不确定性,产品数据也会在各种平台的交换中损坏。 因此需要一个 容错虚拟仪器系统,以确保虚拟仪器给出可靠的工程 测 试 数 据 。 试数据。 (4) 以虚拟样机技术为基础的优化设计。 如果产品各个属性都可以通过虚拟样机被充分地描绘出来,可以获得 一个量化的最优化设计。 然而以虚拟样机技术为基础的优化设计展示了 对传统优化设计方法的一个新的挑战。首先,基于虚拟样机技术的优化必 须非常有效地来确定最合适的设计,因为在目前到可预测的未来虚拟样机 技术是计算密集型技术。其次,优化设计通常包括不同学科的多重设计目 标,因此它可以明确的解决各学科的优化问题。
虚拟样机技术仿真分析举例
下图为施加约束后的虚拟样机模型图
虚拟样机技术仿真分析举例
样机动态干涉分析 摆线轮轮廓面与针齿轮之间的动态啮合间隙是减速机的重要参数之 一，该值既不能为负，也不能大于必要的公带差。因此需要对动态情况 下的啮合间隙进行干涉检查校核。采用的方法是在两个摆线轮上分别取 一点，测量该点到任何一个针齿的距离。如果测量距离小于针齿半径， 说明存在干涉，样机不可靠，仿真过程必须终止。 虚拟样机动力学仿真结果分析 以某厂的行星摆线轮减速机构为例，在额定工况（摆线轮齿数 zg=11,传动比i=11，输入转速为1500r/min，输出轴负载转矩为 Tv=1.17MN.m）下进行运动学和动力学仿真分析。 （1）部分关键零部件的受力分析情况 如下图所示
虚拟样机技术仿真分析举例
行星摆线针轮减速机构
几何建模
行星摆线针轮减速器的三维几何建模采用UGII实现，如下图所示， 图中仅包含了仿真分析时需要涉及到的核心部件，不影响仿真分析的零 部件未画出。
虚拟样机技术仿真分析举例
物理约束机制的实现 由摆线轮行星传动的啮合原理可知，针轮与摆线轮是多齿轮啮合传 动。在实际的啮合传动中，摆线轮与各针轮之间，以及W机构中柱销套 之间的载荷分布很复杂。现在做如下假设;制造误差忽略不计，各部件均 视为刚体，不考虑摆线轮，针齿轮和转臂的变形。在进行仿真分析时， 一个完整的虚拟样机一般由构件，力，约束和运动激励等基本元件构成 。 系统中约束的添加 1）两个偏心套之间以及偏心套与输入轴之间分别固接在一起。 2）偏心套与摆线轮通过滚动轴承连接，为研究方便，轴承略去，偏心 套与摆线轮之间施加旋转副，则运动关系不变；针齿套与针齿壳，销套 与输出轴之间以及输出轴，偏心套也采用旋转副连接。 3）偏心套与摆线轮，针齿壳组成一行星轮传动机构，采用齿轮副实现 他们之间的运动关系。 4）在输入轴施加一个运动激励。
虚拟样机技术仿真分析举例
运动学与动力学分析
虚拟样机技术仿真分析举例
运动学与动力学分析
虚拟样机技术未来发展方向
虚拟样机技术的目标是替代物理样机。它可以大大改善当前产品的开发 进程，制造商将虚拟样机技术引入各自的产品开发中,取得了很好的经济 效益;科研机构和大学也纷纷开展虚拟样机技术的应用研究。但是虚拟 样机技术仍需在以下几个方面不断完善。 （1）集设计 、分析和仿真工具于一体。 现在还没有一种完美的方法来完成各种工具中数据的交换 ,主要 研究方向可能是产品数据的展示及数据库。需要一种新的方法来完成各 方面的整合 ,使操作变得更加便利 。 （2）虚拟样机技对产品可制造性分析和产品性能评价 因为产品的可制造性包括可装配性 、可维护性 、可加工性分析 , 这些不是很容易界定 , 如何去测试这些方面 , 仍然是一个需要解决的 问题 。虚拟样机技术的使用提 供了一个有希望的途径 。例如 ,一个产 品的可维护性可以通过一个一体化维护技师在虚拟的环境中来完 成维护 任务而被量化 。然后 , 将不同设计方案的可维护性进行比较 ,得出结 果。
虚拟样机技术概述
虚拟样机技术特点
全新的研发模式 虚拟样机技术基于并行工程，使产品在概念设计阶段就可 以快速分析多种设计方案，并预测产品在真实工况下的特征及其所有响应， 直至获得最优工作性能。 进行系统层面的分析 它主要是从系统层面进行仿真优化工作，并把有限元 等零部件分析技术纳入其中 ，因此，虚拟样机技术对设计方法和过程的影响 比有限元分析技术要更大。 减少甚至取消了物理样机研制次数 虚拟样机技术是通过计算机来完成无数 次虚拟实验和性能的优化分析，从而减少甚至无需制造物理样机即可获得最 优方案。 实现动态联盟的重要手段 虚拟样机是一种数字化产品，通过网络传输产品 信息，具有传递快速，反馈及时的特点，从而使动态联盟的活动具有高度的 并行性。
虚拟样机技术概述
虚拟样机及其相关技术
虚拟样机技术的工程应用
近年来，虚拟样机这门新兴技术的研究与应用已经获得了重大的进展，已经 具备处理日益复杂的工程问题的能力，被广泛应用于航空航天，机械工程， 汽车制造，国防工业及通用机械制造业等不同的领域。实现这项技术的关键 就是如何开发出可信度高的虚拟样机，如何等效简化实际工况进行虚拟实验 并在设计阶段就能完全预测评价产品的各项性能。随着研究工作的不断深入 和相关技术的进一步发展，虚拟样机技术将得到进一步的应用和发展。
虚拟样机技术未来发展方向
最后,基于虚拟样机优化设计不得不考虑虚拟样机可能出现的错误,获得的 优化必须足以应对固有的模型误差和计算误差。 当今的以仿真为基础的 优化设计和多学科优化方法可能促进基于虚拟样机优化设计。 参考文献 [1] 王国强.虚拟样机技术及其在 ADAMS上的实践 [M] .西安 : 西北工业大 学出版社 ,2002 . [2]杨晓雪.虚拟样机技术的发展与应用.北京：北京工业职业技术学院 ， 2011。 [3]李伟.先进制造技术。北京：机械工业出版社，2005.
虚拟样机技术概述
虚拟样机技术的定义 虚拟样机技术是指在产品设计研发过程中，把虚拟产品建模技术（ CAD）与分析技术（CAE）相结合，针对产品在投入使用后的各种工况 进行动态仿真分析，预测产品整体性能，从而改进产品设计，提高产品 性能 。 虚拟样机是实际产品在计算机上的表示，又称为数字化样机。虚拟样 机技术本质上是一种模拟仿真技术，涉及多体系统运动学，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等的综合应用技术。
虚拟样机技术
虚拟样机技术概述 虚拟样机技术的工程应用 虚拟样机技术理论基础 虚拟样机技术仿真分析举例 虚拟样机技术未来发展方向
虚拟样机技术概述
问题提出： 在航空、航天、汽车等领域大型复杂产品的研制过程中，常使用 各种实物模型来解决设计和制造中的各种问题。 物理样机和实际的产品尺寸成某种比例的产品模型，是看的见、 摸得着并能够进行性能和功能验证的产品模型。 例如：在飞机设计初期，为了验证飞机的空气动力学性能，需要 制作飞机的风洞试验模型；卫星研制的三阶段：模样、初样和正 样。 这种用物质材料制作的产品模型称为物理模型（或物理样机，实 物样机），通常需要花费较大的制作成本和较长的制作时间。