样机技术协议（共8篇）
之变更协议
本协议由以下双方授权代表于【2013】年【10】月【29】日签署：
甲方：北京普天太力通信科技有限公司
乙方：【】
鉴于：
（1）甲乙双方于2012年5月就三星手机样机的购销、展示、管理回收及翻新事宜签署了
《三星产品样机协议》（以下简称“原协议”）；
（2）甲乙双方对于三星手机样机翻新的相关约定有所变更；
双方在友好协商的基础上，就主协议中样机翻新相关约定的变更事宜，达成如下协议：
1.变更内容：
原协议第10.3条修改为：“三星工厂在翻新过程中仅接收样机机头进行翻新，翻新完毕后通过甲方交予乙方，翻新机性能与正常销售机基本一样，串号为新串号。乙方应负责在产品外包装上加盖“演示翻新样机”字样的公章，与正常销售机加以区别。乙方不得以正常销售机名义违规销售翻新机。乙方销售翻新机时应履行告知义务，如实告知买方或消费者其销售的产品为翻新机。如因乙方未加盖“演示翻新样机”字样的公章或未履行告知义务导致买方或消费者投诉、甲方或三星因此涉入诉讼、索赔或其他司法程序的，乙方应赔偿甲方及三星因此遭受的一切损失，并就甲方及三星遭受的商誉损害在受损范围内为甲方及三星消除不利影响。”
2.本协议自2013年10月1日起生效，至甲乙双方全部履行完毕本协议项下的义务之日失效。
3.本协议自签署之日起即成本主协议不可分割的组成部分；如本协议与主协议、补充协议一有任何不一致之处，以本协议为准。
4.本协议一式二份，甲乙双方各执一份，具有同等法律效力。
甲方（盖章）：北京普天太力通信科技有限公司
授权代表：
日期：
乙方（盖章）：【】
授权代表：
随着21世纪世界经济和科学技术的飞速发展，全球性的市场竞争日益激烈。产品消费结构不断向多元化、个性化方向发展。面对无法预测、持续发展的市场需求，企业为了提高竞争力，必须尽快推出新产品，更新设计，缩短新产品的研发周期，提高产品的设计质量，降低产品的研发成本，进行创新性设计，这样才能对快速多变的市场需求做出敏捷响应，从而在市场竞争中获得相当的市场份额和利润。虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology）就是在这种迫切需要的驱动下产生的。
1 虚拟样机技术的特点
虚拟样机技术使新产品的设计摆脱了对物理样机的依赖，是一种全新的研发模式。它是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中，工程设计人员可以直接利用CAD系统所提供的各种零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件问的约束关系并对机械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机。使用系统仿真软件在各种虚拟环境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观测并试验各组成部分的相互运动情况。利用虚拟样机技术可方便地修改设计缺陷，仿真试验不同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直到获得最优设计方案之后，再制造物理样机。（如图1所示）
2 虚拟样机技术在仿真设计中的应用
虚拟样机仿真技术包括两方面的内容，一是几何仿真，即机构的几何特性与装配关系的仿真；二是性能仿真，即系统运动性能及动力特性的仿真。
几何仿真是通过虚拟造型技术直观、准确地反映产品的几何特征与装配关系，进而在设计早期预测系统干涉、检验装配缺陷，以便顺利进入下一步的运动学、动力学仿真中。建模的过程是为几何模型施加切合实际的特性，如约束、驱动力、摩擦及刚度等性能参数。合理的几何仿真是通过性能仿真进行优化设计的前提与基础。性能仿真的核心是多体系统动力学，多体系统动力学是由多刚体系统动力学与多柔体系统动力学组成的。多刚体系统动力学的研究对象是由任意有限个刚体组成的系统，刚体之间以某种形式的约束连接，这些约束可以是理想完整的约束，非完整的约束定常或非定常的约束。研究这些动力学需要建立非线性运动方程，能量表达式，运动学表达式以及其他一些量的表达式。多柔体系统动力学的研究对象是由大量刚体和柔体组成的系统。
虚拟样机技术在机构设计中的运用十分广泛，主要包括结构尺寸设计、结构强度和刚度分析、运动性能分析、动力学性能分析、加工工艺分析等等。
对于尺寸结构设计，目前，三维设计产品设计软件在企业已得到广泛应用，而传统的二维设计软件正在逐渐退出。概括地说，现代生产中产品设计和开发就是建立虚拟样机。相对于二维产品设计，三维设计不仅可以让设计者直观评价产品，而且使设计本身更加便捷、快速。
结构强度和刚度分析：对于某些零件，在进行结构尺寸设计的同时，设计人员还要对其进行结构强度和刚度的分析，进行材料以及结构的优化设计。有限元法在机械结构强度和刚度分析方面因具有了极为方便的分析手段。
动力学仿真分析：进行机构结构等的设计时，还需要了解机构的运动和动力学的参数。设计人员可以采用刚体或者多体动力学分析的方法对运动机构进行全方面的仿真分析，并对这些性能进行优化，从而达到提高产品性能、缩短开发时间、减少开发费用的目的。
下面以1000MW汽轮发电机定子铁心为例进行虚拟样机的模态仿真设计过程。
建立汽轮发电机定子铁心参数化模型首先要建立定子硅钢片的三维模型，接着生成定子铁心段及定子铁心体，然后装入由定位肋和穿心螺杆构成的内定子中，随后通过切除命令生成定子的定位槽及绕组槽等。最后通过干涉检查确定定子铁心模型不存在任何干涉，建成定子铁心模型。通过设置定子铁心装配参考平面与定位肋、穿心螺杆参考平面之间贴合，各基准轴线平行并且保持一定的间距等。在构建装配体时将零部件安装到默认位置，得到汽轮发电机定子铁心的装配体模型，如图2所示。
通过有限元方法（使用ANSYS软件）计算得出1000MW汽轮发电机定子铁心的第一阶固有频率为126.24hz、129.39Hz、180.46Hz，分别给出第一阶振型图、同时分别给出了三种型号汽轮发电机定子铁心的前10阶模态频率。定子铁心的自由模态分别存在椭圆变形模态振型（第81阶），如图3和图4所示。
根据分析得到的N阶模态频率可以清楚地指导所设计的定子铁心的安全工作时间以及在何时会靠向倍频，从而清晰的掌握定子铁心的整个工作状态。随时调整设计方案以及快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试验，直到获得系统的最佳设计方案为止。虚拟样机技术的应用贯穿于整个设计过程中，它可用在概念设计和方案论证中，设计者将自己的经验与想象结合在虚拟样机里，让想象力和创造力得到充分发挥。用虚拟样机替代物理样机验证设计时，不但可以缩短开发周期，而且设计效率也得到了提高。
3 结束语
虚拟样机技术是工程机械领域内一门新兴技术,它使产品设计可以摆脱对物理样机的依赖。围绕产品的概念设计、定型生产到整个研发周期,再从设计师、决策层、制造商、销售商到用户群等全方位的观察和研究产品,虚拟样机技术显示其强大的优势和发展潜力。作为一种先进的设计方法,虚拟样机技术有助于企业做出前瞻性的决策,实现产品总体优化目标,为企业赢得用户给市场提供了有利条件。可以预见，在21世纪虚拟样机技术势必会成为工程机械领域产品研发的主要手段。
摘要：介绍了虚拟样机技术的功能和特点,并以1000MW的发电机定子铁心为例分析论述了该方法的原理与特点,研究了其实现方法与具体步骤,通过应用表明,虚拟样机技术有助于设计者进行复杂的产品设计与性能的优化研究。
关键词：虚拟样机,仿真,应用
参考文献
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[5]田永,邹慧君,郭为忠,叶志刚.机电一体化系统建模技术与仿真软件的研究与分析[J].机械设计与研究,2003,19(4):15～18.
【关键词】机械设计；虚拟样机
Mechanical design careless fitting prototype technology of efficiently
PENG Guang-lin
（Anhui province the new town.it FengTaiXian rapid-developing xinji equipment management center JiShuKeAnHuiFengTai232170）
【Abstract】Virtual prototype technology in automobile manufacturing, mechanical manufacturing, spaceflight, national defense industry and mechanical electronics and shipbuilding industry and other fields have a wide range of applications, using the virtual prototype technology can save the cost of manufacturing physical prototype, and shorten the construction period, not only drop the product investment, and performance is superior. This paper aimed at mechanical design of virtual prototype technology application is also discussed.
【Key words】Mechanical Design;Virtual Prototype
1.虚拟样机的定义及优势
所謂虚拟样机是在制造物理样机前工程师利用计算机技术所建立的数字化模型，即数字模拟机械系统，然后进行仿真实验，那么该系统就可以以图形的方法显示出处于真实环境中系统的特性，工程师可以根据该仿真模型对设计方案进行修改。工程师利用该技术在计算上建立起机械系统的模型，再辅助可视化的相关处理，将系统的动力、动力特性在一个真实的环境下做模拟运行，再按照仿真结果对系统进行精化以及优化。它是以CAD模型为基础，采用仿真技术结合虚拟技术，从而为产品的研发提供一个新的设计方法。
2.虚拟样机技术在机械设计中的应用
2.1建模
2.1.1建立三维模型
要实现虚拟样机的前提条件就是要建立一个机械系统的三维实体模型，所有的仿真实验都是建立在三维模型的基础上的。数字化机械系统的模型的建立是一个非常复杂的过程中，工程师常为两个问题所困扰，一是诸如齿轮、扇页等零件的外形比较复杂，二是各种驱动力、运动副等约束关系比较复杂，所以如果要建立一个复杂机械系统的虚拟样机，就要比较专业的CAD软件进行。现在市场上有多种三维的CAD软件，这些软件比二维CAD更具优势，一般二维CAD系统主要是取代手工绘图所用，但是三维CAD则更能对产品的技术以及诸如转动惯量以及质心位置等相关生产管理信息进行完整的表达。
2.1.2添加约束
完成三维模型的建模后，为了对物体间发生的相对运动做出定义，那么就要用约束副将其进行连接。在添加约束副时要尽可能符合实际的约束情况。现在多数三维CAD软件都装有运动/动力学的插件，这些插件可以实现约束关系以及装配关系的映射，从而将虚拟装配过程和预约束添加过程进行统一。另外还有一种作法是先在CAD中完成预装配，再将其导入ADAMS中，该软件是专业分析机械系统运动/动力学的，因此分析工作可以更完备。下图为建成的某蠕动泵传动部件的三维模型：
2.1.3施加模型驱动
如果确定了零件模型之间的各种连接关系，以及它们的相对运动，那么接下来就要给模型添加驱动力以及驱动转矩，或者让模型按照设计师所设定的运动规律运动。例如上述蠕动泵传动部件模型中，本例为凸轮轴子装配施加的驱动，促使凸轮轴按照一定的速度转动，其可以用下式表达：凸轮轴的角位移=360°×时间，完成上述步骤以后，蠕动泵传动部分的虚拟样机就建立完成了。
2.1.4虚拟样机的仿真
完成了上述工作后，就能对机械系统运动做仿真试验，然后求取运动的全部物理量，包括位移量、速度和加速度以及作用力与反作用力等等，同时还能为后续的有限元分析提供边界条件。
2.2有限元分析
有限元法可以精准的分析出各结构件的动态特性以及结构的强度，它最显著的特点就是其通用性。对于结构形状以及边界条件都相对随意的力学问题都可以通过它来求解，现在在机械设计中已经被广泛的应用。而对于虚拟样机技术来说，该计算方法的可靠性高，因此也是必不可缺的工具。
2.3优化
机模设计中的优化是常见的问题，一般机械优化可以分为以下几种：在各种设计条件都满足的前提下，在所制定的变量变化的范围内，采用自动选择来设计变量，目标函数最大值可以利用分析函数来求取，其借助于计算机的计算能力，通过计算机来改变设计变量迭代求解，以实现多次仿真。每经过一次仿真试验都会对模型的设计变量做一部分的修改，直到得出设定物理量最优解为止。
2.4控制、机械系统联合仿真
在传统的机械开发过程中，机械系统是独立于控制系统之外的，其设计和测试都是相对独立的。那么二者之间没有互动，因此设计效果就会受到直接的影响。但是虚拟样机技术具备机构控制一体化的特点，其对机电进行整体的设计，那么诸如控制规律是否合理或者控制品质的高低等问题就会迎刃而解。控制和机械系统的联合仿真设计思路如下：利用ADAMS等仿真软件提供设计目标的三维模型、动力以及运动学的模型，再由MATLAB等控制系统软件提供相应的控制算法以及电机模型。运动学仿真软件接受到控制系统软件发送的控制命令后，就会利用虚拟位置传感器把各种物理量向控制系统进行实进反馈，从而形成完整的控制系统和机械系统的联合仿真。
3.总结
虚拟样机技术是通过计算机技术建立起所设计的机横的模型，再借助相关的仿真软件对虚拟样机模型做仿真实验分析。先将特定的约束以及驱动施加到虚拟样机模型中，从而使得该模拟系统可以处于一个模拟的真实工作环境中，从而进行运动学以及动力学特性的分析，研究其在实际情况中会出现的情况，并做出虚拟响应，再根据响应结果进行优化设计，得出各项设计参数。■
【参考文献】
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［２］王忠平,张光伟,陈桂娟.虚拟样机技术在机械产品设计中的应用［J］.内蒙古石油化工,2008(5)
［３］熊光楞,郭斌,陈晓波等.协同仿真与虚拟样机技术［M］.北京:清华大学出版社.2008.
虚拟样机技术是上世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。设计人员在计算机上建立能够反映产品特性的样机模型，用样机模型代替物理样机在各种工况下进行仿真试验和分析，测试和评估产品的整体性能，进而不断改进和优化样机模型的设计，直至获得最优设计方案后，再制造物理样机[1]。虚拟样机技术改变了传统的产品研发和设计思想，极大地降低了产品研发和设计的技术风险和开发成本，缩短了研发周期，提高了产品性能，加速了新技术向产品转化的开发、研制与使用过程。进入21世纪以来，虚拟样机技术及其应用在发达国家已经获得重大进展，被广泛地应用于各个不同领域。世界众多著名的制造公司在生产开发过程中都广泛采用虚拟样机技术，设计、装机、测试都在计算机中模拟完成，保证了产品一次试制成功[2]。虚拟样机技术的应用，使企业能够以最低的成本快速推出产品，迅速抢占国际市场，提高了企业的市场竞争力，为企业带来巨大的经济效益和社会效益。
本文依托“维普中文科技期刊数据库”这一平台，通过对2003～2012年10年期间与虚拟样机技术相关的期刊论文的检索，采用论文计量学方法，对虚拟样机技术的应用研究论文进行统计分析，概括和总结我国虚拟样机技术的应用研究状况，以期为虚拟样机技术今后在我国更广泛地推广应用提供参考。
1 数据来源及分析方法
本文以维普中文科技期刊数据库收录的期刊论文为统计分析源，以2003～2012年为时间条件，以“全部期刊”为期刊范围，以“虚拟样机”为题名或关键词进行全部专业论文的检索，经过整理汇总，删除重复论文后共计2508篇。通过EXCEL将整理后的论文数据套录成数据库，采用论文计量学方法对论文的发表年份、涉及领域、研究机构以及第一作者等四个方面进行统计分析，概括和总结近10年来我国虚拟样机技术的应用研究状况[3]。
2 统计分析结果
2.1 虚拟样机技术应用研究论文年份统计分析
从图1和表1可以看出我国虚拟样机技术应用研究论文数量的增长态势。2003年至2009年期间，论文数量逐年增加，2004年和2005年，论文数量增加的幅度最大，之后增加幅度在逐年减小，2009年论文数量达到顶峰。这表明，2003年至2009年，我国虚拟样机技术应用研究发展得比较快，并取得了大量的研究成果。但是，从2010年开始，论文数量较大幅度减少，特别是2012年，论文数量减少到152篇。产生这种现象的原因有可能是近三年对虚拟样机技术相关的应用研究力度减小，也有可能是相关研究论文的产出以及中国学术期刊库的收录有一定时滞性[4]。
2.2 虚拟样机技术应用研究涉及领域统计分析
笔者对研究主题涉及到我国航空航天、国防军工、汽车与发动机、工程机械、矿产机械、农业机械、机器人与机械手、教育等领域的论文数量进行统计，结果显示，我国虚拟样机技术应用研究涉及各个领域，部分论文同时涉及多个领域，论文涉及领域分布情况见图2。论文产出居前三位的领域是汽车、工程机械、机器人，这表明，随着汽车、工程机械、机器人领域近十年来的迅猛发展，虚拟样机技术应用研究在这些领域中也取得了不斐的成果。
2.3 虚拟样机技术应用研究机构统计分析
在2508篇论文中，没有署名作者单位的共有23篇。笔者将论文作者的工作单位分为本科院校、科研院所、企业和大专院校四类研究机构，统计结果见表2。发文数量最多的机构是本科院校，为2145篇，科研院所、企业和大专院校发文数量分别为419篇、368篇、117篇，其中科研院所、企业、大专院校与本科院校作者合著的论文数量分别为280篇、244篇、46篇，本科院校的发文数量远远高于其他机构。这充分显示，本科院校是虚拟样机技术应用研究的主要机构。
2.4 虚拟样机技术应用研究论文作者统计分析
根据论文第一作者发文数量的统计结果可知，无作者数据的论文10篇，大部分作者发表论文1至2篇，发文数量排列前10位的作者见表3，其中，七位是本科院校的教授或讲师，二位是博士研究生，只有一位是科研院所的高级工程师，由此可见，本科院校的教授和教师是虚拟样机技术应用研究的中坚力量。
3 结论与建议
从“中国学术期刊网络出版总库”检索及分析结果可以看出，2003～2012年10年期间，我国虚拟样机技术应用研究发展迅速，至2009年达到顶峰，近年又逐渐回落；应用研究涉及领域极为广泛，研究成果比较多的是汽车、工程机械、机器人领域；应用研究的主要机构是本科院校，应用研究的主要群体是本科院校的学者和教师。本文的检索分析结果不一定能够全面反映我国虚拟样机技术应用研究状况，但从一个侧面反映了我国虚拟样机技术的应用研究机构和群体比较单一。
虚拟样机技术问世之后，得到许多发达国家制造商的高度重视，立即将这一先进制造技术引入企业的产品开发中，取得了很好的经济效益。我国是一个制造大国，虚拟样机技术的应用研究，不应仅在本科院校，不应仅有本科院校的学者和教师，更应广泛推广到企业和科研院所，让广大企业和科研院所的技术人员参与研究和应用。
面对日益激烈的市场竞争，我国企业应积极主动充分利用虚拟样机技术，减小产品的技术风险，缩短产品的研发周期，降低产品研发的成本，提高产品的性能，从而增强企业的产品开发能力，提高我国企业在世界制造业中的地位和市场竞争力。此外，虚拟样机技术的研究专家也应加强向企业推广虚拟样机技术，推动这一先进制造技术在我国企业和科研院所的普及和应用。
摘要：本文通过对2003～2012年期间维普中文科技期刊数据库收录的有关虚拟样机技术应用研究论文的发表年份、涉及领域、研究机构以及第一作者等四个方面进行统计分析, 概括和总结我国近10年来虚拟样机技术的应用研究状况。从中发现, 虚拟样机技术的应用研究机构集中在本科院校, 建议企业积极主动应用虚拟样机技术来提高自身的市场竞争力。
关键词：虚拟样机技术,论文统计,计量分析
参考文献
[1]郭卫东.虚拟样机技术与ADAMS应用实例教程[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2003.
[2]熊光楞, 李伯虎, 柴旭东.虚拟样机技术[J].系统仿真学报, 2001, (1) :114-117.
[3]方良, 李纯厚, 贾晓平.马尾藻研究的论文计量分析[J].农业图书情报学刊, 2009, (7) :93-96.
如果将机械产品的开发视作一个整体的话，那么会对产品成本其主导性作用的因素即为——设计因素。据实践经验数据及统计数据显示：研发设计阶段工作对于机械产品设计成本的影响比重占到了85%左右。特别是对于石油机械产品而言，此类产品的特殊性在于：（1）生产批量小；（2）资金需求密集；（3）技术要求高。因此，提高设计阶段的工作质量，对于降低石油机械产品制造成本，提高石油机械产品综合竞争实力，是至关重要的。
虚拟样机技术的基本内涵分析
同传统意义上的设计技术相比，虚拟样机技术重点强调的是“系统性”的设计观念，覆盖产品全生命周期，能够在产品实际加工之前，对加工产品的行为、性能以及成本进行合理预测，从而辅助产品全寿命周期设计与评估工作的开展。常规意义上来说，虚拟样机技术当中应当涵盖以下几个方面的内容：（1）虚拟样机技术需要以计算机技术为操作平台，以计算机仿真模型为依据，对产品实施全生命周期性、且数字型的设计；（2）虚拟样机技术以计算机辅助技术、计算机辅助制造技术、计算机辅助工程、面向装配的设计技术、面向制造的设计为依据，在上述技术基础之上做出发展与延伸；（3）虚拟样机技术能够分别从产品行为、产品功能、产品外观以及产品成本投入等多个方面入手，实现对产品运行工况的模拟，确保所预测产品性能的真实性与全面性；（4）虚拟样机技术能够通过对模型进行的优化设计，达到提高相应产品综合性能的目的。
基于虚拟样机技术的石油机械体系结构分析
正如上文所述，虚拟样机技术是建立在多种计算机技术及面向设计技术的基础之上所发展起来的，将虚拟样机技术作用于诸如石油机械一类的复杂性系统当中，能够实现设计的全生命周期性，对于系统优化而言有着重要意义。在当前技术条件支持下，一个复杂性的石油机械产品往往涵盖了包括电子、控制、机械以及软件在内的多个系统。具体来说，基于虚拟样机技术的整个石油机械体系结构示意图如下图所示（见图1）。
由图1不难发现：建立在虚拟样机技术基础之上的石油机械体系结构主要由以下几个子系统所构成：（1）电子子系统；（2）机械子系统；（3）软件子系统；（4）控制子系统。上述各类子系统以石油机械产品模型库为平台，通过操作虚拟样机技术的方式，达到产品设计与开发的目的。
石油机械应用虚拟样机技术的意义分析
◎能够为石油机械产品的开发提供全新的研发模式
在石油机械应用虚拟样机技术的作用之下，可将石油机械数字化产品模型的构造完全建立在计算机操作平台上实现。在此过程当中，借助对各类虚拟现实技术以及可视化技术的合理应用，能够更加直观地比较石油机械产品的设计方案。更加关键的是：虚拟样机技术支持评估对石油机械产品设计质量影响敏感的参数指标，将产品设计方案下的石油机械产品建立在真实性的运行工况中，评价其使用性能，从而更好的优化并完善相应的设计方案。
◎能够在提高石油机械产品质量的同时，缩短产品开发周期
从石油机械产品设计开发的角度上来说，借助于对虚拟样机技术的合理应用，可提高石油机械产品质量，缩短产品开发周期。具体可归纳为以下几个方面：（1）在石油机械产品概念设计阶段，通过对系统工程方法的应用，能够将工作人员所提出的多个石油机械产品设计方案进行综合性的模拟与预测分析；（2）在图样设计阶段，虚拟样机技术能够体现出“自上而下”的设计思想，约束层结构与几何关联结构之间的层次性对应关系，从而确定产品设计阶段应采取的主要步骤；（3）在石油机械产品装配设计阶段当中，借助于对虚拟样机技术下虚拟装配技术的合理应用，不但能够提高与复杂性产品设计之间的适应性，同时还能够在装配环节中实现对石油机械产品几何结构合理性的检测，在控制机械产品设计成本的同时，达到减少物理样机数量的重要目的。
结束语
通过以上分析需要认识到：虚拟样机技术作为一种融合多种计算机及数字化技术的综合系统，能够在产品实际加工之前，对加工产品的行为、性能以及成本进行合理预测，从而辅助产品全寿命周期设计与评估工作的开展。石油机械领域应用此项及时可起到控制成本，提高效率的目的。总而言之，本文针对有关虚拟样机技术在应用于石油机械领域过程中所涉及到的相关问题做出了简要分析与说明，希望能够为后续相关研究与实践工作的开展提供一定的参考与借鉴。
高校《机械设计基础》课程是机械类专业一门重要的技术基础课程。本课程是培养学生机械综合设计能力、创新能力和工程意识的重要环节, 是启迪学生的创新思维、开拓学生创新潜能的重要课程, 将为以后的专业课程设计和毕业设计奠定基础, 在教学计划中具有承上启下的重要作用。
1. 课程教学现状
《机械设计基础》是机械原理和机械零件的综合, 主要讨论机械设计的常用方法和一般过程。传统教学方法, 授课内容多, 而实际教学课时安排不足;讲述原理多, 难理解, 结合实际偏少;纵向论述多, 横向比较少;讲述常规原理多, 介绍行业最新技术成果少;课堂讲授多, 课堂课外讨论少。教学手段也不尽如人意, 课堂教学仍沿袭粉笔板书、挂图和简单的教具, 很难取得好的教学效果。
随着现代教学方式的发展, 计算机技术越来越多地应用于教学过程中, 打破了开始的PPT多媒体教学, 人们利用新技术进行教育教学已经成为评价体系中的一个重要环节。虚拟样机技术是一项新的计算机辅助工程 (CAE) 技术, 同时包括三维CAD建模技术、有限元分析技术、机电液控制技术、最优化技术等相关技术。国内已经有多家学校在利用虚拟样机技术融入教学过程中, 并取得了一定的效果。
2. 虚拟样机技术及ADAMS软件简介
机械工程中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术, 是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程 (CAE) 技术, 可以在计算机上建立三维CAD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试验, 而且可以将样机的运动过程以AVI视频格式输出。
虚拟样机技术的典型应用软件是ADAMS软件。利用ADAMS软件可以快捷地在计算机上建立三维虚拟模型, 进行运动学和动力学的仿真, 并以AVI格式动画输出。
3. 应用实例
ADAMS可以像建立物理样机一样建立任何机械系统的虚拟样机。首先建立运动部件 (或者从CAD软件中导入) 、用约束将它们连接、通过装配成为系统、利用外力或运动将他们驱动。用户在仿真过程进行中或者当仿真完成后, 都可以观察主要的数据变化, 以及模型的运动。这些就像做实际的物理试验一样。
例如讲到“四杆机构判别类型”时 (如图1) , 我们可以用ADAMS软件快速地建立仿真模型, 通过修改杆长参数即可得到各种四杆机构并输出AVI格式动画, 既直观又易懂。
讲“凸轮结构”时, 我们可以在ADAMS上建立凸轮机构模型如图2, 通过仿真可以得到凸轮机构的运动过程, 尖顶从动件的时间位移曲线即可得出如图3。
将ADAMS用在机械课程教学中可以直观地将机械系统的运动过程及特性展现给学生, 有利于学生对知识的接受, 提高教学质量。
结语
目前, 虚拟样机技术多用于企业的产品设计开发, 从笔者调研结果来看, 国内已经有多家学校在利用虚拟样机技术融入教学过程中, 并取得了一定的效果, 但是虚拟样机技术的功能强大, 还有很大的教学应用潜力有待开发。
现代虚拟样机技术在教学中的应用正逐步走向成熟, 微机平台技术也已开始在实践中发挥作用, 并且以其对硬件要求不高, 操作简便, 容易上手, 价格较低等优点, 被学校所接受, 希望这种技术能够为学校带来效益, 提高学校的教学质量。
在教学实践中, 恰到好处地利用虚拟样机技术能够使学生在交互状态下进行学习, 充分调动学生学习的积极性、主动性, 优化课堂教学过程, 提高学习效率, 同时也激发了学生了解和使用软件的积极性, 为今后的课程设计, 以及毕业设计做了前期的准备。
摘要：虚拟样机技术典型软件ADAMS引入《机械设计基础》课程教学。本文首先介绍了《机械设计基础》课程的特点, 接着介绍了ADAMS软件的特点及功能, 最后举例了ADAMS软件在教学中的应用。教学实践证明这种教学方法能够激发学生的学习兴趣、加深学生对课程的理解, 从而提高教学质量。
关键词：虚拟样机技术,《机械设计基础》,应用
参考文献
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传统的物理样机设计由于要考虑研制成本、周期等因素, 只能进行有限范围、有限次数的试验, 而虚拟样机技术则可实现对虚拟样机无数次的仿真测试, 便于及时发现产品在设计、制造和使用中的各种缺陷并采取有效措施并修正之。
1 虚拟样机技术简介
1.1 虚拟样机技术的定义
虚拟样机技术是一门综合多学科的技术, 源于对多体系统动力学的研究。虚拟样机技术就不同的领域, 有着不同的定义。机械工程中的虚拟样机技术称为机械系统动态仿真技术, 是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。多体系统动力学是虚拟样机技术的核心理论。
1.2 虚拟样机技术的优点
虚拟样机技术优点: (1) 全新的研发模式; (2) 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量; (3) 实现动态联盟的重要手段等。它是许多技术的综合。目前, 最先进的虚拟样机技术及其分析软件包含以下技术:几何形体的计算机辅助设计 (C A D) 软件和技术;动态仿真;有限元分析 (F E A) 软件和技术;模拟各种各样作用力的软件编程技术;利用试验装置的实验结果进行某些构件的建模;控制系统设计与分析软件和技术和优化分析软件和技术等。
1.3 虚拟样机技术的研究范围
虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析, 其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析, 以确定系统及其各构件在任意时间的位置、速度和加速度, 同时, 通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力和其反作用力。
1.4 虚拟样机技术的发展现状
目前, 虚拟样机技术已在我国得到了应用与推广, 主要在汽车、航天航空、武器制造、机械工程等。
1.4.1 虚拟样机技术在国内的应用。
中航第一飞机研究院成功推出了国内首架飞机全机规模电子样机;在863项目“月球表面探测机器人方案研究”中运用虚拟样机技术构造虚拟月球面计算仿真环境, 并对涉及的多项关键技术进行了深入研究, 取得了很好的成果。但从我国目前的情况来看, 虚拟样机技术只停留在初步应用阶段, 有很大的提升空间。
1.4.2 虚拟样机技术在国外的应用。
虚拟样机技术最早在一些发达国家, 如美国、德国、日本等。在各领域, 针对各种产品, 虚拟样机技术都为用户节约开支、时间并提供满意的设计方案。
约翰·迪尔 (John Deere) 利用虚拟样机技术解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题;福特汽车公司在某一款新车的开发中也采用了虚拟样机技术, 缩短设计周期70天;美国海军的NAVAIR/APL项目, 利用虚拟样机技术, 实现多领域多学科的设计并行和协同, 形成了协同虚拟样机技术;当然最为熟悉的是, 美国波音飞机公司的波音777飞机是世界上首家以无图纸方式研发并制造的飞机。
综上, 从产品优化设计到工程咨询, 虚拟样机技术的应用无处不在。
2 虚拟样机技术在农业机械领域的应用
2.1 虚拟样机技术在农业机械领域的应用现状
目前, 虚拟样机技术在我国正被引起重视, 但在农业机械设计开发上的应用还不是很普遍。今后, 应该进一步加强虚拟样机在农业机械设计开发中的推广应用, 增强我国农业机械产品的开发能力。
2.2 农业机械虚拟研究的必要性
由于我国多样性的地形和作物以及农业机械对季节性的高要求, 决定了农业机械设计研发过程周期长, 成本高, 加上有些理论的分析和综合计算过程复杂, 计算量相当大, 农业机械的研制存在较大的困难。而传统的农业机械设计对于相对复杂的机构分析和综合问题, 往往借助于作图法和经验的拼凑。由于这些原因, 传统的理论分析, 很多只是定性地说明问题, 缺乏精确的计算和验证。同时, 传统的农业机械设计中很多设计参数靠设计人员的经验决定, 并且常常只是对产品进行静态分析而不注重动态特征分析, 这些都严重制约了产品质量的提高。
2.3 农业机械关键部件虚拟研究的意义
对农业机械进行虚拟研究可克服传统物理样机设计中的不足之处, 可降低成本, 提高效益, 实现信息资源共享等。同时, 利用虚拟样机技术对农业机械关键部件的虚拟研究具有如下意义: (1) 对农业机械关键部件的工作性能好坏严重影响到整机的工作性能。利用虚拟样机对其关键部件的参数进行动态仿真分析, 并进行有效结构优化是必要的; (2) 利用虚拟样机技术, 对农业机械的关键部件进行动力学仿真研究, 可以在较短的时间内, 以较小的成本分析确定影响整机工作性能的主要因素。
3 结束语
根据农艺要求, 利用虚拟样机创新性地设计制作农业机械, 并尝试利用相关C A D技术对关键机构进行参数优化、二维草图设计、三维建模、虚拟样机仿真和有限元强度分析。通过虚拟样机的制作及相关CAD技术的使用, 对农业机械进行不断改进, 最后设计出结构简单、工作性能可靠、成本可行的农业机械, 这为物理样机的制造及其使用提供了理论依据和科学指导。
参考文献
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过山车以其速度快、运动形式多变、刺激性强,深受当代人们的喜爱,有着当代“游艺机之王”的称号。
过山车属于高速运行机械系统设备,其中立轴是连接车架和桥壳的关键件,其安全性关乎整个过山车的运行安全。然而立轴的受力是一个非常复杂的动态过程,受到过山车运行状态、车辆自重和游客负重、轨道空间结构形式、运行速度和瞬时加速度等多方面的因素影响。受力具有瞬时多变性,传统的静力学方法很难获得理想的动态应力分析结果,无法满足过山车设计要求[1]。刘忠胜等[2]应用三维虚拟建模技术建立过山车的轨道模型,在ADAMS中得出不同工况下各部件运行时的速度、加速度及载荷变化曲线,提前发现设计中的缺陷,为进一步的强度校核、评估过山车的设计方案、安全性分析提供可靠依据。王红军等[3]利用传统的静力学分析方法,对过山车车架和桥壳进行有限元分析,根据能量守恒定律和受力分析得出其速度和力载荷大小,利用有限元理论,对过山车的车架和桥壳关键件进行了分析。
本研究结合文献[2]和文献[3]中的方法,针对过山车运行过程中立轴受力具有瞬时多变性,传统静力学分析方法很难获得理想的动态应力分析结果,无法满足国家特种设备研究院对特种设备设计要求[4,5]的问题,基于虚拟样机技术的研究与应用,为解决该问题提供有效途径[6,7]。
1 运动学和动力学仿真
本研究以某研究院开发设计的过山车作为物理样机模型,基于虚拟样机技术对过山车关键件立轴进行分析。首先在Solidworks中完成过山车各构件的三维建模,并将其导入ADAMS中,为仿真分析做好准备。
过山车三维装配模型(为表示清楚结构,部分构件已省去)及立轴结构示意图如图1所示。
根据设计要求,轨道全长567 m,最高高度为30 m,轨道间距为960 mm,运行最大速度为80 km/h。在ADAMS全局坐标系下,根据上述要求建立两条定位过山车轨道的空间曲线如图2所示。
其中轨道主要由站台、提升段、过渡段、漂环、立环和螺旋环等组成。本研究对各个构件之间添加对应的约束关系。
各构件之间的约束关系如表1所示。
施加相应的载荷如:重力、车轮和轨道之间的摩擦力、运载小车牵引力和外界风载等[8,9]。同时为保证仿真数据采集的准确性,我国最新颁布的游乐设施安全GB8408-2008《游乐设施安全规范》中对采样频率也作了相应的规定:测量得到的过山车人体加速度变化曲线,必须先经10 Hz低通高频滤波器低通滤波处理后方能使用所得到数据。根据采样定理,采样频率必须大于20 Hz,等价于仿真步长必须小于0.05[10]。根据实际计算机以及仿真时间的综合考虑,仿真步长设置为0.01。
根据ADAMS运动学和动力学仿真,可以得出过山车运行过程中的位移、速度、加速度、制动力、摩擦力、连接件之间的受力与时间的曲线关系。本研究选取中间车立轴上的参考系为测量点,测量立轴所受力。根据仿真结果,笔者提取中间车立轴处X、Y、Z方向所受的力。
过山车运行过程中立轴所受X、Y、Z方向的力如图3所示。
过山车从运行开始到30.13 s的时候,立轴所受的力基本保持不变,这是由于过山车在链条提升段,在牵引力的作用下运载小车匀速上升,当运载小车到达最高点的时候,随着牵引钩与运载小车脱钩后,运载小车开始在重力势能的作用下,轨道的半径和高度差的变化以及轨道横向倾角的变化等,立轴开始承受复杂的应力作用。在30.13 s~46.39 s这段时间内,轨道的半径和高度差的变化以及轨道横向倾角的变化很小,所以立轴受力波动很小,随着运载小车的前进,慢慢开始发生很大波动。特别是在运载小车在立环最低点的时候,立轴在该过程中受力最大。
如图3(a)曲线所示,在54.43 s时候,过山车正通过第一个螺旋环位置,除去个别尖点,此时立轴在X方向上受力最大为6 671.01 N。
如图3(b)曲线所示,在49.99 s时,过山车正通过立环位置,除去个别尖点,此时立轴在Y方向上受力最大为5 527.83 N。
如图3(c)曲线所示,在46.92 s的时候,过山车正从漂环段向下俯冲进入立环的位置,除去个别尖点,此时立轴在Z方向上受力最大为26 949.22 N。
本研究根据以上仿真得出的数据,对过山车中间车的立轴进行强度校核和疲劳强度分析。
2 过山车立轴的有限元分析
根据设计图纸资料,本研究将上述立轴的三维模型导入ANSYS Workbench中。再对其进行定义分析类型、网格划分、施加约束和载荷、求解、分析结果。过山车立轴网格划分及立轴约束加载位置如图4所示。
根据上述立轴结构示意图,以及立轴在过山车整体结构位置,立轴主要受车架施加的Y方向的力和桥壳作用的X和Z方向的力,其载荷大小根据上述AD-AMS动力学的仿真结果如表2所示。
本研究利用ANSYS Workbench对过山车立轴进行有限元分析,立轴的最大变形在0.022 0 mm~0.024 7 mm之间,最大的变形主要出现在立轴和桥壳连接端的上端面,立轴的变形云图如图5(a)所示。立轴的等效应力云图如图5(b)所示,可见在立轴的轴肩部位有应力集中现象。通过Von Mises等效应力分析,其最大应力值为58.51 MPa。
3 分析结果与讨论
已知过山车立轴的材料为42Cr Mo,这种材料的机械特性如表3所示[11]。
据GB8408-2008《游乐设施安全规范》,在过山车立轴设计时,选取许用安全系数[n]=5,冲击系数K=2。根据设计要求,过山车立轴的安全系数n应大于许用安全系数[n]。
经计算可知:
根据式(1)的计算结果,过山车立轴的应力在允许范围内,满足其强度设计要求。另外,根据GB8408-2008《游乐设施安全规范》,应计算过山车立轴的疲劳安全系数。
而过山车立轴是承受弯矩的轴类零件,其危险截面疲劳强度安全系数校核公式为[12]:
式中:Kσ—有效应力集中系数;β—表面质量系数;εσ—尺寸影响系数;φσ—材料拉伸时平均应力折算系数;σ-1—材料疲劳极限应力值,MPa,σ-1=0.27(σs+σb)=542.7;σα—工作应力幅,MPa;σm—平均应力幅,MPa,σm=σα=Kσmax/2=58.51。
查阅手册可得到各系数值分别为:
将数据代入公式(2)计算得:
根据GB8408-2008《游乐设施安全规范》,对应材料较均匀、载荷及应力计算较精确的脉动循环,材料疲劳强度安全系数Sp≥1.73,取Sp=2。
可见:Sσ>Sp,故过山车立轴的疲劳强度也满足设计要求。
4 结束语
基于虚拟样机技术,本研究对过山车进行了三维建模以及运动学和动力学仿真分析,在此基础上,完成了过山车立轴的有限元应力分析以及强度和疲劳强度校核。得到以下结论:
(1)根据动力学仿真结果得出过山车立轴在整个运行过程中的受力随时间变化曲线,得出立轴在Y方向承受车架施加的最大力为5 527.83 N,桥壳施加的X、Z方向的最大力分别为6 671.01 N和26 949.22 N;
(2)根据动力学仿真与有限元分析结果,得出过山车立轴所受的最大应力为58.51 MPa,其强度安全系数为7.95,疲劳强度安全系数为5.8,均满足GB8408-2008《游乐设施安全规范》,进而验证了该立轴的结构设计满足其安全性评估要求。本研究所述立轴的安全性评估方法对研发新型过山车和维护现有过山车具有很好的借鉴意义。
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