机电产品虚拟设计与仿真

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1、 机电产品的虚拟设计与仿真 姚进 教授 本次课的内容本次课的内容1 虚拟现实技术概述虚拟现实技术概述2 虚拟样机技术虚拟样机技术3 课程教学与考试课程教学与考试1.1虚拟现实技术概述虚拟现实技术概述1.2虚拟现实体系结构虚拟现实体系结构1.3虚拟现实的发展历程虚拟现实的发展历程1.4虚拟现实技术的应用虚拟现实技术的应用1.5虚拟现实技术未来发展展望虚拟现实技术未来发展展望1 虚拟技术（(Virtual Reality)）定义和特征定义和特征 虚拟设计的结构体系及支撑技术虚拟设计的结构体系及支撑技术 虚拟现实的发展历程虚拟现实的发展历程 虚拟现实的国内外研究现状虚拟现实的国内外研究现状 虚拟现实

2、的主要应用领域虚拟现实的主要应用领域1.1 虚拟现实技术概述虚拟现实技术概述定义和特征定义和特征 概念概念 “虚拟现实”（virtual reality，简称vr）是用计算机技术来生成一个逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等感觉世界，让用户可以从自己的视点出发，利用自然的技能和某些设备对这一生成的虚拟世界客体进行浏览和交互考察。桌面虚拟现实沉浸的虚拟现实增强现实性的虚拟现实分布式虚拟现实虚拟现实类别：虚拟现实类别：桌面虚拟现实利用个人计算机和低级工作站进行仿真，将计算机的屏幕作为用户观察虚拟境界的一个窗口。桌面虚拟现实 高级虚拟现实系统提供完全沉浸的体验，使用户有一种置身于虚拟境界之中的感觉。沉

3、浸的虚拟现实 增强现实性的虚拟现实不仅是利用虚拟现实技术来模拟现实世界、仿真现实世界，而且要利用它来增强参与者对真实环境的感受，也就是增强现实中无法感知或不方便的感受。增强现实性的虚拟现实 如果多个用户通过计算机网络连接在一起，同时参加一个虚拟空间，共同体验虚拟经历，那虚拟现实则提升到了一个更高的境界，这就是分布式虚拟现实系统。1分布式虚拟现实1.2 虚拟设计技术结构体系虚拟设计技术结构体系 虚拟设计系统结构虚拟设计系统结构虚拟设计技术结构体系虚拟设计技术结构体系虚拟设计软件技术虚拟设计软件技术 虚拟环境中采用的软件有四类：1)语言类：如C+、VBML等；2)建模软件类：如AuoCAD、Sol

4、idWorks、ProE、CATIA等。3)应用软件类：指用户自己的各种需求，选择或者开发的自用软件。4)通用的商用工具软件包：如：WTK，VRML等。虚拟设计技术结构体系虚拟设计技术结构体系虚拟现实硬件基础虚拟现实硬件基础（1）概论 虚拟现实常用的主要硬件设备包括：高性能计算机；广角（宽视野）的立体显示设备；观察者（头、眼）的跟踪设备；人体姿势的跟踪设备；立体声；触觉、力学反馈；语音输入输出等硬件设备。（2）3D位置跟踪器 在3D空间中移动对象共有三个平移参数和三个旋转参数。这些参数可组成一个6维的数据集。在早期，人们主要采用机械方式测量上述参数；当今，非接触3D跟踪技术已经取代了机械测量。

5、3D非接触跟踪技术包括磁场、超声波、雷达和摄象机等。（3）传感手套 数据手套可以帮助计算机测试人手的位置与指向，从而可以实时的生成手与物体接近和远离的图像。但迄今为止，商品化的数据手套都不提供触觉反馈作用。常见的数据手套常见的数据手套虚拟设计技术结构体系虚拟设计技术结构体系（4）三维鼠标 普通的鼠标只能感受在平面的运动，而立体鼠标能够感受用户在六个自由度的运动。虚拟设计技术结构体系虚拟设计技术结构体系（5）数据衣 数据衣采用与数据手套相同的光纤弯曲传感技术，将大量的光纤安装在一个紧身衣服上，它能测量肢体的位置，然后用计算机重建出图像。目前，数据衣还不是真正的商品，还在进一步研究之中。虚拟设计技

6、术结构体系虚拟设计技术结构体系（6）触觉和力反馈的装置 为了产生虚拟的触摸感觉，研究人员开发了触觉和力反馈装置。虽然它们的样式和大小各不相同，但它们大致上做相同的事情：推我们的手臂，并把机械或动力信号记录下来。力反馈的装置相对于触觉要容易，国际上已有一些机械的力反馈装置。（7）立体显示设备 头盔式显示器HMD；特殊的头部显示器BOOM（双目全方位监视器）；立体眼镜（用户戴在眼睛上能从显示器上看到立体的图像）；立体投影显示；3D显示器。头盔式显示器HMD虚拟设计技术结构体系虚拟设计技术结构体系（8）3D声音生成器 “3D声音”不是立体声的概念，它是指由计算机生成的、能由人工设定声源在空间中三维位

7、置的一种声音。3D声音生成器是利用人类定位声音的特点生成出3D声音的一套软硬件系统。人类进行声音的定位依据两个要素：两耳时间差和两耳强度差 其他硬件 双筒全方位显示器双筒全方位显示器(Binocular Omni-Orientation MonitorBOOM）立体投影显示立体投影显示 立体眼镜立体眼镜 等等等等1.3 1.3 虚拟现实的发展历程与现状虚拟现实的发展历程与现状 发展历程发展历程 19651965年年SutherlandSutherland提出提出19661966年年开始开始HDMHDM的研究的研究19681968年年研制出第一台研制出第一台HMDHMD19751975年年Myr

8、on KruegerMyron Krueger提出提出ARAR的思想的思想19851985年年研制出数据手套研制出数据手套19861986年年VIEWVIEW系统研制成功系统研制成功19901990年年SiggraphSiggraph会议确定会议确定VRVR技术的发展方向技术的发展方向2020世纪世纪9090年代以来年代以来VRVR应用到众多领域应用到众多领域 国外虚拟现实技术的研究现状国外虚拟现实技术的研究现状美国宇航局美国宇航局(NASA)(NASA)美国宇航局美国宇航局(NASA)(NASA)的的AmesAmes实验室完善了实验室完善了HMDHMD，并，并将将VPLVPL的数据手套工程化

9、，使其成为可用性较高的数据手套工程化，使其成为可用性较高的产品。的产品。NASANASA完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远完成的一项著名的工作是对哈勃太空望远镜的仿真。镜的仿真。现在现在NASANASA已经建立了航空、卫星维护已经建立了航空、卫星维护VRVR训练系统、训练系统、空间站空间站VRVR训练系统，并且已经建立了可供全国使训练系统，并且已经建立了可供全国使用的用的VRVR教育系统。教育系统。ASAASA的的AmesAmes现在正在致力于一个叫现在正在致力于一个叫“虚拟行星探虚拟行星探索索(VPE)”(VPE)”的实验计划，这一项目能使的实验计划，这一项目能使“虚拟探虚拟探索者索者(V

10、irtual Explorer)”(Virtual Explorer)”利用虚拟环境来考察利用虚拟环境来考察遥远的行星，他们的第一个目标是火星。遥远的行星，他们的第一个目标是火星。虚拟现实的国内外研究现状虚拟现实的国内外研究现状北卡罗来纳大学北卡罗来纳大学(UNC)(UNC)的计算机系是进行的计算机系是进行VRVR研究最早研究最早最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、最著名的大学。他们主要研究分子建模、航空驾驶、外科手术仿真、建筑仿真等。在显示技术上外科手术仿真、建筑仿真等。在显示技术上 UNCUNC开开发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动态显示发了一个帮助用户在复杂视景中建立实时动

11、态显示的并行处理系统叫做像素飞机的并行处理系统叫做像素飞机(Pixel Planes)(Pixel Planes)。麻省理工学院麻省理工学院(MIT)(MIT)是一个一直走在最新技术前沿的是一个一直走在最新技术前沿的科学研究机构。科学研究机构。19851985年年M1TM1T成立了媒体实验室，进行成立了媒体实验室，进行虚拟环境的正规研究。此外，虚拟环境的正规研究。此外，M1TM1T还在进行还在进行“路径规路径规划划”与与“运动计划运动计划”等研究。等研究。SRISRI研究中心建立了研究中心建立了“视觉感知计划视觉感知计划”，研究现有，研究现有VRVR技术的进一步发展。技术的进一步发展。1991

12、1991年后，年后，SRISRI进行了利用进行了利用VRVR技技术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿术对军用飞机或车辆驾驶的训练研究，试图通过仿真来减少飞行事故。此外，真来减少飞行事故。此外，SRISRI还利用遥控技术进行还利用遥控技术进行外科手术仿真的研究。外科手术仿真的研究。虚拟现实的国内外研究现状虚拟现实的国内外研究现状华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术华盛顿大学华盛顿技术中心的人机界面技术实验室实验室(HIT Lab)(HIT Lab)在新概念的研究中起着领在新概念的研究中起着领先作用，同时也在进行感知、知觉、认知和先作用，同时也在进行感知、知觉、认知和运动控制能力的研究。

13、运动控制能力的研究。HITHIT将将VRVR研究引人了研究引人了教育、设计、娱乐和制造领域。例如，波音教育、设计、娱乐和制造领域。例如，波音公司的公司的V22V22运输机就是先在实验室中造出虚运输机就是先在实验室中造出虚拟机后再投人生产的。拟机后再投人生产的。欧共体欧共体(CEC)(CEC)认为认为VRVR是一门新兴技术，已经是一门新兴技术，已经组织了几次评价组织了几次评价VRVR的专题活动。的专题活动。虚拟现实的国内外研究现状虚拟现实的国内外研究现状虚拟现实的国内外研究现状虚拟现实的国内外研究现状 Windustries位于Leicester，是国际VR界的著名开发机构，正在开发一系列 VR

14、产品，主要是娱乐业方面的。正在计划推出新型轻量显示头盔和功能强大的图形引擎(Graphics Engine)。British Aerospace(BAE)的许多部门参与了VR，其中最有成效是在Roy Kalawsky教授领导下，利用VR技术设计高级战斗机座舱，BAE开发的大项目VECTA(Virtual Environment Configurable Training Aid)是一个高级测试平台，用于研究VR技术以及考察用VR代替传统模拟器方法的潜力。VECTA的子项目RAVE(Real And Virtual Environment)就是专门为在座舱内训练飞行员而研制的，已在1992年的F

15、amborough航空展示会上进行了首次演示。虚拟现实的国内外研究现状虚拟现实的国内外研究现状 Dimension International是桌面是桌面VR的先驱，尽管桌面的先驱，尽管桌面VR是非沉浸式的，但是与那些可视效果和动态质量差是非沉浸式的，但是与那些可视效果和动态质量差的沉浸式的沉浸式(Immersive)系统相比，许多学术界和工业界系统相比，许多学术界和工业界的用户更喜欢该公司基于的用户更喜欢该公司基于PC486系统提供的优质图像系统提供的优质图像和实时交互特性，该公司已生产了一系列商用和实时交互特性，该公司已生产了一系列商用VR软件软件包，都命名为包，都命名为Superseap

16、e。Dimension还与电视公司还与电视公司合作开发合作开发Cyberzone(宣称是世界上第一个宣称是世界上第一个VR电视游戏电视游戏节目节目)。英国的高级机器人研究有限公司英国的高级机器人研究有限公司(ARRL)关于远程呈现关于远程呈现的实验研究主要包括的实验研究主要包括VR技术重构问题。技术重构问题。ARRL与与Overview公司合作开发了一系列头控立体摄像系统，公司合作开发了一系列头控立体摄像系统，同时同时ARRL还与还与Airmuscle公司合作首先在手套和公司合作首先在手套和3D6D鼠标上使用了触觉反馈。鼠标上使用了触觉反馈。ARBL在在VR方面的工作仍方面的工作仍在继续，除了

17、高级机器人和遥现场领域外还包括发在继续，除了高级机器人和遥现场领域外还包括发动机设计、动机设计、CAD软件包转换、烟雾和爆炸的建模与可软件包转换、烟雾和爆炸的建模与可视化、视化、VR多媒体集成系统、医学可视化以及纳米技术多媒体集成系统、医学可视化以及纳米技术(Nanotechnology)。虚拟现实的国内外研究现状虚拟现实的国内外研究现状 在德国有大约在德国有大约5050个个FraunhoferFraunhofer研究所，研究所，DarmstadtDarmstadt的的FraunhoferFraunhofer计算机图形研究所计算机图形研究所(IGD-FHG)(IGD-FHG)就是其中之一。其中

18、大多数研究就是其中之一。其中大多数研究所已着手所已着手VRVR项目研究，如斯图加特的项目研究，如斯图加特的IPA-IPA-FHGFHG的遥机器人测试平台。的遥机器人测试平台。IGDIGD的研究开发工的研究开发工作集中在计算机图形学有关的领域，如可视作集中在计算机图形学有关的领域，如可视模拟、可视化、图像处理和模拟、可视化、图像处理和VRVR等，并对那些等，并对那些需要复杂底层结构、技术支持和专业性的中需要复杂底层结构、技术支持和专业性的中长期项目实现承包管理方法。长期项目实现承包管理方法。IGD-FHGIGD-FHG在在19921992年建立了一个年建立了一个VRVR演示中心，用于评估演示中心

19、，用于评估VRVR对未来系统和界面的影响，该中心的任务是对未来系统和界面的影响，该中心的任务是在测试平台环境中给用户和生产者提供通向在测试平台环境中给用户和生产者提供通向先进的可视化、模拟技术和先进的可视化、模拟技术和VRVR技术的途径技术的途径。虚拟现实的国内外研究现状虚拟现实的国内外研究现状 国内虚拟现实技术的研究现状：国内虚拟现实技术的研究现状：北京航天航空大学计算机系是国内最早进行北京航天航空大学计算机系是国内最早进行VR研究的单位之一，他们首先进行了一些基础研研究的单位之一，他们首先进行了一些基础研究，并着重研究虚拟环境中物体物理特性的表究，并着重研究虚拟环境中物体物理特性的表示与处

20、理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发示与处理；在虚拟现实中的视觉接口方面开发了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；了部分硬件，并提出了有关算法及实现方法；实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上实现了分布式虚拟环境网络设计，建立了网上虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数虚拟现实研究论坛，可以提供实时三维动态数据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行据库，提供虚拟现实演示环境，提供用于飞行员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应员训练的虚拟现实系统，提供开发虚拟现实应用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的用系统的开发平台，并将要实现与有关单位的远程连接。远程连接。虚拟现实的国内外研究现状虚

21、拟现实的国内外研究现状 浙江大学浙江大学CAD&CG国家重点实验室在基于图像国家重点实验室在基于图像的虚拟现实、分布式虚拟环境的建立、多细节的虚拟现实、分布式虚拟环境的建立、多细节层次模型、真实感三维重建、基于几何和图像层次模型、真实感三维重建、基于几何和图像的混合式图形实时绘制算法等领域开展了深入的混合式图形实时绘制算法等领域开展了深入的研究，在国内外产生了广泛的影响。的研究，在国内外产生了广泛的影响。哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了哈尔滨工业大学计算机系已经成功地虚拟出了人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的人的高级行为中特定人脸图像的合成，表情的合成和唇动的合成等技术问题，并正

22、在研究人合成和唇动的合成等技术问题，并正在研究人说话时头势和手势动作，语音和语调的同步等。说话时头势和手势动作，语音和语调的同步等。清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临清华大学计算机科学和技术系对虚拟现实和临场感的方面进行了研究，例如球面屏幕显示和场感的方面进行了研究，例如球面屏幕显示和图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试图像随动、克服立体图闪烁的措施和深度感试验等方面都有不少独特的方法。验等方面都有不少独特的方法。虚拟现实的国内外研究现状虚拟现实的国内外研究现状 西安交通大学信息工程研究所对虚拟现实中的关键技术立体显示技术进行了研究。他们在借鉴人类视觉特性的基础上提出了一种基于JPE

23、G标准压缩编码新方案，并获得了较高的压缩比、信噪比以及解压速度。中国科技开发院威海分院主要研究虚拟现实中视觉接口技术，完成了虚拟现实中的体视图像对算法回显及软件接口。在硬件开发上已经完成了LCD红外立体眼镜，并且已经实现商品化。北方工业大学CAD研究中心是我国最早开展计算机动画研究的单位之一，中国第一部完全用计算机动画技术制作的科教片相似就出自该中心。虚拟现实的国内外研究现状虚拟现实的国内外研究现状 西北工业大学西北工业大学CADCAM研究中心、上海交通研究中心、上海交通大学大学CIM研究所、上海交通大学图像处理及模研究所、上海交通大学图像处理及模式识别研究所、国防科技大学计算机研究所、式识别

24、研究所、国防科技大学计算机研究所、华东船舶工业学院计算机系、华中科技大学华东船舶工业学院计算机系、华中科技大学CADCAM中心、华中科技大学仿真中心、武中心、华中科技大学仿真中心、武汉理工大学智能制造与控制研究所及汽车学院、汉理工大学智能制造与控制研究所及汽车学院、广东工业大学等单位都进行了一些有成效的研广东工业大学等单位都进行了一些有成效的研究工作和成功尝试。其中，上海交通大学究工作和成功尝试。其中，上海交通大学CIM研究所承担了国家自然科学基金重点项目研究所承担了国家自然科学基金重点项目“虚虚拟制造的理论与技术基础拟制造的理论与技术基础”，在有关理论与方，在有关理论与方法、系统开发与应用、

25、虚拟环境建设方面做了法、系统开发与应用、虚拟环境建设方面做了很好的工作。很好的工作。1.4虚拟现实的主要应用领域虚拟现实的主要应用领域 工程应用工程应用 虚拟现实技术在汽车制造业的广泛应用。虚拟现实技术在汽车制造业的广泛应用。美国通用汽车公司的美国通用汽车公司的CAVE 福特公司的虚拟工厂福特公司的虚拟工厂 英国航空实验室的虚拟轿车客舱英国航空实验室的虚拟轿车客舱 雷诺汽车公司的雷诺汽车公司的“city Fleet”虚拟现实的主要应用领域虚拟现实的主要应用领域工程应用工程应用虚拟现实技术在飞行仿真领域的应用虚拟现实技术在飞行仿真领域的应用 飞行员的操纵舱系统飞行员的操纵舱系统显示外部图像的视觉

26、系统显示外部图像的视觉系统产生运动感的运动系统产生运动感的运动系统计算和控制飞行运动的计算机系统。计算和控制飞行运动的计算机系统。虚拟现实的主要应用领域虚拟现实的主要应用领域工程应用工程应用 虚拟现实技术在虚拟实验的应用虚拟现实技术在虚拟实验的应用 虚拟风洞虚拟风洞 虚拟物理实验室虚拟物理实验室 虚拟电力控制室虚拟电力控制室 虚拟现实的主要应用领域虚拟现实的主要应用领域医学领域的应用医学领域的应用“虚拟现实虚拟现实”装置装置 虚拟现实技术分析神经系统虚拟现实技术分析神经系统 分子造型分子造型虚拟现实的主要应用领域虚拟现实的主要应用领域教育培训领域的应用教育培训领域的应用 建筑工程学建筑工程学

27、考古学考古学 医学教育医学教育 导游培训导游培训 生物教育生物教育 历史教育历史教育 化学和物理教育化学和物理教育 社会科学社会科学虚拟现实的主要应用领域虚拟现实的主要应用领域军事应用军事应用 步兵训练系统步兵训练系统 作战仿真系统作战仿真系统虚拟现实技术的应用实例虚拟现实技术的应用实例网上虚拟商城网上虚拟商城山城自驾游山城自驾游虚拟现实技术的应用实例虚拟现实技术的应用实例虚拟工人进入飞机内部检查管道的场景虚拟工人进入飞机内部检查管道的场景 虚拟现实技术的应用实例虚拟现实技术的应用实例美国国家航空航天局美国国家航空航天局(NASA)(NASA)就建立了这样一个虚拟风洞系统，该系统使就建立了这样

28、一个虚拟风洞系统，该系统使用三维工作站产生空气流动场的可视化图象，用户通过用三维工作站产生空气流动场的可视化图象，用户通过BOOMBOOM显示器和数显示器和数据手套与虚拟场景进行交互。数据手套用作烟的生成器，以便用户能观据手套与虚拟场景进行交互。数据手套用作烟的生成器，以便用户能观察到局部气流的流动情况。察到局部气流的流动情况。虚拟现实技术的应用实例虚拟现实技术的应用实例美国美国Navstar公司是一家卡车制造商，它利用虚拟油漆车间来安排喷漆公司是一家卡车制造商，它利用虚拟油漆车间来安排喷漆机械手的位置，使其发挥最高功效。这套机械手的位置，使其发挥最高功效。这套UltraPaint软件是软件是

29、Deneb公司公司提供的，它能对多个机械手和喷漆枪的运动轨迹和动作以及喷漆工艺提供的，它能对多个机械手和喷漆枪的运动轨迹和动作以及喷漆工艺参数进行仿真，如图示。参数进行仿真，如图示。虚拟现实技术的应用实例虚拟现实技术的应用实例1.5 虚拟现实技术未来发展展望(1)动态环境建模技术。虚拟环境的建立是VR 技术的核心内容,动态环境建模技术的目的是获取实际环境的三维数据,并根据需要建立相应的虚拟环境模型。(2)实时三维图形生成和显示技术。三维图形的生成技术已比较成熟,而关键是怎样“实时生成”,在不降低图形的质量和复杂程度的基础上,如何提高刷新频率将是今后重要的研究内容。此外,VR 还依赖于立体显示和

30、传感器技术的发展,现有的虚拟设备还不能满足系统的需要,有必要开发新的三维图形生成和显示技术。(3)新型交互设备的研制。虚拟现实技术实现人能够自由与虚拟世界对象进行交互,犹如身临其境,借助的输入输出设备主要有头盔显示器、数据手套、数据衣服、三维位置传感器和三维声音产生器等。因此,新型、便宜、鲁棒性优良的数据手套和数据服将成为未来研究的重要方向。(4)智能化语音虚拟现实建模。虚拟现实建模是一个比较繁复的过程,需要大量的时间和精力。如果将VR 技术与智能技术、语音识别技术结合起来,可以很好地解决这个问题。我们对模型的属性、方法和一般特点的描述通过语音识别技术转化成建模所需的数据,然后利用计算机的图形

31、处理技术和人工智能技术进行设计、导航以及评价,将模型用对象表示出来,并且将各种基本模型静态或动态地连接起来,最终形成系统模型。人工智能一直是业界的难题,人工智能在各个领域十分有用,在虚拟世界也大有用武之地,良好的人工智能系统对减少乏味的人工劳动具有非常积极的作用。(5)分布式虚拟现实技术的展望。分布式虚拟现实是今后虚拟现实技术发展的重要方向。随着众多DVE 开发工具及其系统的出现,DVE 本身的应用也渗透到各行各业,包括医疗、工程、训练与教学以及协同设计。仿真训练和教学训练是DVE 的又一个重要的应用领域,包括虚拟战场、辅助教学等。另外,研究人员还用DVE 系统来支持协同设计工作。近年来,随着

32、Internet 应用的普及,一些面向Internet 的DVE 应用使得位于世界各地多个用户可以进行协同工作。将分散的虚拟现实系统或仿真器通过网络联结起来,采用协调一致的结构、标准、协议和数据库,形成一个在时间和空间上互相耦合的虚拟合成环境,参与者可自由地进行交互作用。特别是在航空航天中应用价值极为明显,因为国际空间站的参与国分布在世界不同区域,分布式VR 训练环境不需要在各国重建仿真系统,这样不仅减少了研制费和设备费用,减少了人员出差的费用以及异地生活的不适。2.虚拟样机技术2.1虚拟样机与物理原型及其不足虚拟样机与物理原型及其不足2.2 虚拟样机定义虚拟样机定义2.3 VP工具分类工具分

33、类2.4原型机所起的作用与原型机所起的作用与Vp方法方法2.5虚拟样机软件的原理分析虚拟样机软件的原理分析2.6 ADAMS例子例子 2.1虚拟样机（Virtual Prototype)机械系统动态仿真技术，以产品的数字化模型为基础，在计算机中对模型的各种动态性能进行分析、测试和评估，并根据分析结果改进设计方案，从而达到以虚拟产品模型代替传统的实物样机试验的目的 涉及技术：产品三维建模技术、传感器技术、显示技术、有限元分析技术、机电液控制技术、优化技术、系统运动学和动力学分析理论等。物理原型及其不足 传统原型-材料去除法 手工 手工+机加工 完全自动化加工 快速原型-材料添加法 混合原型-包括

34、材料去除和添加 物理原型的不足2.2虚拟样机定义 Michigan州立大学的Gowda提出：“VP是一种利用虚拟现实和其他信息技术建立的数字原型。Pennsylvania大学的Song提出：”VP是指通过软件，在产品设计、定量性能分析等不同阶段对产品与用户之间交互的仿真，其中特别强调人和产品间的交互作用以及虚拟原型在产品设计和分析中的作用。BMW公司的Antonino等认为VP采用软件原型取代物理原型，并对原型的各种几何特性和功能特性进行仿真。虚拟样机技术上一种基于产品的计算机仿真模型的数数字化设计方法，其在产品全生命周期的各个阶段，如设计、加工、销售以及报废等均可在功能、性能和行为上模拟真实

35、产品。2.3 VP工具分类 机械设计，如二维/三维绘图，以及实体建模 形状设计和样式的革新，以及根据自由曲线进行复杂形状的设计 分析和仿真求解，包括压力分析，根据质量分布和载荷分布进行的设计优化以及运动学、动力学仿真2.4 原型机所起的作用与方法 结构原型（主要用于评估外观、形式和匹配关系）功能原型 结构和功能原型，以预测试制的产品或最终的产品可能发生的问题Vp方法 根据建模方法和目的，VP方法可以分为5个大类 可视化 机械结构组合的匹配性和干涉性 功能和性能的测试和验证 加工以及组装操作的评估 人自身因素的分析可视化模型 用于检查产品的形式以及外观 信息交流（不同用户，如市场销售、用户、管理

36、者、产品开发团队、工程师、维修人员等）提供真实感的产品外观，还可提供对任何尺寸的复杂组装体动态导航的能力（变速行走或飞行），是其能对模型进行更加有效的观察。匹配性和干涉性 原因：由于不可能加工零部件完全达到精确的尺寸，在设计时必须考虑尺寸的公差，以适应加工过程中固有的不确定因素。匹配性和干涉性检查可以减少不合理的匹配带来的打磨或再加工的费用 VP可以能以很高的精度和速度进行匹配性和干涉性的自动检查，并列出所有的干涉情况。可以进行动态干涉检查功能和性能验证 实物测试与虚拟测试混合的方法 结构和物理现象分析 有限元分析-通过分析材料与结构性能之间的关系来预测结构的行为（结构完整性分析、声学分析、电

37、磁分析等）计算流体力学-模拟流体的流动和热传递。运动分析-二维、三维机构组合的运动 运动学性能-在不考虑质量和力特性的情况下，决定速度、加速度、位置、分布以及旋转等。动力学-需要额外考虑组合件中组成单元之间质量和力。可制造性的评估 可加工性 过程规划验证 加工过程仿真 组装分析 组装规划生成 组装系统的设计 加工的管理-经济型和逻辑性以及产品控制需求 人为因素分析 采用全尺寸产品样机和真人大小模型进行产品安全性、人机工程、可视性和操控性评估。2.5虚拟样机软件的原理分析 机械系统的运动学和动力学分析是其研究的重要内容。机械系统的静力学分析：外力作用下各构件的受力和强度问题。机械系统的运动学分析

38、：系统中一个或多个构件的绝对或相对位置与时间存在给定的关系，通过求解位置、速度和加速度的非线性方程组求得其余构件的位置、速度和加速度与时间的关系。机械系统的动力学分析：分析外力作用下的系统运动。一般可以确定与时间无关的力作用下的平衡位置。虚拟样机软件包含的功能 运动学和动力学基本理论及算法 产品造型与显示技术 有限元分析技术 软件编程及接口技术 控制系统设计及分析技术 优化分析技术虚拟样机软件ADAMS ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical system）由美国Mechanical Dynamics Inc.开发 核心模块：用户界面（vi

39、ew)，求解器（solver）和后处理（PostProcessor）功能扩展模块：试验设计与分析，振动分析，耐用性分析，液压系统，高速动画，系统模态分析，数字化装配回放 专业模块：轿车模块，概念化悬架模块，动力传动系统模块，驾驶员模块，经验动力学模型，柔性体生成器模块，轮胎模块，配气机构模块，铁道模块 工具箱：虚拟试验工具箱，钢板弹簧工具箱，软件开发工具包，履带/轮胎式车辆工具箱，模态应力恢复与疲劳工具包，齿轮传动工具箱，飞机起落架工具箱 接口模块：Pro/e接口，图形接口模块，CATIA专业接口模块，控制模块，柔性分析模块用户界面ADAMS/view 交互式图形建模、仿真计算、动画显示、X-

40、Y曲线图处理、结果分析、数据打印等。分层建模，具有零件几何图形库、约束库和力/力矩库，支持布尔运算，parosolid作为实体建模的核心。具有自定义的高级编程语言，支持命令行输入命令和C+语言。重点学习部分重点学习部分ADAMS/Solver 可以自动生成机械系统结算模型及方程，提供静力学、运动学和动力学的解算结果。存在各种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程应用问题。可输出用户自定义的数据 可以通过运动副、运动激励、高副接触、用户定义的子程序等添加不同的约束 可求解运动服之间的作用力和反作用力ADAMS/Postprocessor 输出各种动画、数据、曲线 可进行曲线编辑及数字信号处理

41、 完备的曲线数据统计功能：均值，极值、斜率 具有丰富的数据处理能力：曲线的代数运算、反向、偏置、缩放、编辑、滤波等ADAMS/Insight 基于网页技术，将仿真试验结果放在网上 用户通过仿真试验及专业的试验结果分析工具，精确地预测所设计的复杂机械系统中各种工作条件下的性能。提供全参数、部分参数法、对角线法等试验设计方法。最佳的试验方案取决于以下因素：试验参数的数量、参数的特性、预期的产品性能和工作过程、试验的总体目标等。ADAMS/Vibration 在模型的不同测试点进行受迫响应的频域分析 将ADAMS的线性模型转入Vibration模块中，为振动分析开辟输入/输出通道 定义频域输入函数

42、产生用户定义的力频谱 求解频带范围 评价频响函数的幅值大小及相位特征 动画演示受迫响应及各模态响应ADAMS/Durablility 解决“产品何时报废或零部件何时失效”问题 支持耐久性的相关国际工业标准。目前，支持两种时间历程文件格式nSoft和MTS的RPC3。可直接读入其文件数据，也可写入 nSoft耐用性分析软件可以进行应力寿命、局部应变寿命、裂隙扩展状况、多轴向疲劳及热疲劳特征、振动响应、各种焊接结构强度等分析。ADAMS/Hydraulics仿真包括液压回路在内的复杂机械系统的动力学性能 可精确地对由液压系统驱动的复杂机械系统，如工程机械、汽车制动转向系统、飞机起落架。可以建立液压

43、系统回路的框图，通过液压驱动元件将其连接到机械系统模型中，最后选取适当的求解器分析系统的性能。利用该模块，可以建立机械系统和液压系统之间相互作用的模型，设置系统的运行特性，进行各种静态、模态、动态分析。ADAMS/Animation 可选模块，能使用户借助于增强透视、半透明、彩色编辑及背景透视等方法，对生成的动画进行精加工。用户可选择不同的光源，交互移动、对准和改变光源强度，还可将摄像机置于不同的位置、角度同时观察仿真过程，从而得到更完善的运动图像。提供干涉检测工具，可以动态显示仿真过程中运动部件之间的接触干涉，帮助用户观察整个机械系统的干涉状况，也可以动态测试两个选定的运动部件在仿真过程中距

44、离的变化。ADAMS/DMU Replay 针对CATIA推出的模块。可将ADA,MS的分析结果导入到CATIA中，调整ADAMS部件名称使之与CATIA几何体相一致，以便于显示 用装配的CATIA几何体动画显示仿真结果 在运动情况下，产生几何体部件的包络线，执行动态干涉检查ADAMS/Car MDI与Audi、BMW、Renault和Volvo等公司合作开发的整车设计软件包。可以快速构造高精度的整车虚拟样机（车身、悬架、传动系统、发动机、转向机构、制动系统等）并进行仿真，通过高速动画直观地显示在各种试验工况下（如天气、道路状况、驾驶员经验等）整车动力学相应，并输出标志操纵稳定性、制动性乘坐舒

45、适性和安全性的特征参数，从而减少对物理样机的依赖。模块包括：整车动力学软件包、悬架设计软件包以及概念化悬架设计模块。仿真工况包括：方向盘阶跃、斜坡和脉冲输入、蛇形穿越试验、漂移使用、加速、制动、稳态转向等。Suspension Design 包括以特征参数（前束、定位参数、速度）表示的概念式悬架模型，定义在任意载荷和轮胎条件下的轮心位置和方向，从而快速建立包括橡胶衬套等在内的柔体悬架模型。全参数的面板建模方式，借助悬架面板，设计师可以完成原始的悬架设计方案，再通过调整悬架参数（如连接点位置、衬套参数等）就可以快速确定悬架方案。可以进行的悬架实验包括：单轮激振试验、双轮同向激振试验、转向试验和静

46、载试验等。CSM:概念化悬架模块 通过预先定义悬架运动时或受外力作用时车桥的轨迹，可以实现悬架的运动分析。利用CSM，不需要建立详细的多体悬架模型，就可以研究系统级的车辆动力学性能 不需要建立详细的多体悬架模型，就可以研究系统级的车辆动力学性能。接口模块 与Pro/e的接口模块MECHANISM/Pro。图形接口模块ADAMS/Exchange，利用IGES,STEP,STL,DWG/DXF等产品数据标准格式实现ADAMS与其他数字化软件之间数据的双向传输。与CATIA的接口模块CAT/ADAMS，将虚拟样机技术有机地融入到CATIA中。ADAMS是世界上应用最广泛且最具有权威性的机械系统动力

47、学仿真分析软件。工程师、设计人员利用ADAMS软件能够建立和测试虚拟样机，实现在计算机上仿真分析复杂机械系统的运动学和动力学性能。利用ADAMS软件，用户可以快速、方便地创建完全参数化的机械系统几何模型。该模型既可以是在ADAMS软件中直接建造的几何模型，也可以是从其他CAD软件中传过来的造型逼真的几何模型。然后，在几何模型上施加力功矩和运动激励。最后执行一组与实际状况十分接近的运动仿真测试，所得的测试结果就是机械系统工作过程的实际运动情况。过去需要数星期、数月才能完成的建造和测试物理样机的工作，现在利用ADAMS软件仅需几个小时就可以完成，并能远在物理样机建造前，就可以知道各种设计方案的样机

48、是如何工作的。2.6 ADAMS例子坦克曲柄滑块机构凸轮机构抛物挖掘机机构抽油机机构3.课程学习与考试课程学习与考试3.1教材与参考书 教材：ADAMS 2005 机械设计高级应用实例郑凯 胡仁喜 陈鹿民 等编著 机械工业出版社 2006.1第一版 参考书：1、虚拟样机技术及其在ADAMS上的实践，王国强，张进平等著，西北工业大学出版社，2002.3第一版 2、ADAMS实例教程，李军，邢俊文等著，北京理工大学出版社，2002.7第一版 3、MSC.ADAMS FSP基础培训教程，MSC.Software 著，李军，陶永忠 译，清华大学出版社，2004.11第一版 4、MSC.ADAMS/Vi

49、ew高级培训教程，MSC.Software 著，刑俊文，陶永忠 译，清华大学出版社，2004.7第一版 5、ADAMS虚拟样机技术入门与提高，郑建荣 著，机械工业出版社，2002.1第一版 6、机械系统动力学分析及ADAMS应用教程，陈立平、张云清等著，清华大学出版社，2005.1第一版3.2 帮助信息3.3 课程的要求及安排课程的要求及安排1要求（1）了解机电产品虚拟仿真设计的有关概念，支撑技术，设计过程。（2）掌握一种机电产品虚拟仿真设计的软件并能进行简单的仿真分析。2安排（1）4学时理论教学（2）30学时软件教学及实战练习（工程设计中心）3.4成绩评定方法成绩评定方法期末考试：70%；笔试部分30%，机试部分40%平时成绩（考勤、作业）：30%演讲完毕，谢谢观看！