计算机仿真(虚拟样机)技术讲解
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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 Aided 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。
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，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。
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。
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Windows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。
Tele-Operation construction robot system
Motion Bed
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：
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
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。
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
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。
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。
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
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，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。
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。
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。
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:Digitawk.baidu.com 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。
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。
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。
SolidWorks 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。
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 (Computer Aided Engineer)
侧重于产品的优化与分析 CAM (Computer Aided Manufacture)
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。
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。
3D Screen
・3D Glasses ・Headphone
Construction Robot
Hydraulic Servo Valve Drive Unit
Frame Buffer Camera Pan
Control A/D D/A
Computer for Slave Side
LAN Cable Joystick
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。
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。
SolidWorks 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
・Stereo Microphone ・Stereo View Camera ・Torque Sensor ・Position Sensor ・Pressure Sensor
Hydraulic Actuators
Computer Image Processing
for Master Side
Unit
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）
设计对象：虚拟样机 设计环境：虚拟环境，在计算机上方便进行交互、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。
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
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。
工程设计中的计算机辅助 工程CAE (Computer Aided 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。
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，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。
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。
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Windows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。
Tele-Operation construction robot system
Motion Bed
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：
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
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。
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
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。
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。
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
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，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。
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。
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。
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:Digitawk.baidu.com 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。
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。
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。
SolidWorks 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。
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 (Computer Aided Engineer)
侧重于产品的优化与分析 CAM (Computer Aided Manufacture)
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。
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。
3D Screen
・3D Glasses ・Headphone
Construction Robot
Hydraulic Servo Valve Drive Unit
Frame Buffer Camera Pan
Control A/D D/A
Computer for Slave Side
LAN Cable Joystick
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。
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。
SolidWorks 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
・Stereo Microphone ・Stereo View Camera ・Torque Sensor ・Position Sensor ・Pressure Sensor
Hydraulic Actuators
Computer Image Processing
for Master Side
Unit
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）
设计对象：虚拟样机 设计环境：虚拟环境，在计算机上方便进行交互、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。
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
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。