虚拟样机设计与仿真

研究生课程考试答题册

学号：2017200974

姓名：周启航

考试科目：虚拟样机设计与仿真

考试日期: 2018.11

西北工业大学研究生院

目录

一、通过自学和调研就以下问题进行叙述 (3)

1、何为虚拟样机？何为虚拟样机仿真？ (3)

2、虚拟样机仿真有哪些关键技术？虚拟现实技术、增强现实技术、CAE

技术、视景仿真技术的发展与前景如何？ (4)

3、做好机械系统的虚拟样机仿真工作应注意哪些问题？应如何处理虚拟

样机仿真与实物样机仿真的关系？ (5)

二、伞状天线盘式结构仿真分析 (6)

一、问题分析 (6)

二、建立仿真模型与设置 (8)

三、仿真结果 (12)

四、结论与存在的问题 (13)

一、通过自学和调研就以下问题进行叙述

1、何为虚拟样机？何为虚拟样机仿真？

现有一下观点：计算机中的模型就是虚拟样机；有限元模型就是虚拟样机；ADAMS的模型就是虚拟样机；只有满足“3I”特征才是虚拟样机。试对以上观点做出评价。

答：（a）机械工程中的虚拟样机技术又被称为机械系统动态仿真技术，是国际20世纪80年代发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。工程师在计算机上建立样机模型，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实验。当然还有以下关于什么是虚拟样机的描述：（1）虚拟样机技术是将CAD建模技术、计算机支持的协同工作(CSCW)技术、用户界面设计、基于知识的推理技术、设计过程管理和文档化技术、虚拟现实技术集成起来，形成一个基于计算机、桌面化的分布式环境以支持产品设计过程中的并行工程方法；

（2）虚拟样机的概念与集成化产品和加工过程开发 (Integrated Product and Process Development,简称IPPD)是分不开的。IPPD是一个管理过程，这个过程将产品概念开发到生产支持的所有活动集成在一起，对产品及其制造和支持过程进行优化，以满足性能和费用目标。IPPD的核心是虚拟样机，而虚拟样机技术必须依赖IPPD才能实现；

（3）虚拟样机技术就是在建立第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数学模型，进行仿真分析并从图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术；

（4）虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观、空间关系以及运动学和动力学特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统模型，伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据仿真结果精简和优化系统；

（5）虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在CAD 模型的基础上，把虚拟技术与仿真方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。

（b）虚拟样机仿真：虚拟样机技术是CAD/CAE/CAM技术与虚拟现实技术相结合的产物。是更高层次的CAD/CAE/CAM技术。现代的仿真更多是指运用计算机进行仿真，使用一套以计算机为主体的软硬件设备模仿实际系统的综合技术。虚拟样机仿真是指在虚拟环境中，运用虚拟现实技术，对产品进行虚拟设计，并通过构造的虚拟样机，将产品的物理模型转换为数学模型然后对其进行分析、研究、实验、验证以及人员培训。虚拟样机仿真强调在实际产品实施制造前，完成产品的设计、分析、制造、管理过程的全面仿真，以保证产品在实际制造过程的可行性，以及产品在使用中的可靠性。

（c）前三个观点都是片面的，虚拟样机包含计算机中的模型，有限元模型和ADAMS模型。“3I”特征是指沉浸感(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)，显然某些有限元模型的仿真并没有沉浸感，所以该观点也是以偏概全。

2、虚拟样机仿真有哪些关键技术？虚拟现实技术、增强现实技术、CAE技术、视景仿真技术的发展与前景如何？

答：（a）虚拟样机仿真的关键技术有：系统总成技术、支撑环境技术、虚拟现实技术、协同仿真技术、一体化建模技术、信息/过程管理技术等。

（b）

（一）虚拟现实是用计算机和先进的传感设备，构造出一种人工环境，它能模仿人的视觉、听觉、嗅觉等感知功能使人能沉浸在虚拟的环境中，并与这个虚拟的环境交互作用。虚拟现实技术应用在汽车领域，奔驰、宝马、大众等大公司的报告显示，以“数字汽车”模型来替代木制或铁皮制的汽车模型，可以将新车型开发时间缩短80%左右，开发成本最多可降低到原来的1/10。也应用在立体环幕投影系统中，为参与者营造逼真的场景。

（二）增强现实(Augmented Reality，简称AR)通过电脑技术将虚拟的信息应用到真实世界，真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间。AR技术不仅在与VR技术相类似的应用领域，诸如尖端武器、飞行器的研制与开发、数据模型的可视化、虚拟训练、娱乐与艺术等领域具有广泛的应用，而且由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造和维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域，具有比

VR技术更加明显的优势。增强现实正在走近工程设计、现代展示、医疗、军事、教育、娱乐、旅游等领域。

（三）CAE英文全称为Computer Aided Engineering，中文直译为计算机辅助工程，具体可理解为计算机辅助分析，主要以有限元分析技术为基础，综合了迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程管理学与现代计算技术而形成的一门综合性，知识密集型的学科。大多数工程问题没有解析解，借用计算机技术和数值计算技术来求解工程问题，这就是CAE在今后较长一段时间内的用武之地。

（四）视景仿真是数字仿真技术与计算机图形学的结合，是在数字仿真的基础上，以三维模型的实时真实感、动画显示技术应用于模拟训练、虚拟现实以及其他实时动态仿真系统的图形显示。可运用于军事演练、城市规划仿真、大型工程漫游、名胜古迹虚拟旅游、模拟训练以及交互式娱乐仿真等视景仿真技术对作战装备的使用效果有很好的实时显示，给人以强烈的视觉上的冲击，对提高武器装备的性能、研制效率有着重要的作用。

3、做好机械系统的虚拟样机仿真工作应注意哪些问题？应如何处理虚拟样机仿真与实物样机仿真的关系？

答：我个人认为机械系统的仿真水平很大程度上取决于模型的仿真度，结构的准确性，系统的真实性都将影响最终的仿真结果和数值解的精度。因此我认为着重突破的技术应该在于建模的方法上。

目前有三种普遍的仿真建模的方法分别是：理论建模法、实验建模法、虚实混合建模法。其中理论建模法是根据系统的特性，分析其内部的机理，依据力学、电磁学、热力学和化学等基本理论，弄清因果关系，给出适当简化假设，对被测系统原理进行分析和抽象，利用合适的数学工具得到描述系统特征的数学模型。其特点在于推导过程清晰，所得解析式反映了系统输入输出和参数间的关系。适用于结构和原理简单的系统或子系统。对复杂系统进行理论建模时，因为要对系统作较大的简化，所以结果往往与实测结果差异较大。实验建模法是通过实验测试的方法得到系统的输入输出数据，再利用数理统计等理论和方法对测得的数据进行处理，从而得到系统的最终数学模型。其特点是需要数据采集设备，需要合适的激励信号。所设计的实验要求简单、易行。得到的实验模型要能充分反映被