虚拟样机技术

4.3.1 基本概念

在各种CAE技术中，虚拟样机技术（virtual prototyping technology，VPT）是计算机辅助工程的一个重要分支，它是在产品概念设计阶段，通过学科理论和计算机语言，对设计阶段的产品进行虚拟性能测试，提前了解产品的各种性能，避免设计缺陷的存在，并提出改进意见。虚拟样机是相对于物理样机来说的，物理样机是对一个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真；而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机，对备选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。

虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，它的核心部分是多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现。CAD/FEA技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境和技术支撑。虚拟样机技术改变了传统的设计思想，将分散的零部件设计和分析技术集成于一体，提供了一个研发机械产品的全新的设计方法。

4.3.2 技术应用

虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商品化虚拟样机软件实现的。虚拟样机技术已经广泛地应用在汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业等领域。以下是一些有代表性的实例。

（1）美国航空航天局（NASA）的喷气推进实验室（JPL）成功地实现了火星探测器“探路号”在火星上软着陆。JPL的工程师利用虚拟样机技术模拟宇宙飞船在不同阶段（进入大气层、减速和着陆）的工作过程。在探测器发射以前，JPL的工程师运用虚拟样机技术预测到由于制动火箭与火星风的相互作用，探测器很有可能在着陆时滚翻。工程师们针对这个问题修改了技术方案，将灵敏的科学仪器安全送抵火星表面，保证了火星登陆计划的成功。

（2）一家卡车制造公司在研制新型柴油机时，发现点火控制系统的链条在转速达到6 000 r/min时运动失稳并发生振动。常规的测量技术在这样的高温高速环境下失灵，工程师们不得不借助于虚拟样机技术。根据对虚拟样机的动力学及控制系统的分析结果，发现了不稳定因素，改进了控制系统，使系统的稳定范围达到10 000 r/min以上。

（3）美国波音公司的波音777大型客机是世界上首架以无图纸方式研发及制造出来的飞机，其设计、装配、性能评价及分析就是采用了虚拟样机技术，这不但使研发周期大大缩短、研发成本大大降低，而且确保了最终产品一次性接装成功。对比以往的飞机，波音公司减少了93%的设计更改和94%的成本。

（4）在著名的工程机械厂商John Deere公司，为了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，工程师应用虚拟样机技术，不仅找到了问题产生的原因，而且提出了改进方案，并且在虚拟样机的基础上得到了验证，从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。

随着研究的不断深入和相关技术的进一步发展，虚拟样机技术将会得到更广泛的应用。在我国，虚拟样机技术正在引起重视通过深入研究虚拟样机的关键技术，进一步探讨虚拟样机的有效开发模式，尤其是开发工程中所涉及的各类活动的协调、管理和优化策略。这些必将促进这一先进制造技术的推广应用，增强我国企业产品开发能力，提高我国企业在世界制造业中的地位。

4.3.3 ADAMS软件

1）ADAMS软件简介

ADAMS软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。

2）ADMAS软件功能模块

（1）前处理模块ADAMS/View。ADAMS/View模块是使用ADAMS软件建立机械系统功能化数字样机的可视化前处理环境，可以进行样机建模、样机模型数据的输入和编辑、与求解器和后处理等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据的输入和输出、同其他应用程序的接口。

（2）求解器模块ADAMS/Solver。ADAMS/Solver模块包括稳定可靠的Fortran求解器和功能更强大丰富的C＋＋求解器。该模块既可以集成在前处理模块下使用，又可以从外部直接调用；既可以进行交互方式的结算过程，也可以进行批处理方式的结算过程。ADAMS/Solver模块具有独特的调试功能，可以输出求解器结算过程中重要数据量的变化，方便用户理解、探索模型中深层次的关系。

（3）后处理模块ADAMS/PostProcessor。ADAMS/PostProcessor模块是显示ADAMS软件仿真结果的可视化图形界面，后处理的结果既可以显示为动画，又可显示为数据曲线。

（4）扩展模块ADAMS/Linear（线形化分析模块）。ADAMS/Linear模块可以在进行系统仿真时将系统非线性的运动学和动力学进行线性化处理。

（5）专业模块。

①ADAMS/Aircraft：是专门用来构造飞机起落架模型和飞机模型的软件环境。

②ADAMS/Car（轿车模块）：是MDI公司与Audi、BMW、Volvo等公司合作开发的整车设计模块，能够快速建造高精度的整车虚拟样机。

③ADAMS/Chassis（底盘模块）：可以建立标准的汽车子系统和部件或者管理大量的悬架或整车实验数据。

④ADAMS/Driverline：用户可快速地建立、测试具有完整传动系统或传动部件的功能化虚拟样机。

⑤ADAMS/Engine：可以快速创建配气机构、曲柄连杆、正时带以及其他驱动附件的虚拟模型。

⑥ADAMS/Rail：专门用于研究铁路机车、车辆、列车和线路相互作用的模块。

（6）接口模块。ADAMS/Controls：用户可以将基于几何外形的完整的系统模型，便捷地放到所使用的控制系统设计软件所定义的框图中。

ADAMS/Flex（柔性分析模块）：提供了ADAMS软件与其他有限元软件之间的双向数据接口。

3）ADAMS的功能特点

（1）利用交互式图形环境和零件、约束、力库建立机械系统三维参数化模型。

（2）分析类型包括运动学、静力学和准静力学分析，以及线性和非线性动力学分析，包含刚体和柔性体分析。

（3）具有先进的数值分析技术和强有力的求解器，使得求解快速、准确。

（4）具有组装、分析和动态显示不同模型或同一个模型在某一个过程变化的能力，提供多种虚拟样机方案。

（5）具有一个强大的函数库供用户自定义力和运动发生器。

（6）具有开放式的结构，允许用户集成自己的子程序。

（7）自动输出位移、速度、加速度和反作用力，仿真结果显示为动画和曲线图形。

（8）可预测机械系统的性能、运动范围、碰撞、包装、峰值载荷和计算有限元的输入载荷。

（9）支持同大多数CAD、有限元分析和控制设计软件之间的双向通信。