虛擬樣機技術論文模板(10篇)

導言：作為寫作愛好者，不可錯過為您精心挑選的10篇虛擬樣機技術論文，它們將為您的寫作提供全新的視角，我們衷心期待您的閱讀，并希望這些內容能為您提供靈感和參考。

篇1

③中國93593部隊，三河 065200）

（①Unit 75240 of PLA，Chaozhou 521000，China；②Unit 65370 of PLA，Changchun 130000，China；

③Unit 93593 of PLA，Sanhe 065200，China）

摘要： 為有效解決虛擬維修訓練系統通用、共享和跨平臺重用的問題，借鑒IETM的S1000D標準以數據模塊方式組織數據這一思想，構建了基于IETM虛擬維修數據模型。經應用證明，基于IETM的虛擬維修數據模型有利于系統的數據標準化和技術文檔。

Abstract： To provide effective support for currency, communion and transplantation of Virtual Maintenance Training System, the Virtual Maintenance Data Model was designed based on Interactive Electronic Technology Manual. According to the data module of S1000D, the data model was built. The application showed that the model was useful for data standardization and technology document publishing of the Virtual Maintenance Training System.

關鍵詞 ： 虛擬維修數據模型；交互式電子技術手冊；維修過程

Key words： Virtual Maintenance Data Model；Interactive Electronic Technology Manual；maintenance process

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2014）34-0230-02

作者簡介：石永亮（1986-），男，陜西寶雞人，助理工程師，主要研究方向為裝備虛擬維修。

0 引言

虛擬維修訓練系統與交互式電子技術手冊（Interactive Electronic Technology Manual, IETM）在裝備知識與維修素材等數據方面基本一致。

本文主要研究如何借鑒IETM的S1000D標準，設計虛擬維修數據模型（Virtual Maintenance Data Model, VMDM），解決虛擬維修訓練系統中數據重用和共享問題。

1 IETM簡介

IETM的概念最先是由美軍提出來的，其定義是從事武器裝備系統的故障診斷和維護保障工作所需要的一組信息包，其中的信息內容和格式均以最優方式進行了組織和編排，以便于最終用戶通過數字屏幕以交互方式使用。當前應用最廣泛的標準當屬美軍標準MIL-PRF-87269和歐洲標準ASD S1000D。

2 基于IETM的虛擬維修訓練系統

S1000D作為IETM在裝備全生命周期保障方面的重要標準，在其標準下制作的交互式電子技術手冊可以存儲大量的裝備保障數據，不僅包括文本、圖標、圖片信息，還包括視頻、音頻等多媒體信息，以及和用戶進行交互的信息。因此借鑒IETM相關標準S1000D設計VMDM層次結構如圖1所示。訓練數據包括了虛擬維修訓練過程數據、虛擬樣機數據和工具設備數據。

2.1 維修過程VMDM 過程VMDM設計如圖2所示，數據標記的具體含義以及其所包含內容的定義如下。

2.1.1 procedural元素 procedural元素是描述整個虛擬維修訓練過程的根元素，由若干個嵌套的子元素和相應的屬性構成，具有的屬性包括維修過程起始步驟編號startId、用來判斷維修過程是否結束的步驟編號endId、進行本次維修訓練的維修操作人員姓名的operatorName以及維修人員編號operatorId，同時描述人員所應該具有的維修水平、技能skillLevel。

2.1.2 step元素 step是具體維修訓練步驟元素，是可以重復、并列的元素，它有四個屬性值：partStateType屬性表示樣機對象子單元的運動屬性，主要包括平移運動、旋轉運動和復合運動三種；stepId表示維修過程中的當前維修步驟編號；name表示當前維修操作的名稱；partname表示本次維修操作的樣機對象單元名稱，該名稱與虛擬維修樣機模型中對該部件的命名一致。

2.2 工具/設備VMDM 工具/設備模型設計如3所示，數據標記的具體含義以及其所包含內容的定義如下。

2.2.1 tool_Equipments tool_Equipments元素是工具/設備數據模型的根元素。

2.2.2 toolList toolList元素用來描述工具/設備，是可以重復的、并列出現的非空元素，具有三個屬性值和一個元素：toolpackageName描述專用工具包的名稱；toolname屬性值為工具設備的名稱；toolId屬性值為工具/設備型號編碼；pic元素描述設備工具的名稱、型號、在工具欄中的布局以及二維圖標文件的存儲路徑等。

2.3 虛擬樣機VMDM 虛擬樣機，根據運動方式，分為平移運動樣機、旋轉運動樣機和復合運動（旋轉＋平移）樣機。本文以復合運動樣機為例，進行介紹。

復合運動樣機單元VMDM設計如圖4所示。

transRotate元素是描述復合運動樣機單元對象信息的根元素，由若干嵌套的Parts子元素構成。Parts元素是可重復、并列出現的非空元素，具有以下屬性：①ID屬性。②PartID屬性。③partname屬性，為相對應樣機單元漢語名稱。相關子元素有endXposition元素、endYposition元素、endZposition元素、attributeToObject以及attachToObject描述的內容與平移樣機信息單元模型中所提及元素的內容相同、類型相同。AxisRotate元素、rotateDegree元素，與旋轉類平移樣機信息單元模型中所提及的內容相同、類型相同。transScale元素描述虛擬維修樣機單元在復合運動過程中平移段的步長。rotateScale元素描述在復合運動過程中的旋轉平移段的步長。length元素描述典型對象單元如螺釘的長度，proportion元素描述旋轉圈數與位移的比例關系。

3 應用驗證

某型復雜裝備虛擬維修訓練系統，基于上述方法建立VMDM，如圖5所示，編輯完成的系統能夠進行，使得系統的推廣使用變得更為方便。

4 結束語

本文參考IETM的S1000D標準對于內容數據模型的組織方法，設計了基于IETM的虛擬維修訓練系統結構框架以及虛擬維修數據模型，并利用XML Schema設計了虛擬維修訓練系統的數據模型，包括維修訓練過程數據模型、工具/設備數據模型、以及樣機對象單元數據模型，并分析了模型中各個元素及屬性的具體描述含義，最后進行了應用驗證。

參考文獻：

[1]張宏亮.基于IETM的虛擬維修系統研究[D].南京：南京航空航天大學碩士學位論文，2008.

[2]李星新.虛擬維修訓練的模型研究與通用平臺實現[D].石家莊：軍械工程學院博士論文，2010，06.

篇2

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

On the Virtual Prototype Technology and its Modeling and Simulation

HUANG Di

（Huazhong University of Science and Technology Wenhua College， Wuhan， Hubei 430074）

Abstract Virtual prototyping technology to computer technology as the basis， a comprehensive multi-disciplinary technology to provide technical support for the design and evaluation of the product life cycle. Designers can achieve product design and product characterization in a virtual environment， so that it can respond quickly to market requirements， thus breaking the traditional design approach， shorten design time， saving design capital. This paper describes the machinery involved in modeling and simulation， control， and co-simulation areas， collaborative modeling and simulation methods needed for the final collaborative modeling from single to multiple disciplines and areas of the implementation process.

Key words virtual prototype； modeling； simulation

0 引言

由于現代科學技術的發展，機電一體化產品的開發經歷了串、并行開發，到基于虛擬樣機的開發過程。而開發過程中解決多領域協同設計的有效途徑就涉及到了虛擬樣機技術。它的設計開發涉及機械、可視化、協同仿真、數據庫等多個學科領域，它提供一種加快機電一體化產品設計進程新的技術方法和支持環境。

1 虛擬樣機技術的概述

1.1 虛擬樣機技術的定義

虛擬樣機是在CAD/CAM/CAE和物理樣機基礎上發展起來的，它包含有所有產品的關鍵特征。

它是以一定關系模擬一個動態系統，在一個或多個領域模型上，依賴不同子系統的集成，采用計算機輔助的方法，以達到認識現實或輔助設計的目的。

1.2 虛擬樣機技術的優勢和局限性

在機電一體化產品的設計中，若采用實物驗證的方法的傳統機電產品設計。首先是對產品進行局部設計，加工出物理樣機，再進行調試，再對其各種行為進行評估。若不滿足使用要求則選擇返回修改設計，然后再加工出新的樣機，如此反復評估直至滿足所需要求為止。

虛擬樣機技術應用在機電產品的開發設計過程與傳統設計步驟相差不大，主要差別是虛擬樣機技術集合各個領域的理論和技術在計算機上直接進行建模與仿真，它在產品設計階段，能夠對產品使用、制造、維護等行為進行評估分析，優化產品性能指標，保證設計出來的產品能夠達到制造、使用和維護的要求，并且它的修改直接改變建模的數據即可。因此，虛擬樣機技術的優勢在于：縮短了研發周期、節約研發資本、實現資源共享。

但是，虛擬樣機技術涉及的學科領域太廣，技術復雜，給設計者提出了很高的要求，而且，對于一些復雜的問題的計算上無法得到精確的解，只能是盡量的將誤差控制在允許的范圍內，所以技術本身的不成熟和不完善也在一定程度上制約了它的發展。而且在對產品進行建模時，很難建立理想的、完整的模型，因此虛擬樣機始終無法取代物理樣機。①

1.3 虛擬樣機技術的支撐環境及關鍵技術

圖1 虛擬樣機支撐環境框架

虛擬樣機的開發和設計當中，在每一個階段都涉及到多個領域的相關技術，比如在產品設計階段就涉及到CAD/CAM/CAE等CAX技術和DFX技術，在產品特性分析階段涉及到機械系統運動學等相關技術，而在分析結果的時候又涉及到可視化技術和動畫技術。因此，虛擬樣機技術需要強大的支撐環境來保證這些相關技術的操作和相互之間的數據交流平臺，其所需要的支持環境框圖如圖1②所示

在這些支撐環境中，存在一些關鍵技術，這些關鍵技術的發展情況直接影響著整個支撐環境的發展。比如多領域的協同仿真――“建模-仿真-評估/優化”一體化平臺、高層建模技術、仿真模型庫構建與管理技術以及分布式協同仿真技術等。

1.4 虛擬樣機技術的應用與發展現狀

虛擬仿真技術在美國、德國等一些發達國家早已被廣泛地應用于汽車制造、機械工程、醫學等各個領域，產品的涉及由簡單的照相機快門技術到龐大的工程機械技術，如John Deere 公司通過虛擬樣機技術找到了在重載下工程機械的自激振動問題的原因，并提出了改進方案，這同樣在虛擬樣機上得到了驗證。

國外的虛擬樣機技術已走向商業化，美國機械動力學公司的機械系統自動動力學分析軟件ADAMS是目前比較有影響力的軟件。其中ADAMS占據了市場的50 % 以上，其它軟件的還有Folw3D、ANSYS 等等。

國內的企業虛擬樣機技術主要是集成現成的國外軟件應用上，如PRO/E、ADAMS、ANSYS 等，國內企業對國外軟件的依賴性強。有些單位會為了滿足設計分析的需要而采用對市場上現有軟件進行二次開發。

2 虛擬樣機的模型建立

2.1 虛擬樣機的設計原理

作為研究動態系統行為的有效方法，虛擬樣機涉及幾何信息，同時虛擬樣機系統具有運動模擬、操作模擬和動力學模擬等物理邊界條件，提供人機交互虛擬現實三維場景的工具。其一般設計原理可歸結為如圖2所示。

圖2 虛擬樣機設計原理圖

2.2 機電產品的功能模型分析

影響此類機電產品系統的設計過程和設計方法是在功能邏輯上的構成方式和在物理上的組成方式。在物理組成上，機電一體化產品包含機械結構，機電接口、運動系統、計算機等多種電子、機械零部件。③

將機電一體化產品劃分為控制子系統、廣義執行機構子系統、檢測子系統、傳感及信息處理的是上海交通大學的鄒慧君教授，④這就是所謂的三子系統論。如圖3所示：

圖3 機電系統的三子系統的組成及其關聯

圖4 廣義執行機構建模步驟框圖

2.3 廣義執行機構的建模與求解

廣義執行機構子系統主要包括驅動元件和執行機構兩大部分，它們的建模與求解主要分為幾何建模、物理建模、數學建模、數值求解和結果分析，其步驟如圖4所示。

幾何建模，主要是建立所設計虛擬樣機的執行機構的幾何模型，它可以用幾何造型軟件Pro/E、UG等導入，也可以由ADAMS幾何造型模塊構造，但有些軟件之間的相互導入需要接口模塊，例如Pro/E與ADAMS之間需要MECHANISM/Pro借口模塊來實現無縫連接。⑤

物理建模，形成表達系統力學特性的物理模型，對幾何模型施加外力或外力矩、運動學約束、力元（內力）、驅動約束等物理模型要素。

數學建模，由物理模型組裝成系統運動方程中的拉格朗日坐標或笛卡爾坐標建模方法創建各系數矩陣，得到系統數學模型。

2.4 控制子系統的建模與求解

可以利用MATLAB建立控制模型。驅動執行機構的運動通常有開環方式和閉環方式兩種，開環方式是在驅動器與執行末端之間建立約束關聯，執行末端為反向運動學驅動；而閉環方式是以期望參考信號與傳感器探測的數據進行比較從而得到控制信號。連續――離散混合信號處理的運動控制模型就是采用閉環控制方式。

2.5 協同建模

控制實現的多學科協同與多體動力學的建模可以在ADAMS/ Controls 模塊中的與控制仿真軟件的接口上。它首先導出ADAMS動力學模型，然后導出動力學模型到控制仿真環境最后構建動力學一控制集成模型。

3 虛擬樣機的仿真實現

在建立共享的集成模型基礎上進行仿真運行，有基于MATLAB 和基于ADAMS 兩種解算方式：⑥

3.1 基于ADAMS的方式

求解線性或非線性的結果在在ADAMS 環境中虛擬樣機控制子模型的共享模型進行仿真運行。

3.2 基于MATLAB的方式

機械動力學解算通過在MATLAB 環境中植入的ADAMS 模塊控制運用解算控制仿真軟件求解器，它們通過S函數（S-function）或狀態空間（state -space）進行接口變量的聯系，在MATLAB/ Simulink 中觀察并輸出仿真曲線，同時，可以觀察到虛擬樣機的三維仿真運行動畫和生成仿真結果數據文件。

4 小結

虛擬樣機技術為機電一體化產品的設計提供了一個支持環境和新的方法，它與傳統的技術相比，縮短了研發周期、節約研發資本，實現資源共享、提高產品質量，因此它目前廣泛用于汽車制造、航空航天、機械工程、醫學等各個領域。

整個虛擬樣機技術的關鍵是虛擬樣機的仿真和實現，從單個領域的建模仿真到多個領域的協同仿真，從幾何建模到物理建模到數學建模到數值求解再到結果分析，這一系列的過程涉及到多個領域的關鍵技術。因此，要做好虛擬樣機技術，一方面要依賴于其本身技術的發展，另一方面則要求設計者本身具備過硬的專業技術知識以及配置完備的團隊。

參考文獻

① 李丹，李印川.虛擬樣機技術在制造業中的應用及研究現狀.機械，2008（6）總第35卷：2-3.

② 寧芊.機電一體化產品虛擬樣機協同建模與仿真技術研究.四川大學博士畢業論文，2006：21-22.

③ B.Jung，M.Latoschik， I. Wachsmuth： Knowledge- Based Assembly Simulation for Virtual Prototype Modeling. IECON'98- Proceedings of the 24th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society， Vol. 4， IEEE，1998：2152-2157.

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中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2016）51-0089-02

一、前言

隨著科技的快速發展，世界經濟已由原來的賣方市場轉化為買方市場。現代企業要在激烈的市場競爭中占有一席之地，必須解決TQCSE難題，即以快速交貨T（Time）、高質量Q（Quality）、低成本C（Cost）、優質服務S（Service）和保護環境E（Environment）來滿足不同客戶的需求，快速響應市場需求。

虛擬樣機技術是20世紀80年展起來的現代設計方法，是以虛擬樣機模型代替物理樣機，在計算機模擬物理樣機的運行。近年來，虛擬樣機技術飛速發展，現已成為機械專業方向研究生以上層次人才的必修課程。用戶可以利用ADAMS軟件或使用其他三維軟件建立虛擬樣機模型后，導入ADAMS軟件，通過添加各種約束、驅動或接觸力進行動態仿真，模擬物理樣機的運行。通過ADAMS強大的后處理功能生成各種曲線、動畫等，進而了解設計的復雜機械運動性能，為物理樣機的試制提供理論依據。在大學本科教學中開展ADAMS的教學工作，采用ADAMS多體動力學仿真軟件對機械原理中各種機構進行三維運動仿真后驗證機構設計的合理性，觀察主要機構的運動軌跡、運動速度、加速度等數據變化情況，可以使學生更好地理解機械原理、機械設計中的相關機構運動原理，在進行畢業設計時，能運用ADAMS軟件對其所設計的各種機構進行驗證，培養和提高學生的設計分析能力，為畢業后能盡快適應專業技術工作打下良好的基礎。

二、面向產業需求，開設專業導論課程

機械設計制造及其自動化專業是桂林理工大學機械工程與控制工程學院重點發展的優勢和核心專業。每年大學新生入學時，都需要進行專業導論課程教育。為了將一些現代設計方法及理論傳授給新生，面向裝備制造業的發展需求，教師在講授專業導論的相關內容時，會將歷年學生所做的優秀仿真作品進行動畫演示。為了進一步加深學生對虛擬樣機技術的理解，相關教師還會組織學生參觀桂林市內在虛擬仿真技術使用較多、較為成功的行業領頭企業，如桂林大宇客車有限公司、桂林橡膠機械廠等大型企業。企業工程師會結合行業特點，將一些典型案例采用虛擬仿真技術進行現場演示，極大地激發學生學習虛擬樣機的興趣，為后續課程的學習打下良好的專業基礎。

三、學習ADAMS動力學仿真軟件，貫穿專業課程教學過程

我校機械專業在專業基礎課的教學中，利用ADAMS軟件三維建模技術、形象的動畫展示功能以及強大的后處理功能，將機械原理課程中一些常用機構，如平面四桿機構、凸輪機構、齒輪機構的組成和運動情況進行動態仿真，彌補學生實踐經驗不足帶來的問題。此外，學生在學習過程中還可以了解到現代設計方法高效、快捷的特點，并從中感受到ADAMS軟件在機械系統設計中的魅力。以凸輪設計為例，教師講授凸輪廓線的傳統設計方法通常是圖解法和解析法。傳統的圖解法作圖過程煩瑣、精度不高；解析法雖能獲得很高精度，但須花費大量的時間與精力建立精確的數學模型及編制計算程序。顯然，上述兩種方法都存在難以實際操作的缺點，使得學生很難真正理解。通過ADAMS，則可以直接模擬凸輪的實際運動狀態，設計簡單、直觀，還可以使凸輪運動起來。通過ADAMS的強大的后處理功能，可測量出從動件的運動規律與給定運動規律的擬合程度，圖1是采用直接法設計凸輪的全過程。現代設計方法的引入，可讓學生體會到先進設計技術的優越性，提高學生的學習積極性。

四、利用ADAMS搭建虛擬仿真實驗平臺

為加深學生對枯燥無味的理論知識的理解，提高學生的工程實踐能力、動手能力和創新能力，實驗教學活動提供了一個真實直觀、可以動手操作的平臺。工程技術人員利用虛擬仿真技術，可以在虛擬環境中模擬真實的機器運行，觀測各構件的相互運動及受力情況，不斷調整設計方案后進行仿真試驗，對整個系統進行優化，直到獲得較為滿意的優化設計方案以后再投入人力和物力制造物理樣機，從而大幅降低新產品的開發費用，提高產品開發效率及縮短產品的研發生產周期。為了進一步提高學生學習ADAMS的積極性，如在大學生科技競賽、創新大賽、機器人大賽、學院組織的ADAMS大賽等一系列競賽活動中，在指導教師的指導下，在計算機上利用ADAMS動力學仿真軟件對機構的運動軌跡、速度變化規律、加速度變化規律及受力分析等做一個前期試驗，并在虛擬試驗的基礎上對整個系統進行優化后再加工出物理樣機進行相應的實驗。利用ADAMS強大的后處理功能，將實驗數據導入計算機中，與計算機仿真得到的結果進行對比分析，找出實驗數據、理論數值和仿真結果之間的差距，改進虛擬樣機模型或調整實驗方案，并對一些優秀作品給予物質獎勵。通過上述一系列活動，可加深學生對常用機械機構的構造和運動原理的掌握，提高分析問題和解決問題的能力。

五、熟練使用ADAMS仿真軟件，提高畢業設計質量

畢業設計是學生即將結束大學學習生涯的最后在校學習環節，是對大學四年所學的基礎知識、專業知識的一次全面檢驗。在畢業設計的過程中，學生將機械原理、機械設計、力學和數學等相關知識綜合運用于設計過程中，經過畢I設計的磨煉，他們的工程實踐能力、分析問題和解決問題的能力有了提高，學校的辦學水平和人才的培養能力也得到了提升。畢業設計是學生即將走上新工作崗位的一個重要過渡。為了進一步提高學生使用ADAMS軟件的能力，根據學生畢業設計課題選題實際情況，教師可在學生的畢業設計論文中增加ADAMS虛擬仿真分析技術，提升畢業論文的檔次。

W生在開始進行畢業設計的初期，可在指導教師的指導下查閱相關文獻，運用已掌握的相關專業知識，通過原理構思進行初步設計后，利用相關軟件建立一個粗略的虛擬樣機模型，利用ADAMS軟件對方案進行動態仿真，將機構的運動軌跡、速度（角速度）、加速度（角加速度）或機構運動過程中所受的力（力矩）與理論計算值進行比較，通過對仿真結果和理論值的比較，找出問題的癥結，對模型或理論分析進行修正，并再次進行仿真。之后，在仿真的基礎上，對各設計參數進行優化并確定最終方案，最后采用三維CAD軟件對模型進行進一步的細化，導出二維圖紙。通過這樣一個設計、仿真、分析的過程，較為真實地模擬了機械新產品開發的全過程，學生按照這個模式進行畢業設計，其設計能力和畢業設計質量可以有較大提高，為即將走上工作崗位打下良好基礎。

六、結束語

虛擬樣機技術在現代產品設計中不斷地體現了優越性。為提升學生的工程實踐能力和綜合素質，通過專業導論課程教育、創新大賽、專業學習和畢業設計等一系列活動，可將ADAMS仿真技術融入系列的教學活動中，讓學生在學習機械專業理論知識的同時，能熟練使用ADAMS軟件解決一些具體工程實際問題。并在畢業設計過程中使用ADAMS模擬機械新產品開發的全過程，使學生的設計能力和畢業設計質量有了較大提高，增強就業核心競爭力。

參考文獻：

[1]郭衛東.Adams的教學探索與實踐[J].計算機輔助工程，2013，5，22（增刊1）：439-444.

[2]劉曉敏，趙云偉.ADAMS軟件實踐教學方法研究[J].高教學刊，2015，（16）：165-167.

Application of ADAMS in Practice-Teaching Reform of Mechanical Professional

SHEN Zhong-hua1，2，CHEN Jing1，2

篇4

1、引言

機械產品全壽命設計是衡量產品設計水平先進與否的重要指標，現代設計過程迫切需要通過工程分析手段預測產品的結構可靠性。近年來研究人員試圖將虛擬設計思想更多地融人到復雜機械產品的結構可靠性設計中，借助工程分析軟件對計算機中虛擬的產品樣機進行應力分布、疲勞壽命和可靠性設計等，大大提高了可靠性設計水平。

利用國外先進有限元軟件豐富的試驗數據，應用項目組成員進行的42CrMo硬齒面齒輪的彎曲疲勞可靠性試驗及資料，提出該硬齒面齒輪的結構可靠性虛擬疲勞設計方法，由虛擬零部件疲勞工作的情況快捷地得到應力一壽命(S一N)曲線，推知其疲勞壽命大樣本，以供可靠性分析設計使用。

2、結構可靠性虛擬疲勞設計方法

2.1結構可靠性虛擬疲勞設計軟件

進行產品零部件結構可靠性虛擬疲勞設計首先需要構造產品虛擬樣機，目前國內外比較成熟實用的樣機幾何造型CAD軟件有AutoCAD， Pro/E等，同時還有可以進行各種系統仿真分析的多體運動學、動力學軟件ADAMS， SIMPACK等。

目前國際知名的通用有限元工程分析軟件大多可完成對產品結構進行應力分析、疲勞壽命測試及壽命概率分析的功能，目前見長的軟件有ANSYS，MSC/Fatigue， MSC/Nastran，考慮虛擬環境的CFX及FLUENT。近年來，樣機的運動、動力學及疲勞分析技術正處于逐漸深人和系統化階段，但有許多重要內容要填補，如虛擬環境的融入、幾何造型、動力學、疲勞分析技術的集成及開放式。

2.2疲勞壽命預測方法

多年來人們發展了各種疲勞壽命預測方法，其中名義應力壽命法(S-N法)、局部應變法(E-N法)與基于斷裂力學理論的疲勞裂紋擴展壽命方法，已成為三種經典的疲勞壽命預測方法。

(1)名義應力壽命法(S-N法)

名義應力壽命法通常稱為總壽命法。該方法用于構件總壽命的預測，是以材料或零部件的疲勞壽命曲線為基礎的。該方法可以考慮構件表面加工和表面處理對其疲勞壽命的影響，也可以考慮構件焊縫的疲勞壽命，適用于低應力高周疲勞問題。

(2)局部應變法(E-N法)

局部應變壽命法通常稱為裂紋萌生法。該方法用于預測構件的裂紋萌生壽命。它應用了材料的“記憶特性”，計人了名義應力無法計及的載荷循環順序的影響，使壽命估算結果更接近實際情況，適用于高應變低周疲勞問題。

(3)疲勞裂紋擴展壽命方法

基于斷裂力學理論的疲勞裂紋擴展壽命方法主要用于預測構件從裂紋產生到發生破壞的疲勞壽命。該方法結合模擬材料微觀結構變形的數值方法，是數值模擬斷裂的主要發展方向之一。

3、在硬齒面齒輪彎曲疲勞試驗中的應用

根據項目要求對42CrMo材質的硬齒面齒輪進行了彎曲疲勞可靠性全壽命試驗，試驗在機械部機械科學研究院英國產INSTRON1603型電磁諧振疲勞試驗機上進行。采用4級應力水平，即作4組不同應力的輪齒全壽命大樣本試驗，得到了硬齒面齒輪定壽命下的R-S-N曲線(見圖4中實線部分)。本文以此試驗為研究基礎，進行42CrMo硬齒面齒輪的結構可靠性虛擬疲勞設計和試驗，得到了虛擬試驗的各應力水平下疲勞壽命數據，即S-N曲線。

3.1三維幾何造型設計

三維CAD軟件為構造精準的零部件虛擬幾何造型設計打下軟件基礎。42CrMo硬齒面齒輪是斜齒圓柱齒輪按漸開線形成的，為從齒輪的造型機理開始就嚴格遵循漸開線齒面生成和加工機理，應用三維虛擬造型軟件MDI公司的ADAMS能在幾何形體上展成曲面和使曲面扭曲變形的功能，開發出以法平面標準漸開線齒形為基準的斜齒模擬加工過程。

3.2疲勞載荷譜分析

載荷譜是有限壽命設計的依據之一。因此，掌握載荷譜的變化規律是進行壽命設計的先決條件。通常，載荷譜是由現場數據采集并經數據處理與統計分析獲得。現場采集的載荷時間歷程具有很大的隨機性，并且因現場各種因素如開關信號、電磁干擾等影響，會造成原始信號記錄失真，出現偽信號。齒輪結構所承受的疲勞載荷，實際上是一連續的隨機過程，借助動力學分析軟件Adams平臺，可直接給出機械構件在整個裝置工作過程中的疲勞載荷譜F-t曲線(見圖2)，以此作為理論分析和結構可靠性虛擬疲勞設計的基礎。

3.3有限元分析軟件中的應力分析

建立一對輪齒的有限元模型并進行網格劃分，模型主要為六節點五面體單元，單元總數為63359個，節點總數為15213個。這樣有利于單元自動生成，有利于提高計算精度。有限元計算中，齒輪材料的彈性模量為4. 6 x 107MPa，波松比為0.3。

由有限元法(FEM)分析計算出隨機動載荷譜下輪齒在嚙合過程中最大動應力齒輪的位置、數值及周期。

3.4基于斷裂力學的疲勞裂紋壽命預測

斷裂力學是在承認裂紋存在的前提下進行疲勞強度計算(即微裂紋形成忽略)，失效判據是裂紋擴展到臨界尺寸時發生疲勞斷裂，應力強度因子幅度可用以下關系表示

對裂紋半長a的積分求出裂紋擴展的應力循環次數，即疲勞壽命。計算N時，應力強度因子幅}k、裂紋初始半長a1、裂紋半長極限值a2由式(1)計出。其中:c為與材料有關的系數，a為幾何效應因子，山為復應力變化范圍。

3.5虛擬試驗結果分析

以實作齒輪試驗的4級應力水平作虛擬疲勞試驗，求得各應力水平下的疲勞壽命數據，這樣可用最小二乘法得出待試驗材料齒輪的S一N曲線。

圖4虛線部分為42CrMo材料齒輪采用上述虛擬技術所作的S一N曲線，試驗中取5個壽命水平N= 0.5 x 1護，1.0 x 1護，1.5 x 1護，2.0 x 1護，2.5 x 1護的應力分布。與圖4中實線部分的實作齒輪試驗S一N曲線對比可知，虛擬試驗得到的S一N曲線與實際齒輪高可靠度下的S一N曲線比較接近，有一定的參考價值。

4、結語

篇5

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2013）12-0104-01

隨著技術的進步，作為機械設計制造的仿真模擬技術得到了快速的發展，并且廣泛應用于實際當中。計算機仿真技術是以多種學科理論為指導，利用相應的軟件為工具，通過虛擬試驗的方法來解決問題的技術。隨著工程機械產品競爭日益激烈。為了提高產品質量、性能，降低開發成本。在這種需求下，以仿真技術為代表的技術成為工程領域一種現代化設計手段。運用仿真設計，建立系統的數學模型，從實際對象的物理模型出發。設置不同的激勵信號，利用相應曲線，即可對系統進行辨識。可以在產品設計設計和評估產品的性能方面，降低開發風險，縮短開發周期，提高產品性能。工程中的技術問題首先是要仿真技術在各個領域得到了廣泛的應用。

1 計算機仿真的實現

對于需要研究的對象，計算機一般是不能直接認知和處理的，這就要求為之建立一個既能反映所研究對象的實質，又易于被計算機處理的數學模型。數學模型將研究對象的實質抽象出來，計算機再來處理這些經過抽象的數學模型，并通過輸出這些模型的相關數據來展現研究對象的特質，當然，這種展現可以是三維立體的。由于三維顯示更加清晰直觀，已為越來越多的研究者所采用。通過對這些輸出量的分析，就可以更加清楚的認識研究對象。模型是進行計算機仿真的核心。系統的數學模型根據時間關系可劃分為靜態模型、連續時間動態模型、離散時間動態模型和混合時間動態模型；根據系統的狀態描述和變化方式可劃分為連續變量系統模型和離散事件系統模型。通過這個關系還可以看出，數學建模的精準程度是決定計算機仿真精度的最關鍵因素。從模型這個角度出發，可以將計算機仿真的實現分為三個大的步驟：模型的建立、模型的轉換和模型的仿真實驗。所謂模型的轉換，即是計算機語言轉換成能夠處理的形式，“仿真模型”是新的系統，利用已有的仿真軟件，如鑄造過程就常用ADSMS軟件來進行仿真。將仿真模型載入計算機進行使用。

2 計算機仿真在機械行業的應用

2.1 仿真技術

仿真技術是綜合多學科的技術，以機械系統運動學和控制理論為核心，運用成熟的計算機圖形技術將部件集成在一起，建立機械系研究的問題，根據仿真所要達到的目的抽象出一個確定的系統，結合系統的邊界條件和約束條件，利用各種相關學科的知識，把所抽象出來的系統用數學的表達式描述出來，描述的內容，傳統的仿真就是針對單個子系統的仿真，而仿真技術則是強調整體的優化，它通虛擬環境的耦合，對產品設計方案進行評估，并不斷改進設計方案，直到獲得最優化的效果，所以子系統之間的協同求解，應該快速地建立控制系統、液壓系統、氣動系統等虛擬樣機。的運用目前市場上一批成熟的分析軟件有ANSYS、PATRAN等。運動學和動力學仿真軟件可采用ADAMS軟件。控制系統仿真軟件可采用MATLAB軟件。通過三維模型和運動學、動力學仿真軟件ADAMS中進行分析，對控制方案進行仿真。使產品設計可擺脫對物理樣機的依賴，給企業帶來高的經濟效益，高效的研發手段促使產品開發風險降低，提高生產效率，通過虛擬樣機找到組織生產，使產品制造和市場競爭方面更具靈活性，同時克服企業資源的局限性，將具有開發產品技術組成一個臨時的企業聯盟。仿真技術必將成為工程機械領域產品研發的主流。

2.2 機械加工仿真

機械加工過程，是利用計算機仿真，有助于發現其機理，為提高機械性能。在機械的磨削方面，采用時間變化的描述磨削過程的各個數學模型，通過優化和虛擬磨削創造了必要的前提，在銑削方面，建立多齒端銑切削過程動力學模型，開發切削振動仿真的微機通用軟件，得出了端銑切削振動的原理和條件。電火花加工的工藝仿真系統，實現了加工參數的優化。建立了連續擠壓的計算機仿真模型，通過模擬連續擠壓全過程的應力場、應變場和溫度場。

2.3 機構運動仿真

了解了機構需要設定的運動副情況后，進行運動仿真。新建一個運動學仿真，創建連桿，根據各部件相互運動方式需建立7個連桿，對模型的材料特性進行加載，定位每個運動副的時間函數，在一個周期內完成所有的運動。向機構添加一定的外載荷，使整個機構工作在真實的工程狀態下，機構的兩連桿之間，模擬兩個零件之間的彈性連接。根據運動驅動的形式，取料機械手采用恒定轉速驅動，采用恒轉速調速，要求必須設定運動時間和解算步數，機構做運動仿真分析時，需要詳細記錄整個仿真零件的位移距離，適當縮短機械加工產品開發周期，對于提高產品質量和性能具有積極的作用。

參考文獻

[1]曾芬芳.虛擬現實技術.上海：上海交通大學出版社，1997.

[2]姜虹，朱文海等.結構與控制系統協同并行設計技術研究.美國MDI公司2001年ADAMS中國用戶年會會議論文.

篇6

中圖分類號：U415.52+1 文獻標識碼：A 文章編號：

根據對目前壓實度檢測系統的研究，要實現振動壓路機對壓實度的實時檢測技術一般需要利用壓路機振動輪的某一動態響應值來間接反映路基壓實度的變化。此次仿真研究的目的就是利用虛擬樣機技術模擬垂直振動壓路機的振動壓實試驗，測量振動輪在碾壓代表不同壓實度路基模型時的垂直振動加速度幅值，為建立路基壓實度和振動輪加速度幅值之間的對應關系提供數據支持。

1 垂直振動壓實技術的特點

（1）垂直振動壓路機的振動輪在激振機構的帶動下產生的垂直方向上的定向振動，對被壓實材料不會產生水平方向上的干擾力。垂直振動壓路機施工過程中不會在振動輪的行駛方向上產出擁土，道路的表面沒有松散層和裂紋出現，因此避免了傳統振動壓實之后還需要使用靜碾壓路機進行碾壓的施工環節，施工效率在同等條件下提高了 3 倍。

（2）垂直振動壓實之后，得到的鋪層材料壓實度均勻，質量穩定，密封性好。垂直振動還能夠確保瀝青和骨料混合物具有更好的均勻性和良好的道路表面粗糙度。

（3）垂直振動壓路機適用于各種壓實材料及工況，廣泛應用于砂土、土石填方、瀝青混合料以及水泥混凝土的混合料，其作業時的擊實能量沿道路的表面垂直向下傳遞，具有很小的道路表面波動，因此施工過程中對周圍的環境影響較小，具有一定的環保意義。

2垂直振動壓實仿真的理論分析

垂直振動壓路機壓實路基數學模型的建立是基于以下假設的：

（1）振動壓路機的減振系統和隨振的壓實材料被認為是彈簧—阻尼單元，而且彈簧--阻尼認為是沒有質量的；

（2）假設垂直振動壓路機的振動輪和所有相關的機架均為剛性體，而且將它們看成是具有一定質量的集中質量塊；

垂直振動壓路機在高頻低幅或者低頻高幅下進行工作時，其它機械參數是不變的，只有路基材料的結構和物理性質發生變化，從振動輪垂直振動加速度的推導結果也可以看出壓路機在工作時振動輪的垂直加速度和代表壓實材料的剛度和阻尼有關。

振動輪在壓實過程中的動力學響應與被壓實材料的壓實度有著緊密的聯系，振動輪在垂直方向的振動加速度響應和壓實材料的剛度正相關，與阻尼負相關。隨著壓實度的增加，代表壓實材料的剛度增大，阻尼減小，因此垂直振動壓路機振動輪的垂直振動加速度和壓實度是正相關的，而且這種規律具有普遍性不因為被壓實材料的改變而不同。因此，在ADAMS 利用虛擬樣機模擬振動壓實試驗，以測量振動輪垂直振動加速度的基頻幅值來反映壓實材料的壓實度是可行的。

3垂直振動壓路機的壓實仿真模擬

在垂直振動壓路機的施工過程中，壓實材料的物理特性是不斷變化的，而在仿真環境下壓實材料的這種變化是通過材料本構模型物理參數的改變來描述的。振動壓實系統動力學模型中的剛度和阻尼只是壓實材料的模擬參數，其數值是大都是通過經驗來確定，不能通過土工試驗來測定，在描述壓實材料的物理性能上存在很多的不足。而在 ANSYS 中以本構模型為理論基礎建立起的路基仿真模型更接近于路基真實的物理性能。

通過改變路基材料在不同壓實度下本構模型中物理參數的值建立起同種路基材料的不同仿真模型，構成多組振動壓實仿真模型模擬實際的振動壓實試驗。每一組模型完成一次仿真之后即可獲得在不同壓實度下的振動輪垂直振動加速度，通過幅頻變換得到其在基頻下的加速度幅值。垂直振動壓路機的虛擬樣機工作參數為振幅 2mm，激振頻率為 29Hz，行走速度為 3km/s。某路基材料不同壓實度下本構模型的基本物理參數如表 1 所示。

表1 路基材料的基本物理參數

利用 ADAMS/View 的后處理模塊采集垂直振動壓路機的虛擬樣機在碾壓壓實度為67%的路基模型時振動輪的垂直振動加速度信號波形如圖 1~圖 2 所示。

圖 1 碾壓壓實度為 67%的路基模型時振動輪垂直振動加速度信號

圖 2振動輪垂直振動加速度信號的頻譜圖

從振動輪加速度信號的波形圖可以看出：隨著路基模型壓實度的不斷增加，振動輪的垂直振動加速度信號的幅值也在不斷增大，這與理論分析和相關文獻的論述是相符合的；從圖 5-8 振動輪垂直振動加速度信號的頻譜圖可知讀取振動輪振動的基頻為 29Hz，這與振動輪的激振頻率是一致的，說明 ADAMS/View的后處理模塊能對虛擬振動壓實的振動信號進行準確的采集，所建立的仿真系統也是可行的，采集的仿真數據具有一定的研究價值。

4 垂直振動壓路機的路基壓實狀態分析

垂直振動壓路機在代表不同壓實度的路基模型上進行振動碾壓時其振動輪將會有不同垂直振動加速度響應。表2為垂直振動壓路機虛擬樣機在碾壓不同壓實度路基模型時獲取的振動輪垂直振動加速度信號在基頻下的響應幅值。利用基頻下振動輪垂直振動加速度的幅值對路基模型的壓實度進行標定50，從而實現利用振動輪的動態響應來反推路基壓實度的目的。

表2 不同壓實度下振動輪垂直振動加速度的幅值

圖6 為振動輪的垂直振動加速度和路基壓實度之間的對應關系，振動輪垂直振動加速度在基頻下的幅值和路基壓實度之間通過數據擬合建立起的線性關系式為：

Y=2.617x-65.821；R2=0.9731 （1）

式中：y—路基壓實度；x—振動輪垂直振動加速度幅值；R—相關系數。

這種檢測方法實現了對路基壓實度更全面的檢測，能夠更好的控制施工質量，隨時發現被壓實路段存在的缺陷，避免了人工檢測工作量大和測點不足容易出現漏檢的問題。

5結束語

論文實現了垂直振動壓路機壓實路基的仿真過程，測得了振動壓路機的振動輪在碾壓不同壓實度的路基模型時在垂直方向上的振動加速度，并根據數學模型計算的結論建立起了振動輪垂直振動加速度和路基模型壓實度之間的線性關系式，為建立振動輪動態響應和路基壓實度之間的關系提供了一種仿真方法。

參考文獻

篇7

中圖分類號：TD421.2 文獻標識碼：C

Abstract： The paper analyzes various design and research literature on hydraulic rock drills in China， enumerates major arguments in some related papers， points out the imperative problems， and puts forward academic and policy-related advice on the R&D of the hydraulic rock drills industry in China.

Keywords： hydraulic； rock drill； design & research； opinion

1 我國液壓鑿巖機設計研究歷史回顧

我國液壓鑿巖機的研制起步非常早，距今已近50年。我國液壓鑿巖機技術研究也很早，二十世紀七十年代，我國長沙礦冶研究院等就翻譯了大量國外液壓鑿巖機專利和論文，七十年代后期，我國作者撰寫了大量液壓鑿巖機的技術論文，直到現在，關于液壓鑿巖機的論文與專利仍然不斷出現在各類期刊與網絡上。

我國液壓鑿巖機設計研究方面的論文，有博士論文，碩士論文，學士論文，有期刊論文，也有網絡論文，在整個液壓鑿巖機技術論文中，占據了很大一部分。

估計有20個高等學校（其中包括3所師范大學）和近10個研究院所的作者發表過液壓鑿巖機技術論文，其中大部分是關于液壓鑿巖機設計研究方面的論文。專利文獻更是與液壓鑿巖機結構設計有關。可見，液壓鑿巖機設計研究在我國并非冷門。

我國液壓鑿巖機的技術論文與設計研究論文大量產出。與此形成鮮明對比，我國液壓鑿巖機產品發展很緩慢，獨立開發的產品，很少能在市場站住腳。

2 我國液壓鑿巖機文獻的分類

2.1 研究型論文

2.1.1 設計計算型論文

此類論文數量多。

設計計算型論文包括了仿真計算，優化設計，活塞間隙優化設計，蓄能器設計優化，換向閥設計優化，活塞緩沖設計，釬尾緩沖設計，沖擊頻率調節方法等等。

博士、碩士、學士的論文幾乎全部屬于此類。高校與研究院所作者的論文大都屬于此類。此類論文數量多。

2.1.2 實驗研究型論文

實驗研究型論文包括實驗方法介紹，實驗設備和儀器介紹，實驗項目介紹，測試結果與測試曲線分析，誤差分析等等。

此類論文中介紹實驗原理與實驗方法的較多。專門介紹液壓鑿巖機測試結果與曲線，并且進行分析的論文較少，大多散見于設計計算論文中，作為計算正確性的證明。

高校與研究院所作者有些論文屬于此類，此類論文數量不多。

2.1.3 材料熱處理研究型論文

材料熱處理研究型論文包括活塞、釬尾的選材與熱處理，銅套的選材等等。關于活塞、釬尾的選材與熱處理的論文較多，關于其他零件的論文數量少。

2.1.4 加工工藝型論文

加工工藝型論文包括鑿巖機主要零件的機加工的設備，工裝夾具，量具與測量方法，工序與工藝步驟，怎樣保證尺寸精度與位置精度，等等，大概是技術保密的原因，此類論文數量極少。

2.2 綜述型論文

2.2.1 產品品種型號綜述型論文

產品品種型號綜述型論文包括當時國內外液壓鑿巖機產品的廠家，系列，型號，主要性能參數等等。

此類論文數量較多，但大多是介紹阿特拉斯、山特維克公司的液壓鑿巖機產品，介紹國內產品的較少。

2.2.2 產品歷史發展綜述型論文

產品歷史發展綜述型論文包括介紹國內外液壓鑿巖機歷史發展，產品型號推出的年代，市場情況等等， 此類論文數量不多，但大多是介紹蒙特貝塔、阿特拉斯、山特維克公司的液壓鑿巖機產品歷史，介紹國內產品歷史的較少。

2.2.3 產品技術綜述型論文

產品技術綜述型論文包括液壓鑿巖機結構類型，技術進展，等等。此類論文數量少而且內容重復較多。

2.2.4 產品市場調研分析指導型論文

產品市場調研分析指導型論文包括當時國內使用的液壓鑿巖機產品的主要型號，市場保有量，年銷售量與銷售額，備件銷售量與銷售額，市場的細分，將來市場的趨勢預測，市場對液壓鑿巖機的性能與技術要求。

此類論文很重要，對于國家的產業政策和企業的產品規劃指導意義很大。

此類論文數量極少，幾乎沒有，倒是在網絡上各種市場調查公司的廣告不少，只提供提綱，具體內容要付費才能提供。

由于我國缺乏市場液壓鑿巖機產品銷售數據統計，要寫出高可信度的此類論文，必然要花費巨大的人力財力，只靠個人或一個單位的力量難以完成，最好有行業組織與行政力量的參與。

2.3 使用維修型論文

2.3.1 產品使用方法型論文

產品操作方法型論文包括鑿巖機沖擊壓力，旋轉壓力，推進壓力的優化匹配，鉆頭直徑與旋轉速度的匹配，操作方法等等。

此類論文數量不多，有北京科技大學高瀾慶教授等的論文“液壓鑿巖機主要工作參數對鑿巖速度影響的試驗研究”，有廣東省水利水電第二工程局梁明華論文“液壓鑿巖機旋轉速度與鑿孔直徑的關系” [1]，是鑿巖機使用實踐總結，指導意義更大。

2.3.1 產品維修與故障分析型論文

產品維修與故障分析型論文多數為水電工程局、鐵路隧道工程局的技術人員所寫。此類論文來源于生產實踐，言之有物，參考價值很大，數量不多，列舉如下：

煤科總院北京建井所黃園月、李耀武、郭孝先“液壓鑿巖機的故障分析與防治”；

廣東省水利水電第二工程局何雄彬“HDl35A和COPl238ME型液壓鑿巖機工作原理及常見故障處理” [2]；

廣東水電二局股份有限公司李同明“阿特拉斯ROCD7鉆機使用中易出現的問題與改進” [3]；

李強“Atlas 1838型鑿巖機六種常見故障的排除”[4]；

張兆欽“COP1238鑿巖機技術特點及使用維護” [5]；

田華軍“HL500型液壓鑿巖機的日常維護保養” [6]。

2.4 產品介紹型論文

2.4.1 產品性能介紹型論文

產品性能介紹型論文多為介紹阿特拉斯、山特維克公司產品的論文，也有少量介紹國內海卓公司產品，樂清采礦機械廠的液壓鑿巖機產品的論文。

2.4.2 市場應用報道型論文

國外作者關于液壓鑿巖機市場應用報道型論文很多，國內此類論文數量很少，有少量關于YYT26支腿式液壓鑿巖機工程案例，使用成本效益分析的報道。

2.5 專利文獻

最近的十幾年關于鑿巖機械的專利有六十多件，大都是液壓鑿巖機械的結構設計方面的專利。尚未見到有重大影響，或產生效益的專利。

3 我國液壓鑿巖機技術研究的不足

3.1 鑿巖機文獻的五多五少現象

通過對我國液壓鑿巖機文獻的分析，我們發現有五多五少現象。

（1） 設計論文多，實驗與工藝論文少；

（2） 研究論文多，使用維修論文少；

（3） 性能介紹型論文多，市場應用報道型論文少；

（4） 歷史發展綜述論文多，市場調研分析指導型論文少；

（5） 專利多，影響小。

3.2 缺少學術交流討論

我國大概有20多年沒有開過全國性液壓鑿巖機技術方面的交流會或研討會。

我們眾多的論文作者，都是在自說自話，沒有交流，沒有討論，更沒有爭論。論文提出的論點，基本沒有人跟進，進行理論與實踐兩個方面的證明或證偽，或補充，只是不加評價的引用。

我懷疑，很少有人認真閱讀這眾多的論文，如果不是博士生，碩士生，大學生因為做畢業論文的需要，閱讀的人就更少了。我國關于液壓鑿巖機論文的影響力實在有限。

3.3 設計理論研究與產品生產脫節

我國大概可稱得上液壓鑿巖機設計研究論文數量大國，但是我國自行開發的液壓鑿巖機產品多數從市場上消失，現在還能在市場上站住腳，有一定銷售量的產品，多數為1980年代技術引進的產品。這種情況至少說明我們的設計研究和產品生產是脫節的，或者說明我們的設計理論還不成熟，還要不斷改進。

4 我國液壓鑿巖機設計理論的主要論點

4.1 關于鑿巖機沖擊機構設計理論

4.1.1 三段法理論

認為活塞往復運動一個周期是由活塞回程加速、回程減速、沖程加速三個階段組成的。4.1.2 設計變量理論

將一個無量綱數稱為設計變量，這個無量綱數可以是：

（1） 沖程時間與活塞運動周期之比；

（2） 活塞回程加速度與沖程加速度之比；

（3） 活塞行程與可能最大行程之比；

（4） 活塞后腔受壓面積與前腔受壓面積之比，很明顯，第四個無量綱數最直觀，最易檢驗。

4.1.3 優化設計理論

根據以下5個設計目標，求得一個最佳設計變量。

（1） 蓄能器容積變化的最大值最小；

（2） 蓄能器隔膜震動次數最小；

（3） 能量利用效率最高；

（4） 沖程時，最大瞬時流量最小；

（5） 回程時，最大瞬時流量最小。

4.2 關于換向閥設計理論

4.2.1 換向閥中位正開口理論

換向閥在中位時，換向閥的高壓窗口與低壓窗口都有微小開啟，叫正開口。認為正開口有益于沖擊機構性能改善。主張應該采用正開口。

4.2.2 換向閥最優行程理論

換向閥行程的選取受到閥口通流面積，換向時間與閥耗油量三重制約，存在一個優化點。

4.3 關于蓄能器設計理論

4.3.1 高壓蓄能器與活塞運動的最佳耦合理論

蓄能器的蓄油與排油量不僅與蓄能器的容積有關，而且與系統的工作頻率有關，如果蓄能器固有頻率選擇不合適，即使加大蓄能器容積，也不能增大蓄能器的蓄油與排油量。

在蓄能器結構參數固定，鑿巖機進油壓力確定的情況下，可以改變蓄能器充氣壓力來改變諧振頻率，使得系統處于最佳工作狀態。

這個理論是極有理論研究價值與學術價值的，是一個動態的理論，是北京科技大學首先進行研究的，可惜無人跟進，這方面的論文太少。

4.3.2 蓄能器一次振動理論

在活塞運動一個周期內，蓄能器隔膜只有一次振動。這個理論已經包含在第4.1.2小節的優化設計理論中了，這是一個靜態的理論。

4.4 關于信號孔位置

4.4.1 活塞回程換向信號孔位置的計算

這個理論是由北京科技大學與中南大學提出的，這是極其重要的計算，缺了這個計算公式，無法進行鑿巖機的圖紙設計。

4.4.2 活塞沖程換向信號孔位置的確定

這個理論是由北京科技大學與中南大學提出的，這也是極其重要的計算。既不能換向太早，使得撞擊釬尾時，活塞已經被減速，也不能換向太晚，造成活塞二次打擊釬尾。

4.5 釬尾反彈緩沖動力計算

研究這個理論的有浙江大學張新等人，廣東工業大學機電工程學院劉智等人，中南大學機電工程學院趙宏強等人，楊國平等人，難能可貴的是，張新做了實驗研究，有實驗曲線圖。

4.6 其他理論

（1）活塞密封間隙與長度優化理論；

（2） 活塞空打緩沖結構計算；

（3） 沖擊頻率無級調節自動換擋理論。

以上3種理論均有，就不一一論述了。

5 我國液壓鑿巖機設計研究亟待解決的問題

5.1 換向閥的結構尺寸問題

（1） 換向閥中位負開口的優缺點分析；

（2） 最優負開口量的計算與實驗驗證；

（3） 換向閥最優行程理論與實驗驗證。

5.2 活塞與缸體結構尺寸問題

（1） 活塞前后腔面積的確定及優化；

（2） 活塞回程換向信號孔位置的確定；

（3） 最優沖程換向信號孔位置計算與實驗驗證。

5.3 蓄能器與活塞運動的最佳耦合理論

研究蓄能器隔膜的動態頻率響應，蓄能器最佳充氣壓力的計算。

5.4 釬尾反彈緩沖系統動力計算與實驗驗證

不但研究緩沖機構本身，進行靜力學計算，更要研究釬尾反彈緩沖系統的動態響應，將緩沖機構，釬具與緩沖液壓油路作為一個系統，研究緩沖活塞的頻率響應，緩沖液壓系統是否能有效吸收釬尾反彈的能量，又是否能迅速將釬頭重新抵緊巖石。

5.5 鑿巖機反打系統動力計算

既要研究反打機構本身，進行靜力學計算。更要將反打機構與反打液壓油路作為一個系統，研究反打活塞的位移，運動速度與沖擊能量。

5.6 零件的氣蝕與腐蝕問題

（1）活塞前后腔氣蝕問題的計算與解決方法；

（2）鑿巖機殼體聯接平面點蝕的原因與預防。

6 我國液壓鑿巖機設計研究的學術建議

6.1 反求法

對國外高端液壓鑿巖機結構尺寸的分析，用反求法研究鑿巖機沖擊機構的設計計算公式與方法。反求法基本屬于歸納法，反求法需要統計多臺高端液壓鑿巖機的結構尺寸，統計數據越多，代數計算公式越接近實際，設計指導作用越大。這方面的工作似乎還沒有人去做。

6.2 驗證法

將我們國內的設計理論，如用最佳設計變量理論，換向閥最優行程理論，蓄能器設計理論，分析國外高端液壓鑿巖機的結構尺寸、充氣壓力等參數，檢驗是否符合我們的理論。如果大致符合，則驗證了我們理論的正確性，如果相差很大，則要尋找原因。

6.3 代數計算公式研究

6.3.1 液壓鑿巖機設計研究方法的分類

理論分析與公式計算，實驗研究，計算機數值仿真是鑿巖機設計研究的三駕馬車。

三段法，最佳設計變量等屬于理論分析計算。

理論分析與公式計算是鑿巖機設計研究的基礎，是實驗研究與數值計算的的基礎與指導。

6.3.2 液壓鑿巖機代數設計計算公式的建立

公式計算必須將鑿巖機的物理（實際）模型簡化為力學模型，再進一步簡化為數學模型，再簡化為代數公式。簡化必須是合理的，不能與力學模型有大的矛盾和沖突。

在不斷的簡化中，必然有失真，這時就要用經驗系數去校正。這方面我們還有許多工作要做，對每一結構類型的鑿巖機，都可以研究出一套基本通用的計算公式。

6.3.3 液壓鑿巖機代數設計計算公式的輸入輸出

代數公式計算輸入的是沖擊能，沖擊頻率，沖擊末速度，進油壓力， 輸出的是活塞質量，活塞前后受壓面積，活塞行程，信號孔位置，閥的結構尺寸，閥行程，開口量，鑿巖機進油流量等等。

6.4 強化實驗研究

6.4.1 液壓鑿巖機實驗的分類

在理論分析指導下的實驗研究是必不可少的，我們的力學模型，數學模型是否正確，簡化是否合理，都需要實驗驗證。數值仿真計算就更需要實驗驗證了。

這里所說的實驗主要是鑿巖機內部機理實驗，也可是型式實驗，而不是出廠實驗。

6.4.2 液壓鑿巖機實驗的規范

實驗的各種條件，包括樣機，液壓系統，測量方法，儀器儀表，都應該是明確的，實驗的結果應該是真實的，可重復的，重復實驗的誤差應該進行分析。實驗的時間、地點與參加人應該注明。

6.5 數值計算研究

6.5.1 數值計算的定義

數值計算就是虛擬樣機技術，因此數學模型要盡可能逼近力學模型與物理模型，數值計算需要輸入的數據很多，需要詳細的鑿巖機圖紙數據，否則不能稱之為虛擬樣機。

數值計算又叫動態仿真，我國在數值計算方面的論文太多了。有基于AMESim的仿真，基于Simulink的動態仿真，基于MATLAB的計算機仿真，準勻加速度法仿真計算，鍵合圖方法仿真，等等。

6.5.2 液壓鑿巖機數值計算輸入輸出的基本要求

沖擊機構數值計算中，進油流量必須是輸入值，而壓力是輸出值。

數值計算輸出結果不能僅僅是沖擊能，沖擊頻率等，必須能輸出活塞運動速度、位移，換向閥的速度、位移，活塞前后腔壓力的曲線。并且能夠描述出液壓油的空化與氣蝕現象。

數值計算的結果曲線應該用實驗曲線驗證，未經實驗驗證的仿真計算是不可信的。

數值計算的結果應該是真實的，不能弄虛作假，其他人也可以重復運行程序。

6.5.3 液壓鑿巖機數值計算程序的基本要求

數值計算的程序應該模塊化，數值計算需要花費大量的精力與時間，不是一個人短時間能夠完成的，因此數值計算的程序應該模塊化，可以由一組人員分工，進行編寫。

數值計算程序應該界面友好，參數的改變，應在界面中進行，而不應在程序中進行。

數值計算的模型與程序應該是持續改進的，和所有的計算機軟件一樣，應該有版本號。液壓鑿巖機數值計算程序應該通用工具化，不要搞成專用工具。不能只有作者自己用，換一個人就不能用。

6.5.3 液壓鑿巖機數值計算程序的難點

虛擬樣機技術是一項浩繁的工程，但是并不是遙不可及。內燃機的燃燒過程，牽涉到化學，燃燒學，熱學，力學，都可以做到數值仿真，并且在發動機設計中起到重要作用。沖擊機構的數值仿真也一定能做到，但是這要求有一個精干的團隊和一個好的實驗條件。

數值計算程序都是針對某一個特定的圖紙的，因此通用性較差。不要指望適合于單腔回油的鑿巖機，也能適合非單腔回油的鑿巖機。也不要指望適合于芯閥結構的鑿巖機，也能適合套閥結構的鑿巖機。這也是數值計算應用的一個難點。我們至少應該做到，對某一相同結構類型的液壓鑿巖機，具有通用性。

7 我國液壓鑿巖機設計研究的政策建議

7.1 以企業為主體，產學研結合

過去幾十年，我國液壓鑿巖機設計研究是以高校和研究所為主體的，和企業產品開發聯系較少。事實證明，我國液壓鑿巖機設計研究進步不大，只有以有實力的大企業為主體，廠學研結合，學校與研究所自己不搞產品生產，只為社會和企業提供知識與技術，各自發揮自己的優勢，才是我國液壓鑿巖機技術與產品的發展道路。

7.2 以行業協會為主體，組織技術交流

與鑿巖機的生產、使用有關的行業有鑿巖機械氣動工具、煤炭、礦山、鐵路、水電、冶金等等，在1980年代，礦山機械行業組織過液壓鑿巖機技術交流會， 1990年代初期， 煤炭建井行業組織過液壓鑿巖機技術交流會。

8 結語

（1）對我國液壓鑿巖機研究文獻進行了分類，5大類，13個小類；

（2）分析了我國液壓鑿巖機技術研究的不足，3個方面的不足；

（3）列舉了我國液壓鑿巖機設計理論的主要觀點，6大類，13個觀點；

（4）列舉了我國液壓鑿巖機設計中亟待解決的5大類共11個問題；

（5）提出了我國液壓鑿巖機設計研究的5條學術建議；

（6）提出了我國液壓鑿巖機設計研究的2條政策建議。

參考文獻：

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[3] 李同明.阿特拉斯ROCD7鉆機使用中易出現的問題與改進[J].四川水利，2004（3）.

篇8

隨著礦山設備的發展，礦用車輛輪胎機械手也不斷更新發展，逐漸向大型化，自動化方向發展，這給輪胎機械手的設計帶來了諸多的挑戰和難題。設計一種能夠代替人力，操作簡單，安全實用，適用于大型輪胎拆裝、搬運需求的設備成為當務之急。這有利于提高生產效率，降低勞動強度，保證作用安全。研究表明85%的輪胎機械手的破壞發生在連桿機構，這種破壞主要是連桿機構在動態載荷下發生的疲勞失效或者應力屈服破壞。為了解決輪胎機械手連桿機構的破壞難題，本文將對該連桿機構進行動態應力仿真，考場連桿機構在動態載荷的作用下連桿所發生的變化，并提出連桿機構的優化設計方案。

1、輪胎機械手發展狀況

國外的輪胎機械手的發展已經十分成熟。第一臺輪胎機械手由美國佩蒂伯恩公司生產的Super 20型輪胎夾裝機，該機械手具備更換運輸卡車和重型設備輪胎的作用，還可以當做叉車使用；該設備顯著的特點是高效，大量減少勞動量。改型輪胎機械手主要由以下幾個部分組成：前伸式夾持裝置，四輪驅動裝置，四輪空氣制動裝置和一臺GM型柴油機組成。該裝置的最大夾持承載能力在伸出時為4309kg，縮回時為6804kg，夾持裝置能夠向兩側轉動45°，叉架能夠左右移動127mm，以準確完成輪胎的定位。此裝置能夠平穩的夾起輪胎，并將輪胎準確的定位在輪轂螺栓上。

同國外相比，國內輪胎機械手發展起步比較晚，還處于生產小型輪胎拆裝機階段，對于大型輪胎拆裝設備的研發還很少。廣西柳工集團生產的ZL40B型裝載機，使用規格為20.5-25的輪胎，充氣后質量為0.4t，最大直徑為1.55m。該型裝載機的工作機構可以完成動臂的提升和鏟斗的旋轉動作。拆下鏟斗，在動臂斗銷的位置上安裝水平放置的兩只夾持臂。兩只夾持臂由液壓缸提供動力，可以實現張開和閉合動作。這樣，裝載機自身動臂的提升、鏟斗的旋轉外加夾持臂的開合動作就可以滿足輪胎拆裝的需求，具有操作方便、結構簡單、安全可靠等優點。

2、ADMAS軟件的介紹

ADAMS，即機械系統動力學自動分析(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems)，該軟件是美國MDI公司(Mechanical Dynamics Inc.)開發的虛擬樣機分析軟件。目前，ADAMS己經被全世界各行各業的數百家主要制造商采用。ADAMS軟件使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格郎日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。

3、輪胎機械手結構組成

輪胎機械手的主要功能是實現礦山大型車輛輪胎的拆裝和搬運。動力源為液壓缸，并要求液壓動力在適當的荷載下運作，才能使液壓工作件高效、平穩、準確的完成液壓元件的各項操作動作；而且液壓動力源的各項操作可以通過電液伺服控制技術使提高該系統的自動化控制水平。輪胎機械手可以安裝在裝載機或叉車上，利用裝載機和叉車可以將物體舉高的現有動作實現垂直地面方向的移動，輪胎機械手自身可以完成對輪胎的夾持、水平移動和兩個方向的翻轉動作以滿足大型輪胎的拆裝和搬運過程中所需的各種動作。輪胎機械手執行機構大致由手盤、手臂、轉動架、平動架和固定板組成。

4、輪胎機械手工作原理

輪胎機械手的執行是通過手臂上的兩支液壓缸的伸縮，產生一定的夾緊力同時對兩支手臂同步完成手臂的張開和閉合動作，其中最大的夾緊重量為5900kg，夾持距離為1092mm~4060mm；另外手臂上的手盤能夠在360°的范圍內帶動負載以額定轉速旋轉，旋轉力矩和要求轉速由安裝在手臂的液壓馬達經過減速器產生，要求旋轉過程不能發生打滑現象；同樣轉動架以2r/min的轉速旋轉360°，且旋轉所需的力矩是由安裝在平動架上的液壓馬達提供；而平動架在水平左右移動所需的動力又安裝在平動架和固定板之間的平動液壓缸提供，并且可以在300mm的范圍里移動；最后，整個裝置由固定板安裝在裝載機或叉車上。

5、動態應力仿真

由研究表明，85%的輪胎機械手主要在連桿機構處發生破壞，而破壞的原因主要是因為動載荷受力不均勻，導致連桿機構疲勞失效和破壞。針對連桿機構的在動載荷下的破壞，探究桿件在受到動載荷時桿件的應力情況。動態應力仿真的步驟是：首先建立輪胎機械手的虛擬樣機模型；然后導入到動態分析軟件ADAMS中，對樣機模型進行約束、驅動使模型模擬整個機械手的運動；最后在ADAMS中記錄模型在受到動載荷下，模型的運動狀況以及桿件所產生的動態應力。

通過動態軟件ADAMS仿真可以直觀的輪胎機械手的動作過程，通過修改參數可以看出該機械手的連桿機構在不同載荷下所受到的動應力，根據該動應力的情況設計合理的連桿機構，同時對改進輪胎機械手提供了依據。同時仿真模型和運動過程參數可以為整個機構的優化提供理論依據，繼而為快速、準確方便的設計和制造物理樣機奠定基礎。

同國外相比，國內輪胎機械手發展起步比較晚，還處于生產小型輪胎拆裝機階段，對于大型輪胎機械手的研發還很少。主要原因是國內輪胎機械手的設計中，很少考慮連桿機構在動態載荷下的應力變化情況，在對輪胎機械手的改進和研究過程中我們要充分考慮動態載荷情況，根據動態載荷運用動態仿真軟件來模擬其實際情況，這樣能節約成本，縮短開發周期。

參考文獻：

篇9

隨著計算機信息科學的飛速發展，尤其是本世紀在計算機圖形學技術、高性能圖形系統和虛擬現實方面的誕生了不少的研究成果，維修過程在獲得實物樣機或原型機之前就可以開始進行。產品設計和開發的模式也隨之發生了變化。DELMIA、Jack等計算機輔助設計軟件和技術的廣泛應用，可以輔助設計人員完成包含數字樣機、虛擬維修人員和虛擬維修工具的虛擬維修操作流程仿真。在設計階段即開展對設計方案和設計布局的數字仿真，可以避免實物原型的制作，節約了從設計到定型的時間，提高了設計效率，從而降低了開發成本；前期開展的虛擬維修工程評價工作，在一定程度上優化了設計方案和設計布局，因此可以避免不合理的設計，減少給后續維修工作造成的不便。

維修操作空間定量評價方法

維修是一種需要人參與的活動，適當的維修空間將提高維修效率和維修人員的舒適程度。這一節的主要內容是確定適當的維修操作空間的大小。

在設計產品時，適當的操作空間的具體尺寸需要依據維修人員的身體尺寸和操作姿態來確定。因此維修操作空間應考慮維修人員的影響因素，如實體可達性。人的上肢可以接觸到的空間范圍分為最佳范圍、正常范圍和最大范圍。人體上肢的作業范圍是一個三維空間，維修人員的最大操作空間和舒適度隨著操作高度、手臂延伸線與人體中線的夾角角度的改變而發生變化。為了便于分析人體上肢的操作范圍，建立數學模型描述人體各部分的尺寸和相對位置。

軟件工具設計和案例探究

CATIA是法達索公司（Dassault Systemes）與IBM公司（International Business Machines Corporation國際商業機器公司）聯合開發的一款CAD/CAE/CAM軟件，主要為客戶提品外形設計、機械零件設計、配合結構設計、組裝、數控加工等功能，并提供大量的標準尺寸零件模型，使得企業可以縮短開發周期，快速迭代設計方案，對市場需求做出敏捷的反應。CATIA是目前應用最廣泛數字樣機設計開發軟件之一，應用范圍涵蓋等航空航天、建筑、船舶、汽車、鐵路等多個領域。DELMIA（Digital Enterprise Lean Manufacturing Interaction Application）是法國達索（Dassault Systemes）公司生產的一款數字化企業的互動制造應用軟件，是PLM（Product Life Management）系列產品之一。該軟件與CATIA互為補充，呈現上下游關系，共同貫穿產品的設計周期。利用CATIA制作數字樣機后，可在DELMIA中進行物流過程分析、維修、裝配、工藝規劃、與機器人配合等多種功能的虛擬演示和模擬，是一個面向設計、制造、維護、人機過程的“數字化工廠”仿真平臺。便于用戶檢查設計方案的缺陷和漏洞，及時更改設計方案，降低研發成本，縮短研發時間，實現快速上市的目的。DELMIA中含有一個Human Task Simulation模塊，包含虛擬人模型、人體動作模型、維修工具等內容，用于模擬人機交互過程，實現虛擬維修、虛擬拆卸、虛擬裝配等功能，也是本研究中重點使用的模塊，包含本研究中所需要的大部分數據。本研究基于CATIA與DELMIA現有的軟件功能和數據庫進行二次開發，研究目標是在客戶已經完成產品設計和數字樣機的制作的情況下，根據已制作好的虛擬維修仿真動畫，針對產品的維修操作空間的完成定量評估。

軟件的二次開發是在現有軟件產品的基礎上，對軟件功能進行延伸和擴展，或實現和其他軟件的對接并實現數據的交換和傳輸。二次開發一般針對某一類特定的用戶，通過添加更個性化、專業化的功能和模塊，使得軟件功能更具有針對性，用戶的需求得以實現，工作效率得以提高。DELMIA為不開源的軟件，為實現二次開發必須利用軟件開發商為用戶專門準備的二次開發接口。為靈活地滿足不同客戶的需要，DELMIA提供了多種二次開發的接口：一是CAD格式接口，方便客戶加載在CAD環境下設計的數字樣機，實現模型結構、尺寸、顏色渲染等數據的導入導出；二是知識工程，這是DELMIA的一個專門模塊，知識工程利用參數化定義的方法對人體模型和基礎動作單元進行了建模，建立一個標準模型庫，用戶可以通過關鍵參數調用標準模型庫中的模塊，從而實現快速建模，完成設計任務；三是采用自動化對象編程的接口Automation API（Application Programming Interface），能夠實現宏指令的編寫，或利用宏與VB開發語言（Visual Basic）相結合編寫簡易程序；四是開放的基于構件的應用編程接口CAA（Component Application Architecture，應用組件架構），這是DELMIA的一套C++函數庫，這一接口主要用于與C++開發語言鏈接，方便客戶使用C++編寫所需程序，用戶可通過快速應用研發環境RADE（Rapid Application Development Environment）和不同的API（Application Programming Interface）接口完成從DELMIA數據庫中調取數據到C++程序中的過程。

該案例為針對拆卸某型號大型客機APU上六角螺母的維修空間定量評估。目的是利用所提出的方法和開發的軟件工具，對維修操作空間進行定量評價，以展示方法的靈活性和有效性以及軟件的可用性和可靠性。該大型客機APU的虛擬維修操作動畫截圖如圖1所示。該大型客機APU上有12顆六角螺母，選取123號螺母作為典型案例，三顆螺母的位置如圖2所示。

這三顆螺母中，顯然3號周圍的障礙物少，對扳手的使用影響較少，同時位置較低，距離肩膀較近，手臂只需微微向上伸出即可接觸到，因而上肢舒適度較高。該螺母周圍的空間無需定量評估，定性評估即可確定等級為優秀。1號螺母雖然位置很高，但是周圍的障礙物少，手部可達到1200旋轉。2號螺母位置較高且周圍障礙物較多，維修人員手部只能達到600旋轉。本案例中選取2號螺母進行分析。

第一步打開程序，連接虛擬環境，選定虛擬人并連接。第二步選定關鍵幀，抓取扳手之后，選取手部攜工具接近、旋轉卸下六角螺母、手部攜工具離開這三幀內容。第三步系統提示選取第一幀的維修活動單元類型，為平移，此時軟件自動計算第一幀的掃掠舒適度PV、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=0，z=1，但不在界面中顯示。第四步系統提示選取第二幀的維修活動單元類型，為旋轉，如圖3所示，此后軟件自動計算第一幀的掃掠舒適度Pv、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=1，z=1，但不在界面中顯示。第五步系統提示選取第三幀的維修活動單元類型，為平移，此時軟件自動計算第三幀的掃掠舒適度Pv、上肢舒適度r和該幀總舒適度s，x=0，y=1，z=2，但不在界面中顯示。第六步系統自動根據已有的x、y、z，計算s的評價標準，（0.8x+0.75y+0.9z）為優秀閾值，（0 5x+0.25y+0.7z）為差閾值，該部分不在界面中顯示。第七步系統輸出三幀中每一幀的s值，并與s的優秀閾值和差閾值比較，給出空間評價結論。該案例中具體數據截圖如圖4所示。得出結論該部分操作空間維修性差，必須加以改進。

篇10

作者簡介：吳曉剛（1981-），男，黑龍江哈爾濱人，哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，副教授；周美蘭（1962-），女，黑龍江哈爾濱人，哈爾濱理工大學電氣與電子工程學院，教授。（黑龍江 哈爾濱 150080）

基金項目：本文系黑龍江省高等教育教學改革項目（項目編號：JG2201201107）、哈爾濱理工大學高等教育研究重點項目（項目編號：A201200004）的研究成果。

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2013）28-0098-02

隨著汽車產業的發展，電子技術在汽車上的應用已成為汽車設計研究部門考慮汽車結構革新的重要原因。在國外，平均每輛汽車上的電子裝置在整車成本中占20%～25%，一些豪華轎車上裝有40多個微處理器，有的汽車電子產品甚至占整車成本的50%以上。許多汽車制造商都認為，增加汽車電子裝備的數量，促進汽車電子化是奪取未來汽車市場的有效手段。[1]

在對汽車電子技術的教學研究中，文獻[2]提出優化“汽車電子與控制”配置課程的內容、改革結構體系、改革教學方法和手段、加強實驗建設和課程設計環節等改革思路。文獻[3]分析了“汽車電子控制技術”課程在理論教學和實踐教學方面的問題，提出了靈活多樣的理論教學改革方案和采用項目教學法等加強實踐環節教學的建議。文獻[4]介紹了汽車電子控制技術課程精品實驗項目的設計思想、主要環節及具體實踐。文獻[5]將虛擬儀器LabVIEW軟件應用于汽車電子技術綜合性和設計性虛擬實驗中，并進行了實驗教學的實踐。文獻[6]開發了汽車電子控制系統實驗教學所需要的嵌入式系統，完成了實驗箱硬件及教學實驗所需的支撐軟件，并在此基礎上開展了教學實踐。文獻[7]介紹了在電子信息工程專業開設汽車電子系列特色課程的研究。

在汽車電子中，涉及到電力電子技術的內容通常稱為汽車電力電子技術，并且成為了電力電子技術的重要分支。哈爾濱理工大學（以下簡稱“我校”）電氣工程及其自動化專業下的電力電子方向，在汽車電子研究上已有了十幾年的基礎。在依托汽車電子驅動控制與系統集成教育部工程研究中心和黑龍江汽車電子技術研究中心科研基地的基礎上，形成了以新能源汽車動力系統控制和汽車電子驅動控制為特色的研究方向，并培養了大量的碩士研究生和博士。因此，為了在本科教學中體現我校電氣工程及其自動化專業的辦學特色，結合在汽車電子方向上的研究成果，在2010年制定的電氣工程及其自動化專業電力電子方向本科生培養方案中，特別增設了“汽車電子技術”專業方向選修課。本文以“汽車電子技術”課程作為研究和實踐對象，通過課程結構優化設置和考核方式改革，結合現場教學和研究性教學的教學方法，實現具有特色的專業選修課教學。

一、“汽車電子技術”課程結構

“汽車電子技術”課程開設在大學四年級上學期，為專業選修課程，2學分，共32學時。其中理論教學22學時，實踐教學10學時。根據電氣工程及其自動化專業的基礎課程和平臺課程設置，結合汽車電子技術的主要特點，“汽車電子技術”課程的理論教學可分為6個模塊，如圖1所示。

在“汽車電子技術”課的理論教學環節中，第一部分，先介紹汽車電子的基本概念，回顧汽車電子技術的發展歷史，通過實例分析介紹汽車電子對汽車安全與節能的影響，結合電氣工程及其自動化專業的相關知識，講述汽車電子與電力電子的關系。

第二部分，介紹汽車電子技術中常用的器件。包括光電、霍爾、電阻等各類傳感器，常用于汽車電子控制系統中的單片機選型及選用依據，汽車電子控制系統中所用的交直流電機、電磁閥等執行器件的工作原理和控制方法。

第三部分，在以上介紹的基礎上，著重介紹汽車變速器電控、ABS系統、動力轉向電控等汽車電子控制系統的設計方法，主要內容包括電控系統開發遵循的標準、硬件電路設計和軟件編程方法，特別強調目前汽車電子控制系統中所用的V流程開發模式。

第四部分，結合新能源汽車的熱點問題，充分發揮電氣工程及其自動化專業知識在電動汽車方面的運用。本門課與目前車輛工程專業所開設的“汽車電子技術”不同之處在于，省去了傳統以發動機作為主導的汽車動力系統控制部分，強化了電驅動系統的匹配與設計部分。該部分內容除了包含對于汽車動力系統設計方法和匹配規律的介紹外，還增加了對于電動汽車動力系統控制的一般方法介紹。

第五部分，介紹汽車電器系統，包括汽車儀表系統、燈光照明系統、電動門鎖系統、電動車窗、電動后視鏡、電動天窗、電動座椅、車載空調系統、車載音響系統、車載電視娛樂系統、車載無線通訊系統、電子導航與全球定位系統、智能交通系統和車載網絡系統等方面的內容。

第六部分是課程的最后部分，介紹汽車電子控制系統中可靠性的評價標準和一般的故障診斷方法。

以上六部分構成了我校電氣工程及其自動化專業“汽車電子技術”理論教學的主要內容。

在“汽車電子技術”課程的實踐教學過程中，主要有實驗和課程設計兩種方式。實驗課作為學生在校內實現理論聯系實際的一種比較有效的手段，學生通過實驗能夠加深對課程理論知識的理解，并能夠培養一定的實踐能力。我校在電氣工程及其自動化專業“汽車電子技術”實驗課的設置上，主要分為5個部分，如圖2所示。

課程設計是提高學生分析問題和解決問題能力的重要手段，它不但可以使學生加深對理論和實驗課程的理解，而且能夠使學生將所學的課程內容與相關課程綜合起來，提高了知識的應用能力。[8]“汽車電子技術”是一門實踐性很強的課程，課程設計主要結合我校電氣工程及其自動化專業平臺課的知識，以電動汽車控制系統作為設計目標，讓學生結合電力電子技術的相關知識進行設計。

二、“汽車電子技術”課程教學方法的改革

對于“汽車電子技術”課程來說，涉及到的汽車電子控制系統單靠語言描述是很難講清楚的，而通過傳統的板書教學方式，也很難清晰勾勒出汽車電子控制系統的原理和工作過程。因此本門課在授課方式上采用多媒體教學的方式，通過多媒體課件制作出的動畫及示意圖等來展示汽車電子控制系統的結構、組成及工作原理，使教學的內容直觀清晰，易于理解。

在“汽車電子技術”課程的教學過程中，除了正常的多媒體課堂教學外，還采用了現場教學結合研究性教學的授課方法。現場教學即依托我校汽車電子驅動控制與系統集成教育部工程中心的實驗平臺，使學生到工程中心參觀現場演示，并試用工程中心開發的汽車電子產品實驗樣機。這些教學手段可以使學生對汽車電子的功能及開發有更直觀的認識。除此之外，教學內容中以汽車電子產品的項目開發作為主導。例如在“汽車電子控制系統的設計”這部分內容講授時，可自始至終以工程中心開發的汽車變速器控制單元作為對象，從汽車電子產品開發的前期調研、方案論證，到中間環節的樣機開發、功能驗證，再到最后環節的樣機標定、測試等進行全方位的介紹。通過這樣的講授，學生對汽車電子的感性知識加深，在理論學習中的目的就會變得明確，清楚地認識到需要掌握的主要內容。

三、“汽車電子技術”課程考核方式

為了有效地組織教學，突出“汽車電子技術”課程的實踐性，改革了這門課程的考核方式。我校其他專業課程的考核方式大部分是以平時成績占30%，期末卷面成績占70%的比例進行綜合評定。而由于“汽車電子技術”課程面向電氣工程及其自動化專業電力電子方向的本科生，選課人數基本維持在40～60人范圍內，這樣的人數規模便于授課教師進行小范圍內的專業指導，因此在考核方式上提出了平時成績、作業成績、實驗成績、課程設計與專業論文撰寫相結合評定的方式。與其他課程不同之處還在于，其他課程安排的課程設計都是最終給定一個獨立的成績，而作為專業選修課，本門課程的課程設計成績只是最終成績的其中一部分。

目前該門課程的考核采用平時成績占10%，作業成績占10%，實驗成績占10%，課程設計占30%，專業小論文占40%的比例權重進行成績的評定。這樣做的好處是，不但能夠充分發揮本門課理論與實踐緊密結合的特點，并且可以充分激發學生的學習興趣，培養學生的團隊合作精神。

專業小論文作為考核的主要部分，在撰寫過程中，授課老師首先利用2學時的時間對學生進行科技論文撰寫的培訓，而后引導學生充分利用學校圖書館的資源，根據各自分配到的科技論文主題進行文獻的檢索；學生分成了3至4名成員一組，選擇關于汽車電子的主題項目，可建議主題為電動汽車整車控制器的設計、汽車防抱死ABS系統設計、汽車自動變速器控制系統設計等，學生也可以自己提出新的主題。給定主題一段時間以后，學生提交科技論文，并以學術會議的形式在課堂上進行交流，老師和其他同學可以自由根據報告者的內容提問，并提出意見和建議。該部分成績可以當場給出，這樣做的好處是激發學生的積極性，所給定的成績能夠實現主觀與客觀兼顧的效果，令所有同學信服。

四、結論

根據“汽車電子技術”理論與實際緊密結合的特點，結合所開設課程在電氣工程及其自動化專業的實際情況，提出了教學中課程內容優化配置，現場教學結合研究性教學的授課方法；考核上提出了平時、作業、實驗、課程設計與科技論文撰寫相結合的方式。通過這些教學改革，提高學生學習的積極性和主動性，真正能夠在有限的學時內獲得最實用的知識，增強學生的實踐能力。

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