时间：2023-03-16 16:36:59
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（①中国75240部队，潮州 521000；②中国65370部队，长春 130000；
③中国93593部队，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： 为有效解决虚拟维修训练系统通用、共享和跨平台重用的问题，借鉴IETM的S1000D标准以数据模块方式组织数据这一思想，构建了基于IETM虚拟维修数据模型。经应用证明，基于IETM的虚拟维修数据模型有利于系统的数据标准化和技术文档。
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.
关键词 ： 虚拟维修数据模型；交互式电子技术手册；维修过程
Key words： Virtual Maintenance Data Model；Interactive Electronic Technology Manual；maintenance process
中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0230-02
作者简介：石永亮（1986-），男，陕西宝鸡人，助理工程师，主要研究方向为装备虚拟维修。
0 引言
虚拟维修训练系统与交互式电子技术手册（Interactive Electronic Technology Manual, IETM）在装备知识与维修素材等数据方面基本一致。
本文主要研究如何借鉴IETM的S1000D标准，设计虚拟维修数据模型（Virtual Maintenance Data Model, VMDM），解决虚拟维修训练系统中数据重用和共享问题。
1 IETM简介
IETM的概念最先是由美军提出来的，其定义是从事武器装备系统的故障诊断和维护保障工作所需要的一组信息包，其中的信息内容和格式均以最优方式进行了组织和编排，以便于最终用户通过数字屏幕以交互方式使用。当前应用最广泛的标准当属美军标准MIL-PRF-87269和欧洲标准ASD S1000D。
2 基于IETM的虚拟维修训练系统
S1000D作为IETM在装备全生命周期保障方面的重要标准，在其标准下制作的交互式电子技术手册可以存储大量的装备保障数据，不仅包括文本、图标、图片信息，还包括视频、音频等多媒体信息，以及和用户进行交互的信息。因此借鉴IETM相关标准S1000D设计VMDM层次结构如图1所示。训练数据包括了虚拟维修训练过程数据、虚拟样机数据和工具设备数据。
2.1 维修过程VMDM 过程VMDM设计如图2所示，数据标记的具体含义以及其所包含内容的定义如下。
2.1.1 procedural元素 procedural元素是描述整个虚拟维修训练过程的根元素，由若干个嵌套的子元素和相应的属性构成，具有的属性包括维修过程起始步骤编号startId、用来判断维修过程是否结束的步骤编号endId、进行本次维修训练的维修操作人员姓名的operatorName以及维修人员编号operatorId，同时描述人员所应该具有的维修水平、技能skillLevel。
2.1.2 step元素 step是具体维修训练步骤元素，是可以重复、并列的元素，它有四个属性值：partStateType属性表示样机对象子单元的运动属性，主要包括平移运动、旋转运动和复合运动三种；stepId表示维修过程中的当前维修步骤编号；name表示当前维修操作的名称；partname表示本次维修操作的样机对象单元名称，该名称与虚拟维修样机模型中对该部件的命名一致。
2.2 工具/设备VMDM 工具/设备模型设计如3所示，数据标记的具体含义以及其所包含内容的定义如下。
2.2.1 tool_Equipments tool_Equipments元素是工具/设备数据模型的根元素。
2.2.2 toolList toolList元素用来描述工具/设备，是可以重复的、并列出现的非空元素，具有三个属性值和一个元素：toolpackageName描述专用工具包的名称；toolname属性值为工具设备的名称；toolId属性值为工具/设备型号编码；pic元素描述设备工具的名称、型号、在工具栏中的布局以及二维图标文件的存储路径等。
2.3 虚拟样机VMDM 虚拟样机，根据运动方式，分为平移运动样机、旋转运动样机和复合运动（旋转＋平移）样机。本文以复合运动样机为例，进行介绍。
复合运动样机单元VMDM设计如图4所示。
transRotate元素是描述复合运动样机单元对象信息的根元素，由若干嵌套的Parts子元素构成。Parts元素是可重复、并列出现的非空元素，具有以下属性：①ID属性。②PartID属性。③partname属性，为相对应样机单元汉语名称。相关子元素有endXposition元素、endYposition元素、endZposition元素、attributeToObject以及attachToObject描述的内容与平移样机信息单元模型中所提及元素的内容相同、类型相同。AxisRotate元素、rotateDegree元素，与旋转类平移样机信息单元模型中所提及的内容相同、类型相同。transScale元素描述虚拟维修样机单元在复合运动过程中平移段的步长。rotateScale元素描述在复合运动过程中的旋转平移段的步长。length元素描述典型对象单元如螺钉的长度，proportion元素描述旋转圈数与位移的比例关系。
3 应用验证
某型复杂装备虚拟维修训练系统，基于上述方法建立VMDM，如图5所示，编辑完成的系统能够进行，使得系统的推广使用变得更为方便。
4 结束语
本文参考IETM的S1000D标准对于内容数据模型的组织方法，设计了基于IETM的虚拟维修训练系统结构框架以及虚拟维修数据模型，并利用XML Schema设计了虚拟维修训练系统的数据模型，包括维修训练过程数据模型、工具/设备数据模型、以及样机对象单元数据模型，并分析了模型中各个元素及属性的具体描述含义，最后进行了应用验证。
参考文献：
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关键词：Adams； 机构学； 机械原理； 虚拟样机
中图分类号：G424.2文献标志码：B
0引言
虚拟样机技术以其高效率和低成本，在机械产品设计中得到越来越广泛的应用.通过对机械产品的虚拟样机建模和仿真分析，可以快速、准确地获取机械产品的性能，从而验证设计指标并评价设计结果[1].作为目前世界领先的机械系统动力学分析软件，Adams以其公认的优越性被越来越多的工程技术人员和科研人员所应用，在机械系统设计和分析领域发挥重要作用.
笔者多年来一直探索如何使学生在课程学习中了解和掌握Adams这一先进软件.在“机械原理”课程[2]的教学中，已有一些教师进行有益的探索——将Adams用于机构分析[3-6]，获得良好的效果.在“机械原理课程设计”课程中，有些教师也将Adams应用其中——学生在设计机构运动方案时，应用Adams对设计结果进行验证[7-9].这些尝试为“机械原理”课程注入新的教学内容和教学方法，加深学生对机构学知识的理解.但总体来看，这些尝试还停留在个别教师的教学改革试点层次，缺少Adams与课程内容融合的整体规划和实施方案.本文从本科生课程和研究生课程2个方面介绍北航在Adams教学中的一些尝试.
1Adams在本科生教学中的应用
机械原理课程的研究对象为机器和机构，如何在课堂上将机器和机构运动起来，成为提高学生学习兴趣和扎实掌握相关理论的关键.传统的教学方法只能依靠教师的讲解，将静止的机器和机构“动”起来，不直观；一些设计分析结果也无法实际展示和验证，在很大程度上影响学生对问题的理解和对知识的掌握；此外，虽然学生学习很多的经典理论，但在工作不会应用，导致理论与应用脱节.
为此，自2003年以来，北航机械原理教学团队以Adams为平台，将虚拟样机技术与课程的机构以及机构系统的分析与设计内容有机结合，不仅使静止的机构图形运动起来，提高学生的学习兴趣，增强对问题的深刻理解，而且使学生初步掌握虚拟样机这一先进技术，为持续、快速地进行机构创新设计与分析奠定基础.在课堂教学过程中，以教师为主导，通过虚拟样机的建立和仿真，对涉及的机构学问题给予直观、生动的诠释.学生则利用课余时间，通过上机练习来熟悉和掌握虚拟样机技术.
1.1课堂教学
3结束语
探索和总结本科生的“机械原理”课程与Adams有机结合的内容和实现方法，进一步探讨在研究生阶段开设针对学习Adams的“产品设计与虚拟样机”课程的教学内容、教学方法和教学成果等.在高校开展Adams的学习和应用教学，虽然取得一定的成果，但总体来看，仍处于探索阶段，希望通过同行的共同努力，在相关行业的支持下，不断地深入和推广下去.
参考文献：
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Abstract: In the actual use of artillery, due to the limitations of testing means and ball firing is dangerous, we can not make a good judge on the working condition of reverse recoil device. This paper takes the virtual prototyping technology as the studying means to evaluate the work performance of the reverse recoil device of artillery, to test the credibility of the virtual prototype through the simulation results.
关键词：某型火炮；虚拟样机；建立；可信性验证
Key words: a certain type of artillery；virtual prototype；establish；verification of the credibility
中图分类号：E2 文献标识码：A文章编号：1006-4311（2010）35-0036-02
0引言
火炮的反后坐装置被称为火炮的“心脏”，目前火炮在实际使用过程中，由于测试手段的局限性，而且进行实弹射击危险性较大，不能很好的判断反后坐装置工作是否正常。我们利用虚拟样机技术对火炮反后坐装置的工作性能进行评估，通过仿真试验结果，来检验虚拟样机的可信性。
1虚拟样机的建立过程
我们在Pro/E的环境中按照火炮各体的实际尺寸和动力学特性进行实体建模。对组成火炮系统的各体施加约束力。在此基础上，将实体模型转换成ADAMS环境下的具有动力学参数的实体模型[1,2]。Pro/ENGINEER是由美国PTC（参数技术）公司研发的的三维建模软件广泛应用于电子、机械、模具、工业设计、汽车、航空航天、家电、玩具等行业，是一个全方位的3D产品开发软件[3]。ADAMS是一个动力学分析软件，它能更好地解决复杂系统的动态指标参数[4,5]，按照美国MDI公司开发的通用动力学仿真软件ADAMS和美国PTC公司的CAD软件Pro/E作为基本建模工具，两者之间的接口采用MDI公司开发的ADAMS与专用接口模块Mechanism/Pro（简记为M/Pro）建模的过程如图1。
本系统需要运用ADAMS作为辅助，结合Fortran语言编制仿真模型的用户自定义程序。在ADAMS环境下获得可以仿真火炮动态特性的虚拟样机模型。具体模型如（图2、3、4）：
2虚拟样机可信性验证
由于火炮实弹射击试验具有一定的危险性，因此需要专门的试验场地和多方面的人力保障，而且在试验过程中需要通过特殊的测试手段、运用专门的仪器设备才能对火炮的各种参数进行测试，以致于试验成本较高。建立火炮虚拟样机的过程，是一个不断建模――验模――再建模的过程，对于任何仿真试验结果都应进行试验验证，以检验其仿真结果的可信度。由于受经费、场地和测试手段等诸多因素的制约，我们选用某型火炮的定型试验报告提供的火炮测试参数的相关数据和图表曲线，来考核和检验虚拟样机仿真输出结果的准确性。火炮进行定型试验是为了全面检验和考核火炮的战术、技术指标和安全性，通常要对火炮射击时的各主要状态参数进行综合性测试，而且为保证测试数据的准确性，通常对火炮某一测试项目要进行多次试验反复测试，所以试验测试数据既有单发射击的图表曲线，又有多发射击试验数据的统计平均结果，因此运用火炮设计定型试验的数据结果可以对所建立的火炮虚拟样机进行更充分、更全面的考核和验证。
现代火炮采用了反后坐装置后，其炮身通过反后坐装置（驻退机和复进机）与炮架弹性相连，火药气体作用于炮身产生的腔内压力Pp t通过驻退机和复进机进行缓冲，因此炮架的受力由原来的炮膛合力Pp t变为反后坐装置提供的后坐阻力R。实践证明反后坐装置的应用使得炮架实际受力仅为炮膛合力最大值Pptm的几十分之一。反后坐装置的作用如此重要而常常被称为火炮的“心脏”，为此反后坐装置内的各相关动态参数已成为衡量火炮动态性能的重要指标。通常火炮的分析计算和试验测试也都重点考核这些指标参数，所以本文也以这些指标来考核虚拟样机的准确性。
2.1 反后坐装置的作用①可以极大地减小火炮射击时的受力；②将全炮的后坐运动变为可控制的炮身沿炮身轴线的后坐运动，并使其射击后自动恢复到射前位置。
2.2 反后坐装置的动作原理火炮射击时，后坐部分的后坐阻力主要由反后坐装置所提供。反后坐装置不同于一般的缓冲阻尼器系统，它实际上是一个结构复杂的缓冲阻尼装置，通过改变流液漏口的面积改变后坐阻力，使其满足一定规律而达到有效控制后坐运动和受力的目的。后坐开始时，驻退机内液体在工作腔分流为两股液流，一股经节制杆与节制环之间的环形漏口流向非工作腔，另一股由驻退杆内壁与节制杆之间的环形通道，经调速筒流入内腔。由于驻退杆不断抽出，驻退机外腔的液流在活塞压强作用下分别流向驻退机非工作腔和内腔。为保证火炮在整个后坐行程上全程制动，驻退机内腔始终充满液体，其压强p2>0。在对驻退机进行试验测试时，主要测试驻退杆外腔和内腔的压强，针对复进机的测试也主要测试其腔内气体压强。
后坐部分复进时，驻退机内腔压强p2>0，内腔液体在其作用下流回外腔。由于真空的存在，驻退机非工作腔在复进开始一段距离内压强为零，只有内腔液体存在压强，复进时驻退机内腔的压强对反后坐装置的影响也很大，在试验鉴定时也作为一个测试项目。复进机的作用是在后坐过程中提供后坐阻力和在复进过程中提供复进动力。在后坐开始时，复进机腔内气体压强不为零，之后随后坐行程增加而逐渐增大，至后坐终止时腔内气体压强达到最大，在复进时其腔内气体压强与后坐时一致。因此，测试复进机内气体压强时只对后坐时的情况进行测试。
2.3 虚拟样机仿真数据的可信性分析反后坐装置使火炮由刚性后坐变为弹性后坐，并贮存后坐能量，使后坐部分在后坐终止后可以转为复进。反后坐装置之所以称为“火炮的心脏”，是由于该装置的可靠性将直接影响整个火炮工作性能，甚至使整个火炮丧失工作能力。因此，在火炮设计定型试验时，将反后坐装置作为试验测试的重点，针对反后坐装置的测试项目，主要包括驻退机内外腔压强、复进机腔内压强、后坐速度和复进速度等，进而通过求得最大后坐阻力，来检验反后坐装置的功能是否满足给定的指标要求。综上所述，利用定型试验数据验证所建火炮虚拟样机的真实性是可行的。
2.4 虚拟样机仿真数据与定型试验数据对比本文选择对某型火炮的仿真结果与试验数据结果进行对比验证，各项目的试验测试曲线如图5所示，其中：p1为后坐时驻退机外腔压强；p2为后坐时驻退机内腔压强；p′2为复进时驻退机内腔压强；v为后坐速度；v′为复进速度；pΠ为后坐时复进机腔内气体压强；R为后坐阻力；t为后坐时间；t′复进时间。本文选择与定型试验一致的试验条件，充分利用并对照定型试验的测试项目，对各测试项目进行虚拟样机仿真。火炮射击初始条件为0°射角、全装药、底盘着地射击，驻退机和复进机中的有关数据来源于火炮设计说明书，各结构尺寸存在一定公差范围，本文均采用其标称尺寸。
2.5 由数据对比表得出结论
2.5.1 复进机压强是后坐位移的函数，其值基本与试验数据相符；
2.5.2 后坐和复进速度、后坐阻力值及变化趋势与仿真曲线基本相符；
2.5.3 对于后坐时内腔的压强，利用伯努利方程可以求得内、外腔压强和液体流速的关系：p1-p2V（1）
其中，p1为外腔压强，p2为内腔压强，其它符号含义见文献[6]。
由式（1）可知，驻退机内腔压强与外腔压强的基本趋势一致，随着后坐速度降低，二者压强差别逐渐变小。
2.5.4 驻退机的内、外腔压强在出现峰值的时机与仿真数据曲线有所不同，导致结果不同的原因可能是在虚拟样机仿真时，虽然我们在制作各部件的时候采用的尺寸数据为标称值，但是实际加工的部件存在一定的误差，从数据结果看，制作的节制杆直径有一定误差，导致流液口面积的变化。对于复进时内腔的压强，真空消失过程不是一个突变的过程，而是一个渐近的过程，因此在非工作腔产生一定的压强，然而理论上认为复进真空消失之前，非工作腔不提供压强，从而导致在复进开始段仿真得到的压强值稍大。
虚拟样机仿真曲线与试验测试数据相比虽有一定误差，但基本与试验数据相吻合。宏观而言，后坐和复进速度的基本趋势与试验数据一致，最大后坐阻力基本规律一致，说明了所建虚拟样机的正确性，利用该虚拟样机对火炮宏观动力学特性进行研究是可信的，所建虚拟样机模型是满足工程上应用的。
参考文献：
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论文摘要:介绍了机械零部件结构可靠性虚拟疲劳设计的软件及疲劳寿命预测方法。根据断裂力学理论和虚拟疲劳预测方法，利用系统动力学软件ADAMS模拟42CrMo硬齿面齿轮加工过程，分析了对应的疲劳载荷谱，得到了齿轮应力寿命S一N曲线。
1、引言
机械产品全寿命设计是衡量产品设计水平先进与否的重要指标，现代设计过程迫切需要通过工程分析手段预测产品的结构可靠性。近年来研究人员试图将虚拟设计思想更多地融人到复杂机械产品的结构可靠性设计中，借助工程分析软件对计算机中虚拟的产品样机进行应力分布、疲劳寿命和可靠性设计等，大大提高了可靠性设计水平。
利用国外先进有限元软件丰富的试验数据，应用项目组成员进行的42CrMo硬齿面齿轮的弯曲疲劳可靠性试验及资料，提出该硬齿面齿轮的结构可靠性虚拟疲劳设计方法，由虚拟零部件疲劳工作的情况快捷地得到应力一寿命(S一N)曲线，推知其疲劳寿命大样本，以供可靠性分析设计使用。
2、结构可靠性虚拟疲劳设计方法
2.1结构可靠性虚拟疲劳设计软件
进行产品零部件结构可靠性虚拟疲劳设计首先需要构造产品虚拟样机，目前国内外比较成熟实用的样机几何造型CAD软件有AutoCAD， Pro/E等，同时还有可以进行各种系统仿真分析的多体运动学、动力学软件ADAMS， SIMPACK等。
目前国际知名的通用有限元工程分析软件大多可完成对产品结构进行应力分析、疲劳寿命测试及寿命概率分析的功能，目前见长的软件有ANSYS，MSC/Fatigue， MSC/Nastran，考虑虚拟环境的CFX及FLUENT。近年来，样机的运动、动力学及疲劳分析技术正处于逐渐深人和系统化阶段，但有许多重要内容要填补，如虚拟环境的融入、几何造型、动力学、疲劳分析技术的集成及开放式。
2.2疲劳寿命预测方法
多年来人们发展了各种疲劳寿命预测方法，其中名义应力寿命法(S-N法)、局部应变法(E-N法)与基于断裂力学理论的疲劳裂纹扩展寿命方法，已成为三种经典的疲劳寿命预测方法。
(1)名义应力寿命法(S-N法)
名义应力寿命法通常称为总寿命法。该方法用于构件总寿命的预测，是以材料或零部件的疲劳寿命曲线为基础的。该方法可以考虑构件表面加工和表面处理对其疲劳寿命的影响，也可以考虑构件焊缝的疲劳寿命，适用于低应力高周疲劳问题。
(2)局部应变法(E-N法)
局部应变寿命法通常称为裂纹萌生法。该方法用于预测构件的裂纹萌生寿命。它应用了材料的“记忆特性”，计人了名义应力无法计及的载荷循环顺序的影响，使寿命估算结果更接近实际情况，适用于高应变低周疲劳问题。
(3)疲劳裂纹扩展寿命方法
基于断裂力学理论的疲劳裂纹扩展寿命方法主要用于预测构件从裂纹产生到发生破坏的疲劳寿命。该方法结合模拟材料微观结构变形的数值方法，是数值模拟断裂的主要发展方向之一。
3、在硬齿面齿轮弯曲疲劳试验中的应用
根据项目要求对42CrMo材质的硬齿面齿轮进行了弯曲疲劳可靠性全寿命试验，试验在机械部机械科学研究院英国产INSTRON1603型电磁谐振疲劳试验机上进行。采用4级应力水平，即作4组不同应力的轮齿全寿命大样本试验，得到了硬齿面齿轮定寿命下的R-S-N曲线(见图4中实线部分)。本文以此试验为研究基础，进行42CrMo硬齿面齿轮的结构可靠性虚拟疲劳设计和试验，得到了虚拟试验的各应力水平下疲劳寿命数据，即S-N曲线。
3.1三维几何造型设计
三维CAD软件为构造精准的零部件虚拟几何造型设计打下软件基础。42CrMo硬齿面齿轮是斜齿圆柱齿轮按渐开线形成的，为从齿轮的造型机理开始就严格遵循渐开线齿面生成和加工机理，应用三维虚拟造型软件MDI公司的ADAMS能在几何形体上展成曲面和使曲面扭曲变形的功能，开发出以法平面标准渐开线齿形为基准的斜齿模拟加工过程。
3.2疲劳载荷谱分析
载荷谱是有限寿命设计的依据之一。因此，掌握载荷谱的变化规律是进行寿命设计的先决条件。通常，载荷谱是由现场数据采集并经数据处理与统计分析获得。现场采集的载荷时间历程具有很大的随机性，并且因现场各种因素如开关信号、电磁干扰等影响，会造成原始信号记录失真，出现伪信号。齿轮结构所承受的疲劳载荷，实际上是一连续的随机过程，借助动力学分析软件Adams平台，可直接给出机械构件在整个装置工作过程中的疲劳载荷谱F-t曲线(见图2)，以此作为理论分析和结构可靠性虚拟疲劳设计的基础。
3.3有限元分析软件中的应力分析
建立一对轮齿的有限元模型并进行网格划分，模型主要为六节点五面体单元，单元总数为63359个，节点总数为15213个。这样有利于单元自动生成，有利于提高计算精度。有限元计算中，齿轮材料的弹性模量为4. 6 x 107MPa，波松比为0.3。
由有限元法(FEM)分析计算出随机动载荷谱下轮齿在啮合过程中最大动应力齿轮的位置、数值及周期。
3.4基于断裂力学的疲劳裂纹寿命预测
断裂力学是在承认裂纹存在的前提下进行疲劳强度计算(即微裂纹形成忽略)，失效判据是裂纹扩展到临界尺寸时发生疲劳断裂，应力强度因子幅度可用以下关系表示
对裂纹半长a的积分求出裂纹扩展的应力循环次数，即疲劳寿命。计算N时，应力强度因子幅}k、裂纹初始半长a1、裂纹半长极限值a2由式(1)计出。其中:c为与材料有关的系数，a为几何效应因子，山为复应力变化范围。
3.5虚拟试验结果分析
以实作齿轮试验的4级应力水平作虚拟疲劳试验，求得各应力水平下的疲劳寿命数据，这样可用最小二乘法得出待试验材料齿轮的S一N曲线。
图4虚线部分为42CrMo材料齿轮采用上述虚拟技术所作的S一N曲线，试验中取5个寿命水平N= 0.5 x 1护，1.0 x 1护，1.5 x 1护，2.0 x 1护，2.5 x 1护的应力分布。与图4中实线部分的实作齿轮试验S一N曲线对比可知，虚拟试验得到的S一N曲线与实际齿轮高可靠度下的S一N曲线比较接近，有一定的参考价值。
4、结语
(1)采用全寿命成组试验法得到产品的全寿命概率分布依据的是大样本试验，因此解决复杂机电系统使用期限内无故障的全寿命设计具有极高的经济价值和十分深远的应用前景。全寿命设计已成为衡量一个国家机电产品设计水平先进与否的重要指标，只有攻克使零部件全寿命试验与环境相容这一难题，才能更好地发挥全寿命设计对国民经济发展的促进作用，迅速把我国的可靠性设计水平提高到主动可靠性设计的国际前沿水平。
车辆模拟器具有工况设置方便、试验重复性好、安全性高等优点,在驾驶培训、车辆新产品的研究和开发、人—车—环境试验中有着重要作用,良好的车辆运动模拟技术是车辆模拟器质量的保障。本文以“车辆人—机—环境模拟器”项目为依托,围绕车辆模拟器运动模拟技术中三维虚拟道路建模、车辆动力学建模与仿真、动感模拟算法等展开研究。提出了随机激励路面轮廓三维高程数据生成方法;对Vortex车辆动力学建模特别是车辆悬架参数的设置进行阐述,并给出了车辆动力学仿真的实例;提出了基于六自由度平台杆长的模糊自适应动感模拟算法,最后建立了车辆动力学、动感模拟算法与六自由度平台虚拟样机组成的车辆模拟器开发综合仿真平台。 论文阐述了项目中车辆模拟器的组成及工作原理,阐述了模拟器运动感觉模拟的机制,对模拟器运动系统做了详细的介绍,为车辆模拟器运动模拟技术奠定基础。
给出了车辆模拟器三维虚拟道路建模所需的路面轮廓数据和路形数据建模和生成方法,为车辆动力学仿真提供路面激励数据。利用路面不平度二维功率谱密度的表达式,通过二维傅里叶逆变换法得到了路面轮廓不平度三维路面高程数据生成方法,生成的高程数据的功率谱特性和各向同性特性均优于已有方法。推导了路面轮廓中包含的随机瞬态成分的空间位移特征与路面等级的关系,提出了三维空间内随机瞬态成分生成方法。根据道路路形特征给出了三维空间曲线道路建模方法,并采用线切割方法将道路与地形进行了融合。
阐述了Vortex车辆动力学建模的方法和流程,针对Vortex车辆动力学参数化建模的特点,设置不同的悬架参数,进行车辆行驶平顺性和稳定性仿真,然后进行结果分析对比。对不同路面类型以及各种车辆运动的典型工况进行了动力学仿真,为动感模拟算法的设计和优化提供数据支持。 针对经典动感模拟算法参数不能在线实时调整而导致平台空间利用率低的问题,在经典动感模拟算法和基于平台单自由度约束的模糊自适应动感模拟算法的基础上,提出了基于平台杆长约束的模糊自适应动感模拟算法。
首先解决了动感模拟算法中输入信号预处理、倾斜角速度限制环节处理以及自由度解耦等几个问题,然后提出了模糊自适应算法的原理与模糊自适应规则,并对几种动感模拟算法进行了仿真分析对比,结果显示基于平台杆长约束的模糊自适应动感模拟算法具有参数调节简单意义明确、调节作用平滑无冲击、不需要考虑多自由度之间耦合作用的优点,能充分利用平台的运动空间而提高动感模拟逼真度。
建立了车辆动力学、动感模拟算法、六自由度平台虚拟样机的Vortex、Simulink、 ADAMS联合仿真系统。首先阐述了联合仿真系统的组成、原理及作用,然后建立了六自由度平台ADAMS虚拟样机模型,并将其与Simulink相联接。以动感模拟运动的可视化与数据监控以及蛇形试验专用动感模拟算法为例,对联合仿真系统的应用进行了举例说明。
[关键词]大型游乐设施；虚拟仿真分析；方法
中图分类号：X922.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）06-0172-01
一、虚拟样机技术简介和AOAMS软件功能分析
利用虚拟样机技术可代替物理样机对产品进行创新设计、测试和评估，缩短开发周期，降低成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。虚拟样机技术的发展有赖于以下几项技术的发展和进步。
（一）智能技术
CAD技术的出现是产品设计历史上的一个里程碑，它在很大程度上缩短了产品设计的周期，减少了设计人员的工作量，但现有的CAD技术注重于外形细节设计行为，却忽略了产品概念信息的描述，实际上，设计人员总是先考虑产品的功能，然后才设计出产品的外形。因此，对虚拟样机技术来说，产品描述应是超越几何性的。由于虚拟样机技术对概念设计的要求，智能设计技术需要将用于概念设计的分析工具（如有限元分析，快速成型等）、计算机辅助概念设计和CAD技术有机的集成起来，支持产品几何定形前的功能规划和计算，通过分析这种幕后的功能计算，虚拟样机系统指导设计者怎样将几何形状转化为易于装配的，满足功能要求的、具有合适工艺的设计图形。
（二）并行工程
并行工程是集成各种技术，并行设计产品及相关过程的一种系统方法，同步实现设计、分析评估、制造、装配、核算和管理，它要求产品开发人员从一开始就考虑到产品整个生命周期的所有因素（质量，成本，工艺，结构，性能等），且要求实现计算机网络环境下的协同工作。
（三）仿真工程
对于虚拟样机系统来说，必须有一套能很有效支持可制造性分析的产品、工艺和生产系统模型，产品模型必须能够管理与制造加工有关的数据（如形位公差等）；工艺模型包括统计分析，计算机工艺仿真，制造数据库和制造规则库等；生产系统模型包括系统生产能力和生产特性的描述及系统动态行为和特性的描述，虚拟样机系统需要对上述模型进行数字化仿真和可视化，以对产品设计、工艺设计进行评估和优化。
（四）网络技术
在网络上进行分布式设计与制造是虚拟企业的生产方式。利用分布式设计与制造，可以实时的决定合作厂家，实现异地产品设计和制造，不仅节约了时间，而且由于分布节点之间的关系建立在一种全面合作和开放式体系的基础上，所以有利于设计、规划和处理问题。
二、旋转秋千虚拟样机模型的建立
（一）旋转秋千虚拟样机模型的建立原则
在ADAMS建模之前，必须对实际的旋转秋千样机模型进行简化。这样不但可以节省大量的建模时间。也可以保证ADAMS的仿真分析过程能够顺利进行。同时，由于ADAMS在进行运动学、动力学分析时，只考虑零件的质心和质量，对零件的外部形状不予考虑，因此在模型中精确地描述出复杂的零件外形，并没有多大的实际意义。当然零件形状描述得越准确，ADAMS自动求算的零件质量和质心的位置也就越精确。前面我们说过，建立复杂的模型并不是ADAMS的特长，如果模型的外形很复杂，又想得到比较准确的质量和质心，可以在其他的三维软件中建立好，然后通过ADAMS/Exchange导入ADAMS中，这些三维软件有pro/EUG等。这里建立模型遵循以下原则：首先，根据运动副对模型进行简化，各个零件之间的运动副要表示清楚。其次，在不影响视觉效果的前提下，模型的外形应尽量简化。最后，多个零件固接时，可以只用一个零件表示。以节省运动副数量。因为运动链越长，计算误差越大。
（二）底盘、立柱和顶盘模型的建立
由于旋转秋千的实体中底盘、立柱和顶盘这几部分经简化后结构比较简单，因此可以用ADAMS提供的基本建模工具进行建模。为方便起见，我们这样设置坐标系，x-Z平面代表水平地面，铅锤高度方向用y表示。旋转秋千实体中几个主要部分的模型尺寸：底盘：R=2.Om，L=0.5m立柱：R=0.5m，L=10.Om顶盘：R=5.0m，L=0.5m由于底盘、立柱和顶盘这三个主要部件经简化后为圆柱结构，因此可以采用ADMAS/View基本形体图库中的圆柱体（Cylinder）命令直接建立。为保证将来数据更为直观，将底盘的底面圆心坐标设置在（0.0，-0.5。0.0）点。将三部分模型外观建立好之后，应该对模型施加必要的约束，使模型按照实际的情况连接。按照旋转秋千的结构，需要做以下三处约束：1、底盘与地面。实际情况中底盘一般都是一部分在地面以下，另一部分伸出地面。这里我们在底盘与地面之间施加一个固定副（Fixed），将二者固定在一起，这样就限制它们之间所有的旋转自由度和移动自由度。2、立柱与谁盘：立柱主要起到支撑整个装置的作用，它与底盘也是相对固定的，因此也采用固定副连接。3、顶盘与立柱。顶盘是整个装置的旋转部分，它是在电机的驱动下以立柱为回转轴进行回转的，因此它与立柱之间要设置铰接副。铰接副限制了2个旋转自由度和3个移动自由度，这样保证了顶盘只能在x-Z平面内作回转运动。
（三）钢丝绳索模型的建立
1、钢丝绳索的建模思想
钢丝绳索的建模是旋转秋千建模的主要难点之一。钢丝绳索可以承受较大的拉力，抗弯能力很弱，具有较大的柔性，在工作过程中，钢丝绳索一直在不停的运动，产生较大的变形。为了能够反映绳索的动态响应和柔性，可以将钢丝绳索用很多相互连接的圆柱单元来表示。单元长度取决于运算规模的限制和相应的动态频率。通过合理设计单元之间的连接关系，等效仿真钢丝绳索。在本课题的分析中，在顶盘圆周上均布了12根绳索。根据装置的整体尺寸和立柱的高度，每根绳索为9m。因此我们将圆柱单元的长度取为0.3m，半径取为0，OO5m，总共设置了360个圆柱单元。经过比较，圆柱单元采用球铰模型进行连接。图 1-1中这种球铰连接模型约束了x-Y-z三个方向的移动自由度，使两个单元在连接处没有相对位移。由此可知，这种连接模型忽略了钢丝绳索受力后的拉伸变形；另外，它具有三个转动自由度，连接的两个单元可以在X、Y、Z方向产生自由的相对旋转，以实现绳索较大柔性弯曲和扭转变形的效果
2、宏命令简介
宏，简单来说，就是用户自己生成的一个命令。用户可以按照ADAMS八1ew的命令格式来编写宏，AADMS/View像处理其他命令一样处理宏，您可以在命令窗口中执行宏，也可以在宏中使用其它的宏，或在用户自己的用户化菜单、对话窗和按钮中调用宏。在宏中用户可以使用参数。这有助于用户在每次调用宏时加上数据，宏在执行时自动进行替换。三、自定义钢丝绳索宏命令由于钢丝绳索模型中总共设置了360个圆柱单元。为了便于建立模型和修改模型，我们采用自定义宏命令的方法来建立模型。该模型的钢丝绳索宏命令子程序具有一定的通用性。只要根据要求对此程序进行简单的修改，就可以应用在其他种类的钢丝绳索模型的建立。
三、结语
综上所述，运用虚拟样机技术，可以大大简化机械系统的设计分析过程，大幅度缩短实北京化工大学硕士学位论文验研究周期，大量减少研究开发费用和成本，明显提高产品质量，提高产品的系统及性能，获得最优化和创新的设计产品，并且有足够的分析精度，对于大型游乐设施的设计与优化具有明显的促进作用。
参考文献
关键词：液压；凿岩机；设计研究；建议
中图分类号：TD421.2 文献标识码：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 我国液压凿岩机设计研究历史回顾
我国液压凿岩机的研制起步非常早，距今已近50年。我国液压凿岩机技术研究也很早，二十世纪七十年代，我国长沙矿冶研究院等就翻译了大量国外液压凿岩机专利和论文，七十年代后期，我国作者撰写了大量液压凿岩机的技术论文，直到现在，关于液压凿岩机的论文与专利仍然不断出现在各类期刊与网络上。
我国液压凿岩机设计研究方面的论文，有博士论文，硕士论文，学士论文，有期刊论文，也有网络论文，在整个液压凿岩机技术论文中，占据了很大一部分。
估计有20个高等学校（其中包括3所师范大学）和近10个研究院所的作者发表过液压凿岩机技术论文，其中大部分是关于液压凿岩机设计研究方面的论文。专利文献更是与液压凿岩机结构设计有关。可见，液压凿岩机设计研究在我国并非冷门。
我国液压凿岩机的技术论文与设计研究论文大量产出。与此形成鲜明对比，我国液压凿岩机产品发展很缓慢，独立开发的产品，很少能在市场站住脚。
2 我国液压凿岩机文献的分类
2.1 研究型论文
2.1.1 设计计算型论文
此类论文数量多。
设计计算型论文包括了仿真计算，优化设计，活塞间隙优化设计，蓄能器设计优化，换向阀设计优化，活塞缓冲设计，钎尾缓冲设计，冲击频率调节方法等等。
博士、硕士、学士的论文几乎全部属于此类。高校与研究院所作者的论文大都属于此类。此类论文数量多。
2.1.2 实验研究型论文
实验研究型论文包括实验方法介绍，实验设备和仪器介绍，实验项目介绍，测试结果与测试曲线分析，误差分析等等。
此类论文中介绍实验原理与实验方法的较多。专门介绍液压凿岩机测试结果与曲线，并且进行分析的论文较少，大多散见于设计计算论文中，作为计算正确性的证明。
高校与研究院所作者有些论文属于此类，此类论文数量不多。
2.1.3 材料热处理研究型论文
材料热处理研究型论文包括活塞、钎尾的选材与热处理，铜套的选材等等。关于活塞、钎尾的选材与热处理的论文较多，关于其他零件的论文数量少。
2.1.4 加工工艺型论文
加工工艺型论文包括凿岩机主要零件的机加工的设备，工装夹具，量具与测量方法，工序与工艺步骤，怎样保证尺寸精度与位置精度，等等，大概是技术保密的原因，此类论文数量极少。
2.2 综述型论文
2.2.1 产品品种型号综述型论文
产品品种型号综述型论文包括当时国内外液压凿岩机产品的厂家，系列，型号，主要性能参数等等。
此类论文数量较多，但大多是介绍阿特拉斯、山特维克公司的液压凿岩机产品，介绍国内产品的较少。
2.2.2 产品历史发展综述型论文
产品历史发展综述型论文包括介绍国内外液压凿岩机历史发展，产品型号推出的年代，市场情况等等， 此类论文数量不多，但大多是介绍蒙特贝塔、阿特拉斯、山特维克公司的液压凿岩机产品历史，介绍国内产品历史的较少。
2.2.3 产品技术综述型论文
产品技术综述型论文包括液压凿岩机结构类型，技术进展，等等。此类论文数量少而且内容重复较多。
2.2.4 产品市场调研分析指导型论文
产品市场调研分析指导型论文包括当时国内使用的液压凿岩机产品的主要型号，市场保有量，年销售量与销售额，备件销售量与销售额，市场的细分，将来市场的趋势预测，市场对液压凿岩机的性能与技术要求。
此类论文很重要，对于国家的产业政策和企业的产品规划指导意义很大。
此类论文数量极少，几乎没有，倒是在网络上各种市场调查公司的广告不少，只提供提纲，具体内容要付费才能提供。
由于我国缺乏市场液压凿岩机产品销售数据统计，要写出高可信度的此类论文，必然要花费巨大的人力财力，只靠个人或一个单位的力量难以完成，最好有行业组织与行政力量的参与。
2.3 使用维修型论文
2.3.1 产品使用方法型论文
产品操作方法型论文包括凿岩机冲击压力，旋转压力，推进压力的优化匹配，钻头直径与旋转速度的匹配，操作方法等等。
此类论文数量不多，有北京科技大学高澜庆教授等的论文“液压凿岩机主要工作参数对凿岩速度影响的试验研究”，有广东省水利水电第二工程局梁明华论文“液压凿岩机旋转速度与凿孔直径的关系” [1]，是凿岩机使用实践总结，指导意义更大。
2.3.1 产品维修与故障分析型论文
产品维修与故障分析型论文多数为水电工程局、铁路隧道工程局的技术人员所写。此类论文来源于生产实践，言之有物，参考价值很大，数量不多，列举如下：
煤科总院北京建井所黄园月、李耀武、郭孝先“液压凿岩机的故障分析与防治”；
广东省水利水电第二工程局何雄彬“HDl35A和COPl238ME型液压凿岩机工作原理及常见故障处理” [2]；
广东水电二局股份有限公司李同明“阿特拉斯ROCD7钻机使用中易出现的问题与改进” [3]；
李强“Atlas 1838型凿岩机六种常见故障的排除”[4]；
张兆钦“COP1238凿岩机技术特点及使用维护” [5]；
田华军“HL500型液压凿岩机的日常维护保养” [6]。
2.4 产品介绍型论文
2.4.1 产品性能介绍型论文
产品性能介绍型论文多为介绍阿特拉斯、山特维克公司产品的论文，也有少量介绍国内海卓公司产品，乐清采矿机械厂的液压凿岩机产品的论文。
2.4.2 市场应用报道型论文
国外作者关于液压凿岩机市场应用报道型论文很多，国内此类论文数量很少，有少量关于YYT26支腿式液压凿岩机工程案例，使用成本效益分析的报道。
2.5 专利文献
最近的十几年关于凿岩机械的专利有六十多件，大都是液压凿岩机械的结构设计方面的专利。尚未见到有重大影响，或产生效益的专利。
3 我国液压凿岩机技术研究的不足
3.1 凿岩机文献的五多五少现象
通过对我国液压凿岩机文献的分析，我们发现有五多五少现象。
（1） 设计论文多，实验与工艺论文少；
（2） 研究论文多，使用维修论文少；
（3） 性能介绍型论文多，市场应用报道型论文少；
（4） 历史发展综述论文多，市场调研分析指导型论文少；
（5） 专利多，影响小。
3.2 缺少学术交流讨论
我国大概有20多年没有开过全国性液压凿岩机技术方面的交流会或研讨会。
我们众多的论文作者，都是在自说自话，没有交流，没有讨论，更没有争论。论文提出的论点，基本没有人跟进，进行理论与实践两个方面的证明或证伪，或补充，只是不加评价的引用。
我怀疑，很少有人认真阅读这众多的论文，如果不是博士生，硕士生，大学生因为做毕业论文的需要，阅读的人就更少了。我国关于液压凿岩机论文的影响力实在有限。
3.3 设计理论研究与产品生产脱节
我国大概可称得上液压凿岩机设计研究论文数量大国，但是我国自行开发的液压凿岩机产品多数从市场上消失，现在还能在市场上站住脚，有一定销售量的产品，多数为1980年代技术引进的产品。这种情况至少说明我们的设计研究和产品生产是脱节的，或者说明我们的设计理论还不成熟，还要不断改进。
4 我国液压凿岩机设计理论的主要论点
4.1 关于凿岩机冲击机构设计理论
4.1.1 三段法理论
认为活塞往复运动一个周期是由活塞回程加速、回程减速、冲程加速三个阶段组成的。4.1.2 设计变量理论
将一个无量纲数称为设计变量，这个无量纲数可以是：
（1） 冲程时间与活塞运动周期之比；
（2） 活塞回程加速度与冲程加速度之比；
（3） 活塞行程与可能最大行程之比；
（4） 活塞后腔受压面积与前腔受压面积之比，很明显，第四个无量纲数最直观，最易检验。
4.1.3 优化设计理论
根据以下5个设计目标，求得一个最佳设计变量。
（1） 蓄能器容积变化的最大值最小；
（2） 蓄能器隔膜震动次数最小；
（3） 能量利用效率最高；
（4） 冲程时，最大瞬时流量最小；
（5） 回程时，最大瞬时流量最小。
4.2 关于换向阀设计理论
4.2.1 换向阀中位正开口理论
换向阀在中位时，换向阀的高压窗口与低压窗口都有微小开启，叫正开口。认为正开口有益于冲击机构性能改善。主张应该采用正开口。
4.2.2 换向阀最优行程理论
换向阀行程的选取受到阀口通流面积，换向时间与阀耗油量三重制约，存在一个优化点。
4.3 关于蓄能器设计理论
4.3.1 高压蓄能器与活塞运动的最佳耦合理论
蓄能器的蓄油与排油量不仅与蓄能器的容积有关，而且与系统的工作频率有关，如果蓄能器固有频率选择不合适，即使加大蓄能器容积，也不能增大蓄能器的蓄油与排油量。
在蓄能器结构参数固定，凿岩机进油压力确定的情况下，可以改变蓄能器充气压力来改变谐振频率，使得系统处于最佳工作状态。
这个理论是极有理论研究价值与学术价值的，是一个动态的理论，是北京科技大学首先进行研究的，可惜无人跟进，这方面的论文太少。
4.3.2 蓄能器一次振动理论
在活塞运动一个周期内，蓄能器隔膜只有一次振动。这个理论已经包含在第4.1.2小节的优化设计理论中了，这是一个静态的理论。
4.4 关于信号孔位置
4.4.1 活塞回程换向信号孔位置的计算
这个理论是由北京科技大学与中南大学提出的，这是极其重要的计算，缺了这个计算公式，无法进行凿岩机的图纸设计。
4.4.2 活塞冲程换向信号孔位置的确定
这个理论是由北京科技大学与中南大学提出的，这也是极其重要的计算。既不能换向太早，使得撞击钎尾时，活塞已经被减速，也不能换向太晚，造成活塞二次打击钎尾。
4.5 钎尾反弹缓冲动力计算
研究这个理论的有浙江大学张新等人，广东工业大学机电工程学院刘智等人，中南大学机电工程学院赵宏强等人，杨国平等人，难能可贵的是，张新做了实验研究，有实验曲线图。
4.6 其他理论
（1）活塞密封间隙与长度优化理论；
（2） 活塞空打缓冲结构计算；
（3） 冲击频率无级调节自动换挡理论。
以上3种理论均有，就不一一论述了。
5 我国液压凿岩机设计研究亟待解决的问题
5.1 换向阀的结构尺寸问题
（1） 换向阀中位负开口的优缺点分析；
（2） 最优负开口量的计算与实验验证；
（3） 换向阀最优行程理论与实验验证。
5.2 活塞与缸体结构尺寸问题
（1） 活塞前后腔面积的确定及优化；
（2） 活塞回程换向信号孔位置的确定；
（3） 最优冲程换向信号孔位置计算与实验验证。
5.3 蓄能器与活塞运动的最佳耦合理论
研究蓄能器隔膜的动态频率响应，蓄能器最佳充气压力的计算。
5.4 钎尾反弹缓冲系统动力计算与实验验证
不但研究缓冲机构本身，进行静力学计算，更要研究钎尾反弹缓冲系统的动态响应，将缓冲机构，钎具与缓冲液压油路作为一个系统，研究缓冲活塞的频率响应，缓冲液压系统是否能有效吸收钎尾反弹的能量，又是否能迅速将钎头重新抵紧岩石。
5.5 凿岩机反打系统动力计算
既要研究反打机构本身，进行静力学计算。更要将反打机构与反打液压油路作为一个系统，研究反打活塞的位移，运动速度与冲击能量。
5.6 零件的气蚀与腐蚀问题
（1）活塞前后腔气蚀问题的计算与解决方法；
（2）凿岩机壳体联接平面点蚀的原因与预防。
6 我国液压凿岩机设计研究的学术建议
6.1 反求法
对国外高端液压凿岩机结构尺寸的分析，用反求法研究凿岩机冲击机构的设计计算公式与方法。反求法基本属于归纳法，反求法需要统计多台高端液压凿岩机的结构尺寸，统计数据越多，代数计算公式越接近实际，设计指导作用越大。这方面的工作似乎还没有人去做。
6.2 验证法
将我们国内的设计理论，如用最佳设计变量理论，换向阀最优行程理论，蓄能器设计理论，分析国外高端液压凿岩机的结构尺寸、充气压力等参数，检验是否符合我们的理论。如果大致符合，则验证了我们理论的正确性，如果相差很大，则要寻找原因。
6.3 代数计算公式研究
6.3.1 液压凿岩机设计研究方法的分类
理论分析与公式计算，实验研究，计算机数值仿真是凿岩机设计研究的三驾马车。
三段法，最佳设计变量等属于理论分析计算。
理论分析与公式计算是凿岩机设计研究的基础，是实验研究与数值计算的的基础与指导。
6.3.2 液压凿岩机代数设计计算公式的建立
公式计算必须将凿岩机的物理（实际）模型简化为力学模型，再进一步简化为数学模型，再简化为代数公式。简化必须是合理的，不能与力学模型有大的矛盾和冲突。
在不断的简化中，必然有失真，这时就要用经验系数去校正。这方面我们还有许多工作要做，对每一结构类型的凿岩机，都可以研究出一套基本通用的计算公式。
6.3.3 液压凿岩机代数设计计算公式的输入输出
代数公式计算输入的是冲击能，冲击频率，冲击末速度，进油压力， 输出的是活塞质量，活塞前后受压面积，活塞行程，信号孔位置，阀的结构尺寸，阀行程，开口量，凿岩机进油流量等等。
6.4 强化实验研究
6.4.1 液压凿岩机实验的分类
在理论分析指导下的实验研究是必不可少的，我们的力学模型，数学模型是否正确，简化是否合理，都需要实验验证。数值仿真计算就更需要实验验证了。
这里所说的实验主要是凿岩机内部机理实验，也可是型式实验，而不是出厂实验。
6.4.2 液压凿岩机实验的规范
实验的各种条件，包括样机，液压系统，测量方法，仪器仪表，都应该是明确的，实验的结果应该是真实的，可重复的，重复实验的误差应该进行分析。实验的时间、地点与参加人应该注明。
6.5 数值计算研究
6.5.1 数值计算的定义
数值计算就是虚拟样机技术，因此数学模型要尽可能逼近力学模型与物理模型，数值计算需要输入的数据很多，需要详细的凿岩机图纸数据，否则不能称之为虚拟样机。
数值计算又叫动态仿真，我国在数值计算方面的论文太多了。有基于AMESim的仿真，基于Simulink的动态仿真，基于MATLAB的计算机仿真，准匀加速度法仿真计算，键合图方法仿真，等等。
6.5.2 液压凿岩机数值计算输入输出的基本要求
冲击机构数值计算中，进油流量必须是输入值，而压力是输出值。
数值计算输出结果不能仅仅是冲击能，冲击频率等，必须能输出活塞运动速度、位移，换向阀的速度、位移，活塞前后腔压力的曲线。并且能够描述出液压油的空化与气蚀现象。
数值计算的结果曲线应该用实验曲线验证，未经实验验证的仿真计算是不可信的。
数值计算的结果应该是真实的，不能弄虚作假，其他人也可以重复运行程序。
6.5.3 液压凿岩机数值计算程序的基本要求
数值计算的程序应该模块化，数值计算需要花费大量的精力与时间，不是一个人短时间能够完成的，因此数值计算的程序应该模块化，可以由一组人员分工，进行编写。
数值计算程序应该界面友好，参数的改变，应在界面中进行，而不应在程序中进行。
数值计算的模型与程序应该是持续改进的，和所有的计算机软件一样，应该有版本号。液压凿岩机数值计算程序应该通用工具化，不要搞成专用工具。不能只有作者自己用，换一个人就不能用。
6.5.3 液压凿岩机数值计算程序的难点
虚拟样机技术是一项浩繁的工程，但是并不是遥不可及。内燃机的燃烧过程，牵涉到化学，燃烧学，热学，力学，都可以做到数值仿真，并且在发动机设计中起到重要作用。冲击机构的数值仿真也一定能做到，但是这要求有一个精干的团队和一个好的实验条件。
数值计算程序都是针对某一个特定的图纸的，因此通用性较差。不要指望适合于单腔回油的凿岩机，也能适合非单腔回油的凿岩机。也不要指望适合于芯阀结构的凿岩机，也能适合套阀结构的凿岩机。这也是数值计算应用的一个难点。我们至少应该做到，对某一相同结构类型的液压凿岩机，具有通用性。
7 我国液压凿岩机设计研究的政策建议
7.1 以企业为主体，产学研结合
过去几十年，我国液压凿岩机设计研究是以高校和研究所为主体的，和企业产品开发联系较少。事实证明，我国液压凿岩机设计研究进步不大，只有以有实力的大企业为主体，厂学研结合，学校与研究所自己不搞产品生产，只为社会和企业提供知识与技术，各自发挥自己的优势，才是我国液压凿岩机技术与产品的发展道路。
7.2 以行业协会为主体，组织技术交流
与凿岩机的生产、使用有关的行业有凿岩机械气动工具、煤炭、矿山、铁路、水电、冶金等等，在1980年代，矿山机械行业组织过液压凿岩机技术交流会， 1990年代初期， 煤炭建井行业组织过液压凿岩机技术交流会。
8 结语
（1）对我国液压凿岩机研究文献进行了分类，5大类，13个小类；
（2）分析了我国液压凿岩机技术研究的不足，3个方面的不足；
（3）列举了我国液压凿岩机设计理论的主要观点，6大类，13个观点；
（4）列举了我国液压凿岩机设计中亟待解决的5大类共11个问题；
（5）提出了我国液压凿岩机设计研究的5条学术建议；
（6）提出了我国液压凿岩机设计研究的2条政策建议。
参考文献：
[1] 梁明华.液压凿岩机旋转速度与凿岩直径的关系[J].工程机械，2001，32（6）.
[2]何雄彬.HDl35A和COPl238ME型液压凿岩机工作原理及常见故障处理[J].广东水利水电，2001（8）.
[3] 李同明.阿特拉斯ROCD7钻机使用中易出现的问题与改进[J].四川水利，2004（3）.
[4] 李强.Atlas 1838型凿岩机六种常见故障的排除[J].工程机械，2005，36（3）.
[关键词]排气歧管 CAE 有限元分析 优化
[中图分类号]TK403 [文献标识码]A [文章编号]1009-5349（2014）11-0079-02
排气歧管是车辆内燃机排气系统中的重要组成部分，对内燃机的动力性、经济性和排放均有影响。因此，在车辆维修时，它是很难检测到由于高的内燃机的排气背压内燃发动机功率发挥不足或内燃发动机不能正常工作。本论文针对内燃机排气管路中造成排气阻力的成因进行分析，为生产、安装提供结构优化，通过一些数据分析的排气管线的安装尺寸、方法和结构的优化，减少排气管线出现的反压现象引起的排气气体湍流，有效降低高内燃机排气背压的情况下，保证内燃机稳定工作。
一、研究对象
本文选用FB4105防爆柴油机的研究对象为排气歧管。FB4105防爆柴油机的主要技术参数有：转速2300r/min、净重350kg、防爆净功率40KW、总排量2.5L。
边界条件的排气系统数学模型包括：
（1）入口边界条件是：根据发动机排量和速度给定的入口速度V=12.06m/s，根据发动机废气排放温度给定入口温度600℃，根据给定的速度和湍流强度0.3MPa入口处入口结构的价值。
（2）出口边界条件：针对出口压力的条件下，假设出口压力是大气压力。
（3）壁面边界条件：壁面边界条件为无滑移速度边界条件。
二、虚拟样机模型
根据测绘数据，应用UG软件建立排气歧管的三维模型（图1：排气歧管三维模型），从三维模型图中抽取出气道三维图（图2：排气歧管气道三维模型）。
图1 FB4105排气歧管三维模型
图2 排气歧管气道三维模型
三、CAE有限元分析
CAE模块是3d应用UG软件中的一个有限元分析模块，从订单的产品、设计、开发，综合传统的经验设计和稳流试验台的试验和错误的方法，改进的虚拟开发。在虚拟环境下设计实现了虚拟样机开发的数字仿真方法的产品性能评价过程、优化和修正，从根本上改变了传统的设计思想，减少不必要的原型机生产，降低产品设计成本，缩短产品的设计周期。
UG高级仿真模块提供对许多行业标准解算器的无缝、透明支持，这样的解算器有NX Nastran、ANSYS等。如高级仿真模块使用该解算器来处理所有网格划分、边界条件和解法，还可以求解模型并直接在结算过程中查看结果。高级仿真模块除提供基本设计仿真中的功能外，还具有高级分析解算流程的其他功能：
（1）高级仿真有独特的数据结构。
（2）高级仿真有很强的网格划分功能。
（3）高级仿真有灵活的几何体设计方法。
（4）高级仿真中有NX传热解算器和NX流体解算器。
按照要求用UG软件打开排气歧管气道三维模型，点击高级仿真模块，新建FEM（Finite Element Modeling）模型，求解器为NX Thermal/Flow，分析类型为Coupled Thermal-Flow（耦合热流），材料赋予Air（空气），采用四面体网格进行划分，单元格选为5，共划分有41197个网格单元。图3为创建的排气歧管气道三维模型网格图。
图3 排气歧管气道三维模型网格图
四、CAE有限元计算结果及分析
按照内燃机的点火顺序（1缸―3缸―4缸―2缸），分别加载边界条件，对1缸、2缸、3缸和4缸的气道进行流体模拟分析，从结果可见，流道发生拐弯及弯曲的形状都会影响气流，从优化前的图5、图6、图7及图8上可以看出，每个排气工作时，对当前管到出口的拐弯处，有一块区域的气流产生的紊流现象很明显，壁面受气流的冲击也比较大;当前工作缸的气流对后面的气道没有产生影响，但是对前面的气道均产生了影响。
五、小结
从FB4105排气歧管的数值模拟和分析可以基本上满足光滑排气的要求，强烈的涡流区没有出现在管内，只有极少部分涡流现象在管道的弯曲处出现。为了提高通道的气流速度的均匀性，对原结构进行改善，将在管道弯曲处设计添加圆角。仿真结果表明，原来存在的湍流现象显著降低了，并且对排气气缸后面的气道也没有影响，气道形状设计更加科学合理。
【参考文献】
关键词：两栖机器人；优化；仿真；动态分析
在现代战争中，水域作战是海洋军队的一块重要领域。在作战中，经常遇到水障碍，目前通过水障碍的方法有很多，例如，在河上建立一座桥梁，或者浮渡，或者直接涉水过河等。其中浮渡是最有效的一种方式，通过浮渡，机械化部队不需要花费太多时间成本和财物成本，甚至不需要考虑气候条件，时间因素等。
作为浮渡的主要工具---水陆两栖车辆，因其具有不可预测性与灵活性，作战时，在一定程度上能起到决定性的作用。因此，在抢滩登陆战中越来越受到广泛的关注。近些年，很多国家都在研究水陆两栖车辆，研究如何将水陆两栖车辆更有效地投入到战斗中使用。
目前，大多数水陆两栖车在进入水中之后，轮胎悬挂在车底下，受到水的阻力，从而限制了两栖车在水中的行驶速度。因此，如何消减轮胎对行驶速度的影响，成为水陆两栖车辆的一大核心研究问题。针对这个问题，此论文设计了一个能将轮胎收回的机构。从而减少轮胎悬挂时对行进速度的影响。
一、水陆两栖汽车轮胎收回机构的结构形式及其工作原理
如图1.1所示，图中43处连接轮胎，连接差速器6 把动力通过动力输出装置7传给转动轴10，然后带动轮胎旋转。动力源通过管29传递到液压缸28，液压缸28通过杆27将转动传递到主传动轴26，主传动轴26两端分别连接杆27及下支杆12，下支杆12一端通过销钉连接到车体2上，另一端通过销钉与支架16底端相连，支架16上端通过销钉20与上支杆11相连，上支架11通过销钉22与车体2相连。[1，2]
因此，当液压缸输出动力通过主传动轴26带动上下支杆将支架16抬起。从而起到把轮胎收回的目的。
为便于分析，先简化模型，根据立体模型，利用ADAMS软件创建一个同等功能的平面模型，以点5为原点，液压缸初始位是竖直的，起到抬起作用的主要部件是支架2、上支杆3、下支杆8 及液压缸4，之后添加约束，创建变量点。如图1.2所示。由于变量点一要与液压缸4保持竖直，所以其X值固定为-250。
车体参数：车重1500KG，载重 500KG，轮胎抬起高度500～700mm， 轮胎最高处倾斜角度450～600。
二、两栖汽车轮胎收回机构的优化设计及分析
对模型进行运动学仿真分析，主要进行抬起试验仿真。进行抬起试验验证所建立的模型是否正确并进行优化设计。根据仿真分析，得到最优化的尺寸。在本设计中，我们所要得到的是液压缸所承受的最小力量，所以，测量部件就为液压缸。设置好后利用ADAMS软件进行模拟仿真，当仿真结束之后，能得出每一次仿真的受力曲线图，如图2.1所示，同时会得出一个列表，在该列表中能清晰反应出每次仿真时的最大受力及每个变量点的值，如图2.2所示
该表也会综合比较出所有仿真值中的最大值及最小值及各值所在的仿真次序。在此轮仿真中，最小受力是在第25次仿真中得出的，其值是3316.4N。查询数据可知第25次仿真时各数值如下：
力值： 3316.4；DV_1： -126.00；DV_2： -270.00；DV_3： 165.00； DV_4： -517.00； DV_5： 81.000。
所以，取在第25次仿真得到的数值，即取变量点一的坐标为（-250，-126）；变量点二的坐标为（-270，165）；变量点三的坐标为（-517，81）。最终确定的结构系统如图2.3
三、液压缸的计算与选择
计算液压缸的主要结构尺寸
液压缸主要设计参数见图3.1，a为液压缸活塞杆工作在受压状态，b为活塞杆工作在受拉状态。
液压缸的缸筒内径D是根据负载大小和选定的工作压力，或运动速度和输入的流量，经过计算之后，再从GB/T 2348―1993（见表3.1）标准中选取最近的标准值而得出D为63mm合适。
一般，液压缸在受压状态下工作，其活塞面积为
A1=（F+ P2A2）/P1
运用上式须事先确定A1与A2的关系，或是活塞杆直径d与活塞直径D的关系，这个可按表3.2来选取d/D。再按表3.3圆整。
本设计选择的工作压力P=1.2MPa
即D=63mm d=32mm
液压缸的行程则由上章中可知为 L=70-（-126）=196 mm
计算液压缸工作时所需流量Q
Q=v×A=v×πD2/4=0.01×3.14×0.0632/4=0.0000312m3=31.2 ml
综上，可选用型号为HSJ-63/32200 最大压力为1.2MPa的液压缸。[3，4]
结论与展望
如今虚拟样机技术在主要的工业领域（通用机械、汽车、航空、机械电子等）得到了广泛的运用，它融合了现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，将这些技术应用于复杂系统全生命周期和全系统并对它们进行综合管理，从系统的层面来分析复杂系统，支持由上至下的复杂系统开发模式，利用虚拟样机代替物理样机对产品进行创新设计测试和评估，以缩短产品开发周期，降低产品开发成本，改进产品设计质量，提高面向客户与市场需要的能力。
本文仿真研究结果表明，运用虚拟样机技术对水陆两栖汽车轮胎收回机构进行动力学仿真分析可以很好的将机构的各种工况较为真实的反映出来，是一种可行的分析手段，同时也证明使用该项技术为水陆两栖车的设计和实验提供较重要的参考数据，可以大大缩短整机系统的设计周期，节约研制经费。
但是由于水陆两栖车是处于一种新型的产品，虽然在德国有了这种产品，但由于所有真实数据尚处于军事机密当中，该设计只是通过几张实物照片及专利文献来进行模仿研究设计，因此，本文可能会存在一些不足之处，期望有同行校正。
参考文献
[1] Alan Timothy Gibbs， London（GB） ”Amphibious Vehicle，” U.S.，US7027851B1[P]，2007.
[2] Alan Timothy Gibbs， London（GB） ”Amphibious Vehicle，” U.S.，US7214112B2[P]，2007.
[3] 邱宣怀主编.机械设计.第4版. 北京：高等教育出版社，1997.
