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（①中國75240部隊，潮州 521000；②中國65370部隊，長春 130000；
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：
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關鍵詞：Adams； 機構學； 機械原理； 虛擬樣機
中圖分類號：G424.2文獻標志碼：B
0引言
虛擬樣機技術以其高效率和低成本，在機械產品設計中得到越來越廣泛的應用.通過對機械產品的虛擬樣機建模和仿真分析，可以快速、準確地獲取機械產品的性能，從而驗證設計指標并評價設計結果[1].作為目前世界領先的機械系統動力學分析軟件，Adams以其公認的優越性被越來越多的工程技術人員和科研人員所應用，在機械系統設計和分析領域發揮重要作用.
筆者多年來一直探索如何使學生在課程學習中了解和掌握Adams這一先進軟件.在“機械原理”課程[2]的教學中，已有一些教師進行有益的探索——將Adams用于機構分析[3-6]，獲得良好的效果.在“機械原理課程設計”課程中，有些教師也將Adams應用其中——學生在設計機構運動方案時，應用Adams對設計結果進行驗證[7-9].這些嘗試為“機械原理”課程注入新的教學內容和教學方法，加深學生對機構學知識的理解.但總體來看，這些嘗試還停留在個別教師的教學改革試點層次，缺少Adams與課程內容融合的整體規劃和實施方案.本文從本科生課程和研究生課程2個方面介紹北航在Adams教學中的一些嘗試.
1Adams在本科生教學中的應用
機械原理課程的研究對象為機器和機構，如何在課堂上將機器和機構運動起來，成為提高學生學習興趣和扎實掌握相關理論的關鍵.傳統的教學方法只能依靠教師的講解，將靜止的機器和機構“動”起來，不直觀；一些設計分析結果也無法實際展示和驗證，在很大程度上影響學生對問題的理解和對知識的掌握；此外，雖然學生學習很多的經典理論，但在工作不會應用，導致理論與應用脫節.
為此，自2003年以來，北航機械原理教學團隊以Adams為平臺，將虛擬樣機技術與課程的機構以及機構系統的分析與設計內容有機結合，不僅使靜止的機構圖形運動起來，提高學生的學習興趣，增強對問題的深刻理解，而且使學生初步掌握虛擬樣機這一先進技術，為持續、快速地進行機構創新設計與分析奠定基礎.在課堂教學過程中，以教師為主導，通過虛擬樣機的建立和仿真，對涉及的機構學問題給予直觀、生動的詮釋.學生則利用課余時間，通過上機練習來熟悉和掌握虛擬樣機技術.
1.1課堂教學
3結束語
探索和總結本科生的“機械原理”課程與Adams有機結合的內容和實現方法，進一步探討在研究生階段開設針對學習Adams的“產品設計與虛擬樣機”課程的教學內容、教學方法和教學成果等.在高校開展Adams的學習和應用教學，雖然取得一定的成果，但總體來看，仍處于探索階段，希望通過同行的共同努力，在相關行業的支持下，不斷地深入和推廣下去.
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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.
關鍵詞：某型火炮；虛擬樣機；建立；可信性驗證
Key words: a certain type of artillery；virtual prototype；establish；verification of the credibility
中圖分類號：E2 文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2010）35-0036-02
0引言
火炮的反后坐裝置被稱為火炮的“心臟”，目前火炮在實際使用過程中，由于測試手段的局限性，而且進行實彈射擊危險性較大，不能很好的判斷反后坐裝置工作是否正常。我們利用虛擬樣機技術對火炮反后坐裝置的工作性能進行評估，通過仿真試驗結果，來檢驗虛擬樣機的可信性。
1虛擬樣機的建立過程
我們在Pro/E的環境中按照火炮各體的實際尺寸和動力學特性進行實體建模。對組成火炮系統的各體施加約束力。在此基礎上，將實體模型轉換成ADAMS環境下的具有動力學參數的實體模型[1,2]。Pro/ENGINEER是由美國PTC（參數技術）公司研發的的三維建模軟件廣泛應用于電子、機械、模具、工業設計、汽車、航空航天、家電、玩具等行業，是一個全方位的3D產品開發軟件[3]。ADAMS是一個動力學分析軟件，它能更好地解決復雜系統的動態指標參數[4,5]，按照美國MDI公司開發的通用動力學仿真軟件ADAMS和美國PTC公司的CAD軟件Pro/E作為基本建模工具，兩者之間的接口采用MDI公司開發的ADAMS與專用接口模塊Mechanism/Pro（簡記為M/Pro）建模的過程如圖1。
本系統需要運用ADAMS作為輔助，結合Fortran語言編制仿真模型的用戶自定義程序。在ADAMS環境下獲得可以仿真火炮動態特性的虛擬樣機模型。具體模型如（圖2、3、4）：
2虛擬樣機可信性驗證
由于火炮實彈射擊試驗具有一定的危險性，因此需要專門的試驗場地和多方面的人力保障，而且在試驗過程中需要通過特殊的測試手段、運用專門的儀器設備才能對火炮的各種參數進行測試，以致于試驗成本較高。建立火炮虛擬樣機的過程，是一個不斷建模――驗模――再建模的過程，對于任何仿真試驗結果都應進行試驗驗證，以檢驗其仿真結果的可信度。由于受經費、場地和測試手段等諸多因素的制約，我們選用某型火炮的定型試驗報告提供的火炮測試參數的相關數據和圖表曲線，來考核和檢驗虛擬樣機仿真輸出結果的準確性?；鹋谶M行定型試驗是為了全面檢驗和考核火炮的戰術、技術指標和安全性，通常要對火炮射擊時的各主要狀態參數進行綜合性測試，而且為保證測試數據的準確性，通常對火炮某一測試項目要進行多次試驗反復測試，所以試驗測試數據既有單發射擊的圖表曲線，又有多發射擊試驗數據的統計平均結果，因此運用火炮設計定型試驗的數據結果可以對所建立的火炮虛擬樣機進行更充分、更全面的考核和驗證。
現代火炮采用了反后坐裝置后，其炮身通過反后坐裝置（駐退機和復進機）與炮架彈性相連，火藥氣體作用于炮身產生的腔內壓力Pp t通過駐退機和復進機進行緩沖，因此炮架的受力由原來的炮膛合力Pp t變為反后坐裝置提供的后坐阻力R。實踐證明反后坐裝置的應用使得炮架實際受力僅為炮膛合力最大值Pptm的幾十分之一。反后坐裝置的作用如此重要而常常被稱為火炮的“心臟”，為此反后坐裝置內的各相關動態參數已成為衡量火炮動態性能的重要指標。通?；鹋诘姆治鲇嬎愫驮囼灉y試也都重點考核這些指標參數，所以本文也以這些指標來考核虛擬樣機的準確性。
2.1 反后坐裝置的作用①可以極大地減小火炮射擊時的受力；②將全炮的后坐運動變為可控制的炮身沿炮身軸線的后坐運動，并使其射擊后自動恢復到射前位置。
2.2 反后坐裝置的動作原理火炮射擊時，后坐部分的后坐阻力主要由反后坐裝置所提供。反后坐裝置不同于一般的緩沖阻尼器系統，它實際上是一個結構復雜的緩沖阻尼裝置，通過改變流液漏口的面積改變后坐阻力，使其滿足一定規律而達到有效控制后坐運動和受力的目的。后坐開始時，駐退機內液體在工作腔分流為兩股液流，一股經節制桿與節制環之間的環形漏口流向非工作腔，另一股由駐退桿內壁與節制桿之間的環形通道，經調速筒流入內腔。由于駐退桿不斷抽出，駐退機外腔的液流在活塞壓強作用下分別流向駐退機非工作腔和內腔。為保證火炮在整個后坐行程上全程制動，駐退機內腔始終充滿液體，其壓強p2>0。在對駐退機進行試驗測試時，主要測試駐退桿外腔和內腔的壓強，針對復進機的測試也主要測試其腔內氣體壓強。
后坐部分復進時，駐退機內腔壓強p2>0，內腔液體在其作用下流回外腔。由于真空的存在，駐退機非工作腔在復進開始一段距離內壓強為零，只有內腔液體存在壓強，復進時駐退機內腔的壓強對反后坐裝置的影響也很大，在試驗鑒定時也作為一個測試項目。復進機的作用是在后坐過程中提供后坐阻力和在復進過程中提供復進動力。在后坐開始時，復進機腔內氣體壓強不為零，之后隨后坐行程增加而逐漸增大，至后坐終止時腔內氣體壓強達到最大，在復進時其腔內氣體壓強與后坐時一致。因此，測試復進機內氣體壓強時只對后坐時的情況進行測試。
2.3 虛擬樣機仿真數據的可信性分析反后坐裝置使火炮由剛性后坐變為彈性后坐，并貯存后坐能量，使后坐部分在后坐終止后可以轉為復進。反后坐裝置之所以稱為“火炮的心臟”，是由于該裝置的可靠性將直接影響整個火炮工作性能，甚至使整個火炮喪失工作能力。因此，在火炮設計定型試驗時，將反后坐裝置作為試驗測試的重點，針對反后坐裝置的測試項目，主要包括駐退機內外腔壓強、復進機腔內壓強、后坐速度和復進速度等，進而通過求得最大后坐阻力，來檢驗反后坐裝置的功能是否滿足給定的指標要求。綜上所述，利用定型試驗數據驗證所建火炮虛擬樣機的真實性是可行的。
2.4 虛擬樣機仿真數據與定型試驗數據對比本文選擇對某型火炮的仿真結果與試驗數據結果進行對比驗證，各項目的試驗測試曲線如圖5所示，其中：p1為后坐時駐退機外腔壓強；p2為后坐時駐退機內腔壓強；p′2為復進時駐退機內腔壓強；v為后坐速度；v′為復進速度；pΠ為后坐時復進機腔內氣體壓強；R為后坐阻力；t為后坐時間；t′復進時間。本文選擇與定型試驗一致的試驗條件，充分利用并對照定型試驗的測試項目，對各測試項目進行虛擬樣機仿真?；鹋谏鋼舫跏紬l件為0°射角、全裝藥、底盤著地射擊，駐退機和復進機中的有關數據來源于火炮設計說明書，各結構尺寸存在一定公差范圍，本文均采用其標稱尺寸。
2.5 由數據對比表得出結論
2.5.1 復進機壓強是后坐位移的函數，其值基本與試驗數據相符；
2.5.2 后坐和復進速度、后坐阻力值及變化趨勢與仿真曲線基本相符；
2.5.3 對于后坐時內腔的壓強，利用伯努利方程可以求得內、外腔壓強和液體流速的關系：p1-p2V（1）
其中，p1為外腔壓強，p2為內腔壓強，其它符號含義見文獻[6]。
由式（1）可知，駐退機內腔壓強與外腔壓強的基本趨勢一致，隨著后坐速度降低，二者壓強差別逐漸變小。
2.5.4 駐退機的內、外腔壓強在出現峰值的時機與仿真數據曲線有所不同，導致結果不同的原因可能是在虛擬樣機仿真時，雖然我們在制作各部件的時候采用的尺寸數據為標稱值，但是實際加工的部件存在一定的誤差，從數據結果看，制作的節制桿直徑有一定誤差，導致流液口面積的變化。對于復進時內腔的壓強，真空消失過程不是一個突變的過程，而是一個漸近的過程，因此在非工作腔產生一定的壓強，然而理論上認為復進真空消失之前，非工作腔不提供壓強，從而導致在復進開始段仿真得到的壓強值稍大。
虛擬樣機仿真曲線與試驗測試數據相比雖有一定誤差，但基本與試驗數據相吻合。宏觀而言，后坐和復進速度的基本趨勢與試驗數據一致，最大后坐阻力基本規律一致，說明了所建虛擬樣機的正確性，利用該虛擬樣機對火炮宏觀動力學特性進行研究是可信的，所建虛擬樣機模型是滿足工程上應用的。
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論文摘要:介紹了機械零部件結構可靠性虛擬疲勞設計的軟件及疲勞壽命預測方法。根據斷裂力學理論和虛擬疲勞預測方法，利用系統動力學軟件ADAMS模擬42CrMo硬齒面齒輪加工過程，分析了對應的疲勞載荷譜，得到了齒輪應力壽命S一N曲線。
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
(1)采用全壽命成組試驗法得到產品的全壽命概率分布依據的是大樣本試驗，因此解決復雜機電系統使用期限內無故障的全壽命設計具有極高的經濟價值和十分深遠的應用前景。全壽命設計已成為衡量一個國家機電產品設計水平先進與否的重要指標，只有攻克使零部件全壽命試驗與環境相容這一難題，才能更好地發揮全壽命設計對國民經濟發展的促進作用，迅速把我國的可靠性設計水平提高到主動可靠性設計的國際前沿水平。
車輛模擬器具有工況設置方便、試驗重復性好、安全性高等優點,在駕駛培訓、車輛新產品的研究和開發、人—車—環境試驗中有著重要作用,良好的車輛運動模擬技術是車輛模擬器質量的保障。本文以“車輛人—機—環境模擬器”項目為依托,圍繞車輛模擬器運動模擬技術中三維虛擬道路建模、車輛動力學建模與仿真、動感模擬算法等展開研究。提出了隨機激勵路面輪廓三維高程數據生成方法;對Vortex車輛動力學建模特別是車輛懸架參數的設置進行闡述,并給出了車輛動力學仿真的實例;提出了基于六自由度平臺桿長的模糊自適應動感模擬算法,最后建立了車輛動力學、動感模擬算法與六自由度平臺虛擬樣機組成的車輛模擬器開發綜合仿真平臺。 論文闡述了項目中車輛模擬器的組成及工作原理,闡述了模擬器運動感覺模擬的機制,對模擬器運動系統做了詳細的介紹,為車輛模擬器運動模擬技術奠定基礎。
給出了車輛模擬器三維虛擬道路建模所需的路面輪廓數據和路形數據建模和生成方法,為車輛動力學仿真提供路面激勵數據。利用路面不平度二維功率譜密度的表達式,通過二維傅里葉逆變換法得到了路面輪廓不平度三維路面高程數據生成方法,生成的高程數據的功率譜特性和各向同性特性均優于已有方法。推導了路面輪廓中包含的隨機瞬態成分的空間位移特征與路面等級的關系,提出了三維空間內隨機瞬態成分生成方法。根據道路路形特征給出了三維空間曲線道路建模方法,并采用線切割方法將道路與地形進行了融合。
闡述了Vortex車輛動力學建模的方法和流程,針對Vortex車輛動力學參數化建模的特點,設置不同的懸架參數,進行車輛行駛平順性和穩定性仿真,然后進行結果分析對比。對不同路面類型以及各種車輛運動的典型工況進行了動力學仿真,為動感模擬算法的設計和優化提供數據支持。 針對經典動感模擬算法參數不能在線實時調整而導致平臺空間利用率低的問題,在經典動感模擬算法和基于平臺單自由度約束的模糊自適應動感模擬算法的基礎上,提出了基于平臺桿長約束的模糊自適應動感模擬算法。
首先解決了動感模擬算法中輸入信號預處理、傾斜角速度限制環節處理以及自由度解耦等幾個問題,然后提出了模糊自適應算法的原理與模糊自適應規則,并對幾種動感模擬算法進行了仿真分析對比,結果顯示基于平臺桿長約束的模糊自適應動感模擬算法具有參數調節簡單意義明確、調節作用平滑無沖擊、不需要考慮多自由度之間耦合作用的優點,能充分利用平臺的運動空間而提高動感模擬逼真度。
建立了車輛動力學、動感模擬算法、六自由度平臺虛擬樣機的Vortex、Simulink、 ADAMS聯合仿真系統。首先闡述了聯合仿真系統的組成、原理及作用,然后建立了六自由度平臺ADAMS虛擬樣機模型,并將其與Simulink相聯接。以動感模擬運動的可視化與數據監控以及蛇形試驗專用動感模擬算法為例,對聯合仿真系統的應用進行了舉例說明。
[關鍵詞]大型游樂設施；虛擬仿真分析；方法
中圖分類號：X922.2 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）06-0172-01
一、虛擬樣機技術簡介和AOAMS軟件功能分析
利用虛擬樣機技術可代替物理樣機對產品進行創新設計、測試和評估，縮短開發周期，降低成本，改進產品設計質量，提高面向客戶與市場需求的能力。虛擬樣機技術的發展有賴于以下幾項技術的發展和進步。
（一）智能技術
CAD技術的出現是產品設計歷史上的一個里程碑，它在很大程度上縮短了產品設計的周期，減少了設計人員的工作量，但現有的CAD技術注重于外形細節設計行為，卻忽略了產品概念信息的描述，實際上，設計人員總是先考慮產品的功能，然后才設計出產品的外形。因此，對虛擬樣機技術來說，產品描述應是超越幾何性的。由于虛擬樣機技術對概念設計的要求，智能設計技術需要將用于概念設計的分析工具（如有限元分析，快速成型等）、計算機輔助概念設計和CAD技術有機的集成起來，支持產品幾何定形前的功能規劃和計算，通過分析這種幕后的功能計算，虛擬樣機系統指導設計者怎樣將幾何形狀轉化為易于裝配的，滿足功能要求的、具有合適工藝的設計圖形。
（二）并行工程
并行工程是集成各種技術，并行設計產品及相關過程的一種系統方法，同步實現設計、分析評估、制造、裝配、核算和管理，它要求產品開發人員從一開始就考慮到產品整個生命周期的所有因素（質量，成本，工藝，結構，性能等），且要求實現計算機網絡環境下的協同工作。
（三）仿真工程
對于虛擬樣機系統來說，必須有一套能很有效支持可制造性分析的產品、工藝和生產系統模型，產品模型必須能夠管理與制造加工有關的數據（如形位公差等）；工藝模型包括統計分析，計算機工藝仿真，制造數據庫和制造規則庫等；生產系統模型包括系統生產能力和生產特性的描述及系統動態行為和特性的描述，虛擬樣機系統需要對上述模型進行數字化仿真和可視化，以對產品設計、工藝設計進行評估和優化。
（四）網絡技術
在網絡上進行分布式設計與制造是虛擬企業的生產方式。利用分布式設計與制造，可以實時的決定合作廠家，實現異地產品設計和制造，不僅節約了時間，而且由于分布節點之間的關系建立在一種全面合作和開放式體系的基礎上，所以有利于設計、規劃和處理問題。
二、旋轉秋千虛擬樣機模型的建立
（一）旋轉秋千虛擬樣機模型的建立原則
在ADAMS建模之前，必須對實際的旋轉秋千樣機模型進行簡化。這樣不但可以節省大量的建模時間。也可以保證ADAMS的仿真分析過程能夠順利進行。同時，由于ADAMS在進行運動學、動力學分析時，只考慮零件的質心和質量，對零件的外部形狀不予考慮，因此在模型中精確地描述出復雜的零件外形，并沒有多大的實際意義。當然零件形狀描述得越準確，ADAMS自動求算的零件質量和質心的位置也就越精確。前面我們說過，建立復雜的模型并不是ADAMS的特長，如果模型的外形很復雜，又想得到比較準確的質量和質心，可以在其他的三維軟件中建立好，然后通過ADAMS/Exchange導入ADAMS中，這些三維軟件有pro/EUG等。這里建立模型遵循以下原則：首先，根據運動副對模型進行簡化，各個零件之間的運動副要表示清楚。其次，在不影響視覺效果的前提下，模型的外形應盡量簡化。最后，多個零件固接時，可以只用一個零件表示。以節省運動副數量。因為運動鏈越長，計算誤差越大。
（二）底盤、立柱和頂盤模型的建立
由于旋轉秋千的實體中底盤、立柱和頂盤這幾部分經簡化后結構比較簡單，因此可以用ADAMS提供的基本建模工具進行建模。為方便起見，我們這樣設置坐標系，x-Z平面代表水平地面，鉛錘高度方向用y表示。旋轉秋千實體中幾個主要部分的模型尺寸：底盤：R=2.Om，L=0.5m立柱：R=0.5m，L=10.Om頂盤：R=5.0m，L=0.5m由于底盤、立柱和頂盤這三個主要部件經簡化后為圓柱結構，因此可以采用ADMAS/View基本形體圖庫中的圓柱體（Cylinder）命令直接建立。為保證將來數據更為直觀，將底盤的底面圓心坐標設置在（0.0，-0.5。0.0）點。將三部分模型外觀建立好之后，應該對模型施加必要的約束，使模型按照實際的情況連接。按照旋轉秋千的結構，需要做以下三處約束：1、底盤與地面。實際情況中底盤一般都是一部分在地面以下，另一部分伸出地面。這里我們在底盤與地面之間施加一個固定副（Fixed），將二者固定在一起，這樣就限制它們之間所有的旋轉自由度和移動自由度。2、立柱與誰盤：立柱主要起到支撐整個裝置的作用，它與底盤也是相對固定的，因此也采用固定副連接。3、頂盤與立柱。頂盤是整個裝置的旋轉部分，它是在電機的驅動下以立柱為回轉軸進行回轉的，因此它與立柱之間要設置鉸接副。鉸接副限制了2個旋轉自由度和3個移動自由度，這樣保證了頂盤只能在x-Z平面內作回轉運動。
（三）鋼絲繩索模型的建立
1、鋼絲繩索的建模思想
鋼絲繩索的建模是旋轉秋千建模的主要難點之一。鋼絲繩索可以承受較大的拉力，抗彎能力很弱，具有較大的柔性，在工作過程中，鋼絲繩索一直在不停的運動，產生較大的變形。為了能夠反映繩索的動態響應和柔性，可以將鋼絲繩索用很多相互連接的圓柱單元來表示。單元長度取決于運算規模的限制和相應的動態頻率。通過合理設計單元之間的連接關系，等效仿真鋼絲繩索。在本課題的分析中，在頂盤圓周上均布了12根繩索。根據裝置的整體尺寸和立柱的高度，每根繩索為9m。因此我們將圓柱單元的長度取為0.3m，半徑取為0，OO5m，總共設置了360個圓柱單元。經過比較，圓柱單元采用球鉸模型進行連接。圖 1-1中這種球鉸連接模型約束了x-Y-z三個方向的移動自由度，使兩個單元在連接處沒有相對位移。由此可知，這種連接模型忽略了鋼絲繩索受力后的拉伸變形；另外，它具有三個轉動自由度，連接的兩個單元可以在X、Y、Z方向產生自由的相對旋轉，以實現繩索較大柔性彎曲和扭轉變形的效果
2、宏命令簡介
宏，簡單來說，就是用戶自己生成的一個命令。用戶可以按照ADAMS八1ew的命令格式來編寫宏，AADMS/View像處理其他命令一樣處理宏，您可以在命令窗口中執行宏，也可以在宏中使用其它的宏，或在用戶自己的用戶化菜單、對話窗和按鈕中調用宏。在宏中用戶可以使用參數。這有助于用戶在每次調用宏時加上數據，宏在執行時自動進行替換。三、自定義鋼絲繩索宏命令由于鋼絲繩索模型中總共設置了360個圓柱單元。為了便于建立模型和修改模型，我們采用自定義宏命令的方法來建立模型。該模型的鋼絲繩索宏命令子程序具有一定的通用性。只要根據要求對此程序進行簡單的修改，就可以應用在其他種類的鋼絲繩索模型的建立。
三、結語
綜上所述，運用虛擬樣機技術，可以大大簡化機械系統的設計分析過程，大幅度縮短實北京化工大學碩士學位論文驗研究周期，大量減少研究開發費用和成本，明顯提高產品質量，提高產品的系統及性能，獲得最優化和創新的設計產品，并且有足夠的分析精度，對于大型游樂設施的設計與優化具有明顯的促進作用。
參考文獻
關鍵詞：液壓；鑿巖機；設計研究；建議
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??；
（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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[關鍵詞]排氣歧管 CAE 有限元分析 優化
[中圖分類號]TK403 [文獻標識碼]A [文章編號]1009-5349（2014）11-0079-02
排氣歧管是車輛內燃機排氣系統中的重要組成部分，對內燃機的動力性、經濟性和排放均有影響。因此，在車輛維修時，它是很難檢測到由于高的內燃機的排氣背壓內燃發動機功率發揮不足或內燃發動機不能正常工作。本論文針對內燃機排氣管路中造成排氣阻力的成因進行分析，為生產、安裝提供結構優化，通過一些數據分析的排氣管線的安裝尺寸、方法和結構的優化，減少排氣管線出現的反壓現象引起的排氣氣體湍流，有效降低高內燃機排氣背壓的情況下，保證內燃機穩定工作。
一、研究對象
本文選用FB4105防爆柴油機的研究對象為排氣歧管。FB4105防爆柴油機的主要技術參數有：轉速2300r/min、凈重350kg、防爆凈功率40KW、總排量2.5L。
邊界條件的排氣系統數學模型包括：
（1）入口邊界條件是：根據發動機排量和速度給定的入口速度V=12.06m/s，根據發動機廢氣排放溫度給定入口溫度600℃，根據給定的速度和湍流強度0.3MPa入口處入口結構的價值。
（2）出口邊界條件：針對出口壓力的條件下，假設出口壓力是大氣壓力。
（3）壁面邊界條件：壁面邊界條件為無滑移速度邊界條件。
二、虛擬樣機模型
根據測繪數據，應用UG軟件建立排氣歧管的三維模型（圖1：排氣歧管三維模型），從三維模型圖中抽取出氣道三維圖（圖2：排氣歧管氣道三維模型）。
圖1 FB4105排氣歧管三維模型
圖2 排氣歧管氣道三維模型
三、CAE有限元分析
CAE模塊是3d應用UG軟件中的一個有限元分析模塊，從訂單的產品、設計、開發，綜合傳統的經驗設計和穩流試驗臺的試驗和錯誤的方法，改進的虛擬開發。在虛擬環境下設計實現了虛擬樣機開發的數字仿真方法的產品性能評價過程、優化和修正，從根本上改變了傳統的設計思想，減少不必要的原型機生產，降低產品設計成本，縮短產品的設計周期。
UG高級仿真模塊提供對許多行業標準解算器的無縫、透明支持，這樣的解算器有NX Nastran、ANSYS等。如高級仿真模塊使用該解算器來處理所有網格劃分、邊界條件和解法，還可以求解模型并直接在結算過程中查看結果。高級仿真模塊除提供基本設計仿真中的功能外，還具有高級分析解算流程的其他功能：
（1）高級仿真有獨特的數據結構。
（2）高級仿真有很強的網格劃分功能。
（3）高級仿真有靈活的幾何體設計方法。
（4）高級仿真中有NX傳熱解算器和NX流體解算器。
按照要求用UG軟件打開排氣歧管氣道三維模型，點擊高級仿真模塊，新建FEM（Finite Element Modeling）模型，求解器為NX Thermal/Flow，分析類型為Coupled Thermal-Flow（耦合熱流），材料賦予Air（空氣），采用四面體網格進行劃分，單元格選為5，共劃分有41197個網格單元。圖3為創建的排氣歧管氣道三維模型網格圖。
圖3 排氣歧管氣道三維模型網格圖
四、CAE有限元計算結果及分析
按照內燃機的點火順序（1缸―3缸―4缸―2缸），分別加載邊界條件，對1缸、2缸、3缸和4缸的氣道進行流體模擬分析，從結果可見，流道發生拐彎及彎曲的形狀都會影響氣流，從優化前的圖5、圖6、圖7及圖8上可以看出，每個排氣工作時，對當前管到出口的拐彎處，有一塊區域的氣流產生的紊流現象很明顯，壁面受氣流的沖擊也比較大;當前工作缸的氣流對后面的氣道沒有產生影響，但是對前面的氣道均產生了影響。
五、小結
從FB4105排氣歧管的數值模擬和分析可以基本上滿足光滑排氣的要求，強烈的渦流區沒有出現在管內，只有極少部分渦流現象在管道的彎曲處出現。為了提高通道的氣流速度的均勻性，對原結構進行改善，將在管道彎曲處設計添加圓角。仿真結果表明，原來存在的湍流現象顯著降低了，并且對排氣氣缸后面的氣道也沒有影響，氣道形狀設計更加科學合理。
【參考文獻】
關鍵詞：兩棲機器人；優化；仿真；動態分析
在現代戰爭中，水域作戰是海洋軍隊的一塊重要領域。在作戰中，經常遇到水障礙，目前通過水障礙的方法有很多，例如，在河上建立一座橋梁，或者浮渡，或者直接涉水過河等。其中浮渡是最有效的一種方式，通過浮渡，機械化部隊不需要花費太多時間成本和財物成本，甚至不需要考慮氣候條件，時間因素等。
作為浮渡的主要工具---水陸兩棲車輛，因其具有不可預測性與靈活性，作戰時，在一定程度上能起到決定性的作用。因此，在搶灘登陸戰中越來越受到廣泛的關注。近些年，很多國家都在研究水陸兩棲車輛，研究如何將水陸兩棲車輛更有效地投入到戰斗中使用。
目前，大多數水陸兩棲車在進入水中之后，輪胎懸掛在車底下，受到水的阻力，從而限制了兩棲車在水中的行駛速度。因此，如何消減輪胎對行駛速度的影響，成為水陸兩棲車輛的一大核心研究問題。針對這個問題，此論文設計了一個能將輪胎收回的機構。從而減少輪胎懸掛時對行進速度的影響。
一、水陸兩棲汽車輪胎收回機構的結構形式及其工作原理
如圖1.1所示，圖中43處連接輪胎，連接差速器6 把動力通過動力輸出裝置7傳給轉動軸10，然后帶動輪胎旋轉。動力源通過管29傳遞到液壓缸28，液壓缸28通過桿27將轉動傳遞到主傳動軸26，主傳動軸26兩端分別連接桿27及下支桿12，下支桿12一端通過銷釘連接到車體2上，另一端通過銷釘與支架16底端相連，支架16上端通過銷釘20與上支桿11相連，上支架11通過銷釘22與車體2相連。[1，2]
因此，當液壓缸輸出動力通過主傳動軸26帶動上下支桿將支架16抬起。從而起到把輪胎收回的目的。
為便于分析，先簡化模型，根據立體模型，利用ADAMS軟件創建一個同等功能的平面模型，以點5為原點，液壓缸初始位是豎直的，起到抬起作用的主要部件是支架2、上支桿3、下支桿8 及液壓缸4，之后添加約束，創建變量點。如圖1.2所示。由于變量點一要與液壓缸4保持豎直，所以其X值固定為-250。
車體參數：車重1500KG，載重 500KG，輪胎抬起高度500～700mm， 輪胎最高處傾斜角度450～600。
二、兩棲汽車輪胎收回機構的優化設計及分析
對模型進行運動學仿真分析，主要進行抬起試驗仿真。進行抬起試驗驗證所建立的模型是否正確并進行優化設計。根據仿真分析，得到最優化的尺寸。在本設計中，我們所要得到的是液壓缸所承受的最小力量，所以，測量部件就為液壓缸。設置好后利用ADAMS軟件進行模擬仿真，當仿真結束之后，能得出每一次仿真的受力曲線圖，如圖2.1所示，同時會得出一個列表，在該列表中能清晰反應出每次仿真時的最大受力及每個變量點的值，如圖2.2所示
該表也會綜合比較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。在此輪仿真中，最小受力是在第25次仿真中得出的，其值是3316.4N。查詢數據可知第25次仿真時各數值如下：
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次仿真得到的數值，即取變量點一的坐標為（-250，-126）；變量點二的坐標為（-270，165）；變量點三的坐標為（-517，81）。最終確定的結構系統如圖2.3
三、液壓缸的計算與選擇
計算液壓缸的主要結構尺寸
液壓缸主要設計參數見圖3.1，a為液壓缸活塞桿工作在受壓狀態，b為活塞桿工作在受拉狀態。
液壓缸的缸筒內徑D是根據負載大小和選定的工作壓力，或運動速度和輸入的流量，經過計算之后，再從GB/T 2348―1993（見表3.1）標準中選取最近的標準值而得出D為63mm合適。
一般，液壓缸在受壓狀態下工作，其活塞面積為
A1=（F+ P2A2）/P1
運用上式須事先確定A1與A2的關系，或是活塞桿直徑d與活塞直徑D的關系，這個可按表3.2來選取d/D。再按表3.3圓整。
本設計選擇的工作壓力P=1.2MPa
即D=63mm d=32mm
液壓缸的行程則由上章中可知為 L=70-（-126）=196 mm
計算液壓缸工作時所需流量Q
Q=v×A=v×πD2/4=0.01×3.14×0.0632/4=0.0000312m3=31.2 ml
綜上，可選用型號為HSJ-63/32200 最大壓力為1.2MPa的液壓缸。[3，4]
結論與展望
如今虛擬樣機技術在主要的工業領域（通用機械、汽車、航空、機械電子等）得到了廣泛的運用，它融合了現代信息技術、先進仿真技術和先進制造技術，將這些技術應用于復雜系統全生命周期和全系統并對它們進行綜合管理，從系統的層面來分析復雜系統，支持由上至下的復雜系統開發模式，利用虛擬樣機代替物理樣機對產品進行創新設計測試和評估，以縮短產品開發周期，降低產品開發成本，改進產品設計質量，提高面向客戶與市場需要的能力。
本文仿真研究結果表明，運用虛擬樣機技術對水陸兩棲汽車輪胎收回機構進行動力學仿真分析可以很好的將機構的各種工況較為真實的反映出來，是一種可行的分析手段，同時也證明使用該項技術為水陸兩棲車的設計和實驗提供較重要的參考數據，可以大大縮短整機系統的設計周期，節約研制經費。
但是由于水陸兩棲車是處于一種新型的產品，雖然在德國有了這種產品，但由于所有真實數據尚處于軍事機密當中，該設計只是通過幾張實物照片及專利文獻來進行模仿研究設計，因此，本文可能會存在一些不足之處，期望有同行校正。
參考文獻
[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] 邱宣懷主編.機械設計.第4版. 北京：高等教育出版社，1997.
