机械系统虚拟设计平台

2023年1月第2期Jan. 2023No.2教育教学论坛EDUCATION AND TEACHING FORUM虚实结合仿真实训平台的建设与实践张乃龙（北京工业大学 材料与制造学部，北京 100124）［摘 要］ 为适应新工科建设的要求，加强学生综合工程能力培养，解决实践资源不足的问题，结合智能制造专业建设要求，搭建了虚实结合仿真实训平台应用于专业课程群的实践教学。

基于机械工程系统基本设计流程，构建课程群综合设计能力实训平台，把机械原理、机械设计、机械控制和创新方法实践等课程实践相贯通进行方案设计、结构设计和控制系统设计，建立虚拟设备模型、实物样机和控制系统相结合进行控制仿真验证的虚实仿真训练模式。

实践表明，虚实结合使实训内容多样化，机械系统设计的一线式实训更接近于实际，提高了学生的参与积极性，有助于提升学生的创新能力和解决复杂工程问题的能力。

［关键词］ 虚拟仿真；实践训练；虚实结合；能力培养［基金项目］ 2019年度北京工业大学教育教学研究课题（K2019ID003）［作者简介］ 张乃龙（1976—），男，山东临沂人，博士，北京工业大学材料与制造学部高级实验师，主要从事数字化设计研究。

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2023）02-0109-04 ［收稿日期］ 2022-03-18近年来，随着工程教育中新工科建设的快速开展和工程教育专业认证工作的不断推进，国内各高校在机械工程专业的教学中越来越强调对学生创新能力和解决复杂工程问题能力的培养［1］。

创新能力和工程能力的培养离不开科学的实践教学体系和完善的校内外实验基地建设［2］。

面对场地限制和设备安全问题，各类仿真软件的使用为解决课程实践问题提供了可选的手段。

当前虚拟仿真平台在各类课程中已得到广泛应用，虚拟样机及计算分析软件在机械原理类课程［3］、三维建模软件在机械设计类课程中都已普遍开展应用训练［4-5］，电工电子和PLC课程也通过仿真软件实现了实训多样化［6-7］。

2CAE简介作为国内工业界推广应用CAE的基础，有必要简要介绍CAE的概念、应用、分析过程、作用及发展趋势。

一方面，对CAE有初步的又是较系统的认知，另一方面，在了解国际范围内CAE应用的历史和现状的基础上，CAE的各类用户可以对自身目前CAE的应用进行多视角的比较。

2.1 CAE的基本概念、特点及作用广泛地说，CAE可以包括工程和制造业信息化的所有方面，但是目前通常所说的CAE主要指用计算机及其相关的软件工具对工程、设备及产品进行功能、性能与安全可靠性进行分析计算、校核和量化评价；对其在给定工况下的工作状态进行模拟仿真和运行行为预测；发现设计缺陷，改进和优化设计方案，并证实未来工程、设备及产品的功能和性能的可用性和可靠性。

一般地，CAE在工程应用上的定义为：CAE是一种在二维或三维几何形体（CAD）的基础上，运用有限元（FE）、边界元（BE）、混合元（ME）、刚性元（RE）、有限差分和最优化等数值计算方法并结合计算机图形技术、建模技术、数据管理及处理技术的基于对象的设计与分析的综合技术和过程。

其核心技术为有限元与最优化技术。

CAE的特点是以工程和科学问题为背景，建立相应的计算模型并进行计算机仿真分析。

一方面，CAE技术的应用，使许多过去受方法和条件限制无法分析的很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题，通过计算机数值模拟可得到满意的解答；另一方面，CAE使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量的时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确, 在产品的设计、分析、新产品的开发以及对已有产品的故障分析等方面发挥了重要作用。

同时，CAE技术的迅速发展和应用又推动了许多相关的基础学科和应用科学的进步。

还应客观地说明，在产品开发中，由概念设计、初步设计、详细设计到试验，再修正设计，再试验，直到满足产品要求，试验一直是不可或缺的。

CAE仿真分析技术的引入也许永远不能彻底消除这一既费时又费料的环节，但是已经被成功应用，最大限度地减少或缩短了这一环节。

SamcefSAMTECH的核心产品是专注于机械系统虚拟仿真、结构有限元分析和多学科优化的软件工具，如Samcef、BOSSQuattro、EUROPLEXUS以及TEA等。

这些核心软件产品能够满足从设计研发阶段到高级验证性分析的各个工业领域的需求，本文将着重介绍Samcef能够帮助工程师做些什么。

一、背景简介SAMTECH公司是世界著名有限元软件Samcef的开发商和供应服务商，是欧洲CAE领域的领导者。

SAMTECH公司的前身是比利时列日大学(University of Liege)的宇航实验室，该实验室自从1965年就从事商业化有限元分析软件Samcef的开发工作。

Samcef软件的开发者于1986年脱离列日大学而创建了SAMTECH公司。

目前，SAMTECH公司在比利时、法国、德国和意大利设有9个分支机构，在英国、俄罗斯、加拿大、印度、日本、中国和韩国等十多个国家有代理商的销售和技术服务。

SAMTECH 与航空和航天工业、防卫、汽车、能源和造船等领域的大型厂商都有着密切的合作。

二、Samcef软件介绍Samcef是专业的有限元分析软件，包含下述几个模块。

1.专业便捷的有限元前后处理平台Samcef FIELDSamcef FIELD(FIELD=FInite ELment Desktop)：新一代有限元分析前后处理器，是一个完整的综合前后处理环境，其功能包括建模、线性与非线性结构的分析的驱动和管理，是CAD到CAE 的连接桥梁，如图1所示。

Samcef FIELD能够满足一般或特殊的需求，管理快速或复杂的分析。

作为一个开放式的环境，SAMCEF Field通过非常直观的导航功能，为用户进行机构和结构的设计和仿真分析提供了一个必要工具。

Samcef FIELD与Samce f系列求解器的传递是非常清晰的。

Samcef FIELD提示用户定义与应用领域相关的数据，如果发现不连贯的数据则提示用户更改。

MD ADAMS功能最强、应用最广的机械系统动力学仿真工具MD ADAMS 软件由于其领先的“虚拟样机”理念和技术，迅速发展成为CAE 领域中使用范围最广、应用行业最多的机械系统动力学仿真工具，占据了全球该CAE 分析领域绝大部分的市场份额，被广泛应用于航天、航空、汽车、铁道、兵器、船舶、电子、工程设备及重型机械等行业，众多国际化大型公司、企业均采用MD ADAMS 软件作为其产品设计研发过程中机械系统动力学性能仿真的平台。

借助MD ADAMS 软件强大的建模功能、卓越的分析能力以及方便灵活的后处理手段，可以建立复杂机械系统的“虚拟样机”，在模拟现实工作条件的虚拟环境下逼真地模拟其各种运动情况，帮助用户对系统的各种动力学性能进行有效的评估，并且可以快速分析比较多种设计思想，直至获得最优设计方案，提高产品性能，从而减少昂贵、耗时的物理样机试验，提高产品设计水平、缩短产品开发周期和产品开发成本。

要获得成功，一个公司必须具备如下的能力：♦ 对众多的新创意进行研究探索，并快速准确地做出决策过滤掉那些没有前途的创意♦ 对于实现最佳设计的关键因素了然于胸♦ 对新产品的结构形式、装配关系及其性能做出完善的测试和评估正是因为这些挑战，MSC Software 公司的虚拟样机解决方案在众多的企业获得了应用。

这些企业包括了全部的汽车OEM 厂商、绝大部分的一级汽车配件商、航空航天、铁道和消费电子产品制造商、甚至F1车队。

MSC Software 公司的软件正在各个企业的产品开发流程中发挥作用，以产生创新的产品设计、加强协同、节约时间和成本、降低开发经营的风险。

在最基本的层面，虚拟样机技术能够让工程设计队伍在提交物理样机之前，就在计算机中建造起他们的虚拟机械系统，并对其进行测试、校验及改进。

MD ADAMS 软件能够让用户通过对其产品的运动情况进行仿真，来验证其产品的性能、计算约束反力、间隙、碰撞、电机和作动器的尺寸、运转周期、精密定位，并观察包装封套是否合理等。

基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件设计秦悦【摘要】为了提高机械设计的精密度和机械故障诊断的准确度,提出基于三维虚拟的机械结构模拟仿真软件设计方案.软件设计分为机械结构的视觉成像采集部分、图形三维渲染部分和实体建模部分.在MultiGen Creator三维建模软件中进行机械结构三维虚拟视景仿真的软件开发,根据机械结构的外形测量参数配置工程文件,使用批处理模块进行信息加载和图像处理,实现机械结构三维虚拟模拟设计.仿真结果表明,该软件能有效实现机械结构的三维模拟,对各个部位的拟合程度较高.%In order to improve the precision of the mechanical design and the accuracy of the mechanical fault diagnosis,a design scheme of the 3D virtual simulation software for mechanical structure analog is proposed. The software design is divided into three parts:visual imaging acquisition part of mechanical structure,graphic 3D rendering part and solid modeling part. Soft-ware development for 3D virtual scene simulation of mechanical structure is conducted in MultiGen Creator 3D modeling soft-ware. Project files are configured according to the measured outline parameters of mechanical structure. Information loading and image processing are performed by using batch processing module to realize 3D virtual simulation design of mechanical struc-ture. The simulation results show that the software can effectively realize the 3D simulation of mechanical structure,and has high fitting degree.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2017(040)022【总页数】3页(P54-56)【关键词】三维虚拟仿真;视景仿真;机械结构模拟;软件设计;图像处理【作者】秦悦【作者单位】成都理工大学,四川成都610059【正文语种】中文【中图分类】TN911.73-34;TP391.91随着机械设计工业的快速发展，对机械结构设计的精度和时效性提出了更高的要求，机械内部结构组成单元复杂，各个零部件的尺寸精密度较高[1]，传统的工业制图方法进行设计误差较大，不能有效满足精度设计和精准诊断的应用需求。

基于AR技术的机械设计辅助系统研究在当今科技迅速发展的时代，机械设计领域也在不断寻求创新和突破。

增强现实（Augmented Reality，简称 AR）技术的出现，为机械设计带来了全新的辅助手段和可能性。

本文将深入探讨基于 AR 技术的机械设计辅助系统，分析其原理、优势、应用以及面临的挑战。

一、AR 技术概述AR 技术是一种将虚拟信息与真实世界相融合的技术，通过智能设备（如手机、平板电脑、头戴式显示器等），将计算机生成的虚拟图像、文字、声音等叠加在真实场景中，使用户能够同时感知到真实和虚拟的信息。

二、基于 AR 技术的机械设计辅助系统的原理该系统主要基于计算机图形学、传感器技术、空间定位技术等。

首先，通过三维建模软件创建机械零件和装配体的虚拟模型。

然后，利用传感器（如摄像头、陀螺仪、加速度计等）获取真实环境的信息，包括位置、方向和姿态等。

接着，通过空间定位算法将虚拟模型准确地叠加到真实场景中，实现虚拟与现实的融合。

用户可以通过手势、语音等交互方式对虚拟模型进行操作和修改。

三、基于 AR 技术的机械设计辅助系统的优势1、直观的可视化效果传统的机械设计通常依赖于二维图纸和计算机辅助设计（CAD）软件中的三维模型，这些方式在表达设计意图和空间关系时存在一定的局限性。

而 AR 技术能够将虚拟的三维机械模型直接呈现在真实的工作环境中，设计师可以更加直观地观察和评估设计方案，更容易发现潜在的问题和不足之处。

2、实时交互与修改在设计过程中，设计师可以通过AR 设备与虚拟模型进行实时交互，直接对模型进行修改和调整。

这种实时反馈能够大大提高设计效率，减少设计错误，缩短产品开发周期。

3、多人协作与沟通基于 AR 技术的机械设计辅助系统支持多人同时参与设计过程，不同地点的设计师可以通过网络连接，在同一个虚拟场景中进行协作和沟通。

这有助于团队成员更好地理解彼此的设计思路，提高团队协作效率。

4、培训与教学对于新入职的设计师或操作人员，AR 技术可以提供更加生动、直观的培训和教学方式。

CATIA最新版本全模块介绍CATIA V5R17CATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的缩写。

是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。

在70年代Dassault Aviation 成为了第一个用户，CATIA 也应运而生。

从1982年到1988年，CATIA 相继发布了1版本、2版本、3版本，并于1993年发布了功能强大的4版本，现在的CATIA 软件分为V4版本和 V5版本两个系列。

V4版本应用于UNIX 平台，V5版本应用于UNIX和Windows 两种平台。

V5版本的开发开始于1994年。

为了使软件能够易学易用，Dassault System 于94年开始重新开发全新的CATIA V5版本，新的V5版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了CAD/CAE/CAM 软件的一种全新风格。

法国 Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企业。

其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。

CATIA的产品开发商Dassault System 成立于1981年。

而如今其在CAD/CAE/CAM 以及PDM 领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。

其销售利润从最开始的一百万美圆增长到现在的近二十亿美圆。

雇员人数由20人发展到2，000多人。

CATIA是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子\电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。

CATIA 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。

包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。

机械设计行业虚拟仿真与实验方案第1章虚拟仿真技术概述 (3)1.1 虚拟仿真技术发展历程 (3)1.2 虚拟仿真技术在机械设计中的应用 (4)1.3 虚拟仿真技术的发展趋势 (4)第2章机械系统建模与仿真 (5)2.1 机械系统建模方法 (5)2.1.1 理论建模方法 (5)2.1.2 实验建模方法 (5)2.1.3 混合建模方法 (5)2.2 机械系统仿真模型 (5)2.2.1 线性模型 (5)2.2.2 非线性模型 (5)2.2.3 状态空间模型 (5)2.3 机械系统仿真软件介绍 (6)2.3.1 Adams (6)2.3.2 Ansys (6)2.3.3 Simulink (6)2.3.4AMESim (6)第3章有限元分析方法与应用 (6)3.1 有限元法基本原理 (6)3.1.1 有限元法的数学理论 (6)3.1.2 有限元法的实施步骤 (6)3.2 有限元分析软件介绍 (7)3.2.1 ANSYS软件 (7)3.2.2 ABAQUS软件 (7)3.2.3 MSC Nastran软件 (7)3.3 有限元分析在机械设计中的应用案例 (7)3.3.1 轴承座强度分析 (7)3.3.2 齿轮传动系统接触分析 (7)3.3.3 液压缸密封功能分析 (7)3.3.4 汽车车身碰撞分析 (7)第4章多体动力学仿真 (8)4.1 多体动力学基本理论 (8)4.1.1 牛顿欧拉方程 (8)4.1.2 拉格朗日方程 (8)4.1.3 凯恩方程 (8)4.1.4 约束条件及求解方法 (8)4.2 多体动力学仿真软件 (8)4.2.1 MSC Adams (8)4.2.2 Simpack (8)4.2.3 RecurDyn (8)4.2.4 LMS Samtech (8)4.3 多体动力学在机械系统中的应用 (8)4.3.1 汽车悬挂系统仿真 (8)4.3.2 航空发动机叶片振动分析 (8)4.3.3 工业动态功能分析 (8)4.3.4 风力发电机组叶片多体动力学分析 (8)第5章流体力学仿真 (8)5.1 流体力学基本原理 (9)5.1.1 流体的连续性方程 (9)5.1.2 流体的动量方程 (9)5.1.3 流体的能量方程 (9)5.1.4 流体的湍流模型 (9)5.2 流体力学仿真软件 (9)5.2.1 Fluent (9)5.2.2 CFDACE (9)5.2.3 OpenFOAM (9)5.3 流体力学在机械设计中的应用 (9)5.3.1 流体动力学优化 (10)5.3.2 液压系统设计 (10)5.3.3 空气动力学分析 (10)5.3.4 热流体分析 (10)第6章热力学仿真 (10)6.1 热力学基本理论 (10)6.1.1 热力学第一定律 (10)6.1.2 热力学第二定律 (10)6.1.3 状态方程与物性参数 (10)6.2 热力学仿真软件 (11)6.2.1 Fluent (11)6.2.2 Ansys Workbench (11)6.2.3 COMSOL Multiphysics (11)6.3 热力学在机械设计中的应用 (11)6.3.1 热机设计 (11)6.3.2 热交换器设计 (11)6.3.3 热防护设计 (11)6.3.4 节能减排 (11)第7章材料功能虚拟测试 (11)7.1 材料力学功能概述 (12)7.2 材料功能虚拟测试方法 (12)7.2.1 有限元法 (12)7.2.2 无损检测技术 (12)7.2.3 神经网络方法 (12)7.3 材料功能虚拟测试案例分析 (12)7.3.1 钢材弹性模量的虚拟测试 (12)7.3.2 铸铁屈服强度的虚拟测试 (12)7.3.3 铝合金抗拉强度的虚拟测试 (12)第8章虚拟样机与实验方案设计 (13)8.1 虚拟样机技术 (13)8.1.1 虚拟样机概述 (13)8.1.2 虚拟样机技术的应用 (13)8.2 虚拟实验方案设计方法 (13)8.2.1 虚拟实验概述 (13)8.2.2 虚拟实验方案设计方法 (13)8.3 虚拟样机与实验方案设计案例分析 (14)8.3.1 虚拟样机建立 (14)8.3.2 实验条件设置 (14)8.3.3 实验方案设计 (14)8.3.4 实验结果分析 (14)第9章仿真数据后处理与分析 (14)9.1 仿真数据后处理方法 (14)9.1.1 数据清洗与校验 (14)9.1.2 数据整理与归一化 (14)9.1.3 数据统计分析 (15)9.2 仿真结果可视化与评价 (15)9.2.1 结果可视化 (15)9.2.2 结果评价 (15)9.3 仿真结果不确定性分析 (15)9.3.1 不确定性来源识别 (15)9.3.2 蒙特卡洛模拟与敏感性分析 (15)9.3.3 风险评估与可靠性分析 (15)第10章虚拟仿真与实验方案在机械设计中的应用实例 (15)10.1 虚拟仿真在产品设计中的应用 (15)10.1.1 虚拟原型设计 (15)10.1.2 参数优化设计 (16)10.2 虚拟仿真在制造工艺中的应用 (16)10.2.1 数控加工仿真 (16)10.2.2 模具设计与制造仿真 (16)10.3 虚拟仿真在故障诊断与维修中的应用 (16)10.3.1 故障诊断 (16)10.3.2 维修指导 (16)10.4 虚拟仿真与实验方案在机械设计中的综合应用案例 (16)第1章虚拟仿真技术概述1.1 虚拟仿真技术发展历程虚拟仿真技术起源于20世纪50年代，最初应用于航空航天领域。

CATIA全模块介绍关键词：CATIA,CATIA V5,CATIA V4,CATIA V5R17CATIA是英文 Computer Aided Tri-Dimensional Interface Application 的缩写。

是世界上一种主流的CAD/CAE/CAM 一体化软件。

在70年代Dassault Aviation 成为了第一个用户，CATIA 也应运而生。

从1982年到1988年，CATIA 相继发布了1版本、2版本、3版本，并于1993年发布了功能强大的4版本，现在的CATIA 软件分为V4版本和 V5版本两个系列。

V4版本应用于UNIX 平台，V5版本应用于UNIX和Windows 两种平台。

V5版本的开发开始于1994年。

为了使软件能够易学易用，Dassault System 于94年开始重新开发全新的CATIA V5版本，新的V5版本界面更加友好，功能也日趋强大，并且开创了CAD/CAE/CAM 软件的一种全新风格。

法国 Dassault Aviation 是世界著名的航空航天企业。

其产品以幻影2000和阵风战斗机最为著名。

CATIA的产品开发商Dassault System 成立于1981年。

而如今其在CAD/CAE/CAM 以及PDM 领域内的领导地位，已得到世界范围内的承认。

其销售利润从最开始的一百万美圆增长到现在的近二十亿美圆。

雇员人数由20人发展到2，000多人。

CATIA是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件，居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位，广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子\电器、消费品行业，它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。

CATIA 提供方便的解决方案，迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。

包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒，几乎涵盖了所有的制造业产品。

工程机械平台设计方案模板一、项目背景随着城市化的推进和工程施工水平的不断提高，工程机械的使用率越来越高。

为了有效管理和保养工程机械设备，提高设备利用率和降低维护成本，需要一个专业的工程机械平台来进行统一管理和监控。

本方案旨在设计一套适合现代工程机械管理的平台系统，提供设备的远程监控、实时数据分析和维修管理等功能。

二、项目目标1. 提高工程机械设备的利用率和运行效率；2. 降低设备运行成本；3. 提升设备管理和维护的效率；4. 提供实时监控和数据分析功能；5. 强化设备运行的安全性。

三、平台设计方案1. 平台架构设计（1）系统架构：采用分层设计，分为前端展示层、业务逻辑层、数据处理层和数据存储层。

（2）前端展示层：采用响应式设计，支持多终端浏览和操作。

（3）业务逻辑层：完成业务处理逻辑的编写，包括设备监控、数据分析和维修管理等功能。

（4）数据存储层：采用分布式数据库，支持大数据存储和快速检索。

2. 功能设计（1）设备监控：实时监控设备的运行状态和工作参数，包括温度、压力、速度等。

（2）数据分析：对设备运行数据进行实时分析，提供故障预警和设备维护建议。

（3）维修管理：对设备维修记录进行管理和统计，提供维修计划和维修记录查询。

（4）报警管理：实时监测设备运行状态，对预警和报警进行管理和处理。

3. 技术选型（1）前端技术：采用Vue.js作为前端框架，采用Element UI作为UI组件库。

（2）后端技术：采用Spring Boot作为后端框架，采用Maven作为项目管理工具。

（3）数据库：采用MySQL作为关系型数据库，采用Redis作为缓存数据库。

（4）数据存储：采用Hadoop作为分布式存储平台，采用HBase作为非关系型数据库。

四、实施计划（1）需求分析：对用户需求进行详细分析，明确功能和性能要求。

（2）系统设计：完成系统总体设计和详细设计，包括数据库设计和接口设计。

（3）开发测试：按照设计方案进行系统开发和测试，保证系统的功能和性能符合要求。