综合传动系统虚拟样机建模与仿真平台研究

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］。

基于虚拟样机技术的减速器动力学仿真研究一、本文概述随着科技的不断进步和工业领域的快速发展，减速器作为机械设备中的重要组成部分，其性能优化和动力学特性研究显得尤为重要。

近年来，虚拟样机技术以其高效、精准和灵活的特性，在产品设计、分析和优化中得到了广泛应用。

本文旨在探讨基于虚拟样机技术的减速器动力学仿真研究，以期为减速器的设计优化和性能提升提供理论支持和实践指导。

本文首先简要介绍了虚拟样机技术的基本原理及其在减速器研究中的应用背景，阐述了开展基于虚拟样机技术的减速器动力学仿真研究的必要性和意义。

接着，详细介绍了虚拟样机技术在减速器建模、动力学仿真分析以及性能评估等方面的具体应用方法和步骤。

在此基础上，本文还探讨了虚拟样机技术在减速器优化设计中的应用潜力，以及未来可能的发展方向和挑战。

通过本文的研究，旨在加深对基于虚拟样机技术的减速器动力学仿真研究的理解，为相关领域的研究者和工程师提供有益的参考和启示。

也希望本文的研究能为减速器的设计优化和性能提升提供新的思路和方法，推动工业领域的技术进步和发展。

二、虚拟样机技术概述虚拟样机技术（Virtual Prototyping Technology，VPT）是一种基于计算机仿真技术的先进设计方法，它能够在产品设计阶段就全面模拟产品的实际性能和运行状态，从而在产品投入实际生产前就能预测其性能，优化设计方案，降低研发成本，缩短研发周期。

虚拟样机技术集成了计算机图形学、仿真技术、优化设计、并行工程等多学科的理论与技术，是现代设计制造领域的重要发展方向。

在减速器动力学仿真研究中，虚拟样机技术发挥着至关重要的作用。

通过建立减速器的三维数字模型，并赋予其材料属性、运动约束和加载条件，可以模拟减速器在各种工况下的运行状态，如启动、加速、减速、停止等，以及在不同载荷、不同转速下的动力学行为。

通过动力学仿真，可以深入了解减速器的内部运动规律，预测其在实际运行中的动态性能，如振动、噪声、温升等，从而为减速器的优化设计提供重要依据。

第11卷第7期计算机集成制造系统Vol.11No.72005年7月Computer Integrated Manufacturing SystemsJul .2005文章编号:1006-5911(2005)07-0901-08多学科虚拟样机协同建模与仿真平台及其关键技术研究邸彦强1,李伯虎1,柴旭东2,王 鹏1(1.北京航空航天大学自动化学院,北京 100083;2.航天科工集团二院,北京 100854)摘 要:针对面向多学科虚拟样机开发的协同建模与仿真平台,建立了其系统体系结构和技术体系结构。

提出了该平台解决多学科虚拟样机协同建模与仿真问题中的4项关键技术,包括:①面向模型的多领域协同仿真技术;②基于系统工程理论和组件技术的建模技术;③网格技术和微软自动化技术;④采用可扩展标记语言和产品生命周期管理系统的集成技术。

给出了一种符合并行工程思想的基于该平台的虚拟样机开发过程模型。

最后,简要介绍了该平台在船舶领域的一个应用范例,以及在航天、船舶和卫星等领域的初步实践,表明该平台能有效支持虚拟样机工程。

关键词:多学科虚拟样机;协同仿真;仿真平台;网格技术;集成技术中图分类号:T P391.9 文献标识码:AResearch on collaborative modeling &simulation platform for multi -disciplinary virtualprototype and its key technologyD I Yan -qiang 1,LI Bo -hu 1,CH A I X u -dong 2,WA N G Peng 1(1.Sch.of A utomatio n,Beihang U niv.,Beijing 100083,China;2.T he Second A cademy,China A ero space Sci.&Indust ry Co rp.,Beijing 100854,China)Abstract:T he system ar chitecture and technolog y ar chitectur e of Collabor ative M o deling &Simulation Platfor m (Cosim-P latfo rm)w ere established fo cusing on dev elopment o f M ult i-Disciplinary V ir tua l Pr otot ype.T o solv e the pro blem o f co llaborat ive modeling and simulat ion,fo ur key technolog ies wer e put for wa rd:model-o riented multi-domain collabor ativ e simulatio n technolog y,mo deling t echnolo g y based on System Eng ineer ing T heor y and co mpo nent techno log y,g rid techno log y and M icr osoft auto mation techno lo gy ,Co sim-P latfo rm s inter nal and ex ter nal integ ratio n technolo gy ,w hich w as based on eXtensible M arkup L ang uage(XM L )and Pr oduct L ifecycle M an ag ement (PL M ).A vir tual prototype development process mo del w as provided in accordance with the principle of Concur rent Eng ineering.At last,an application example in Ship was briefly introduced.T he primary practices in the fields of A s tronautics,Ship and Satellite indicated that Cosim-Platfor m could effectively support development of virtual prototype.Key words:multi-disciplinary v ir tua l pr oto type;collabor ativ e simulat ion;simulat ion platfor m;g rid technolog y;integr ation techno log y收稿日期:2004-06-24;修订日期:2004-09-20。

第38卷第11期2004年11月浙 江 大 学 学 报(工学版)Journal of Zhejiang University (Engineering Science)Vol.38No.11Nov.2004挖掘机器人虚拟样机建模策略与仿真技术研究收稿日期:20031222. 浙江大学学报(工学版)网址:/eng基金项目:国家/8630高技术研究发展计划资助项目(2001AA422130).作者简介:刘静(1978)),女,山东聊城人,博士生,主要从事虚拟机技术、工程机械CAD/CAE 技术等研究.E -mail:li ujing -xd@to 刘 静,潘双夏,冯培恩(浙江大学流体传动与控制国家重点实验室,浙江杭州310027)摘 要:为了全面分析挖掘机器人的综合性能,提出基于数字化虚拟样机的虚拟测试评估方法.以一台3.5t 试验型挖掘机器人为对象,系统研究挖掘机器人虚拟样机的子系统建模及模型集成技术.利用Pro/E 和ADAMS 软件建立机械子系统、液压子系统、伺服控制子系统、节能控制子系统以及土壤挖掘阻力模型,并在ADAMS 环境中利用参数关联和模型集成技术,将各个子系统模型集成,构成机电液一体化的挖掘机器人虚拟样机模型.最后通过实验证明了样机模型的精确性.该集成样机模型能够代替实际物理样机对各个子系统的性能进行仿真分析,并从系统的角度对挖掘机器人的性能进行综合评估,提高了产品开发速度和精度,降低了开发成本.关键词:挖掘机器人;虚拟样机;ADAMS;Pro/E中图分类号:TU621;TP391.9 文献标识码:A 文章编号:1008973X(2004)11149006Modeling and simulation of virtual robotic excavator prototypeLIU Jing,PAN Shuang -xia,FENG Pe-i en(Sta te Key Laboratory o f Fluid Power Transmission an d Control ,Zhe j iang University ,H ang z hou 310027,China)Abstract:In order to generally analyze the performance of robotic excavator,the virtual testing and evaluation method based on digital virtual prototype was proposed.The subsystem modeling and model integration technology were studied,taking a 3.5t excavator for test as studying object.The mechanical system,hydraulic system,servo -control system,en -ergy -saving control system and resistive force models were built using the software of Pro/E and ADAMS (automatic dy -namic analysis of mechanical system).The virtual robotic e xcavator model integra ting with mechanical,hydraulic and control system models was built through para meter correlation and model integration under ADAMS environment.The ac -curacy of the model was validated through tests.This integrated model can stimulate all of the subsystems of the robotic e xcavator and analyze their performance substituting the real tests.This model can give a comprehensive assessment of robotic e xcavator,improve the speed and accuracy of product development,and lower the de velopment e xpenses.Key words:robotic excavator;virtual prototype;ADAMS;Pro/E 虚拟样机技术是国外于20世纪80年代发展起来的新技术,它是利用在计算机中建立的参数化数字样机模型代替物理样机进行性能测试和评估的一种产品开发方法.作为虚拟方法的一种应用,人们期待的是它的应用状况和取得的效益[1].虚拟样机技术在国外得到了广泛的应用,在工程技术领域已有很多成功应用的范例,如CAT 、VOLVO 等著名工程机械制造商都已将虚拟样机技术成功应用于挖掘机产品开发过程.挖掘机器人是机电液一体化的智能化挖掘机,对这种挖掘机的开发涉及到机械、电子和液压等多学科领域的技术.传统的物理样机开发模式存在开发周期长、成本高、修改困难等多方面的问题.应用数字化虚拟样机技术能有效地克服传统物理样机开发模式的缺陷,加快产品开发速度,节约开发成本,为全系统、全性能地设计、评价产品提供了一种有效的手段.实现虚拟样机技术的关键是开发高可信度的数字样机模型,能够模拟产品的各种功能,对产品的各种性能作出评价.本文以W Y3.5t 小型挖掘机器人的虚拟样机开发技术为例,提出利用特征造型软件Pro/E 和支持虚拟样机技术的动力学分析软件ADAMS(automatic dyna mic analysis of mechanical system)[2]建立挖掘机器人虚拟样机模型的方法,在进行建模研究的基础上,对虚拟样机模型进行仿真分析.1 实现框架及关键支撑技术挖掘机器人虚拟样机技术是系统设计的支持平台,它是对不同专业领域系统集成的模拟模型进行基于动力学的系统仿真技术.其实现框架如图1所示.实现挖掘机器人虚拟样机框架中的关键技术为:1)建模技术.采用美国参数化技术公司(PTC)的Pro/Engineer 建立具有物理和几何特征的挖掘机器人机体部件三维C AD 模型;采用美国机械动力学公司(Mechanical Dynamics Inc.)的ADAMS 作为多体动力学仿真环境,利用ADAMS/View 建立虚拟机构模型,利用ADAMS/Solver 建立液压系统、控制系统模型.2)模型集成技术.挖掘机器人是多学科、多系统组成的有机整体,作为对真实样机的模拟,其虚拟样机模型也是各个子系统模型协同工作的统一整体,这就需要将第1)步开发的子系统模型进行参数关联并进行集成.图1 挖掘机器人虚拟样机实现框架Fig.1 Development frame of virtual roboticexcavator prototype3)ADAMS 二次开发技术.为了实现对虚拟样机模型的各种功能的模拟控制,需要开发友好的用户交互界面.利用ADAMS 提供的二次开发功能开发仿真过程控制、节能模式控制、伺服控制模式、仿真结果输出控制等界面,建立完整的挖掘机器人虚拟样机交互环境.4)底层支撑技术[3].虚拟样机技术还涉及支撑各项并行工作间信息交流的底层支持技术.挖掘机器人虚拟样机各子系统的仿真模型、CAD 三维造型、各种设计文档需要在不同的工作组、不同的计算机之间传递.所有设计人员通过网络在同一虚拟样机模型上完成设计工作.因此需要局域网构建、广域网通讯和产品数据管理(product data mana gement,PDM)技术的支持.2 系统建模技术根据挖掘机器人实现的功能,从仿真建模的角度将系统分解为五个子系统:机械子系统、液压子系统、节能控制子系统、伺服控制子系统、土壤挖掘阻力模型子系统.2.1 机械系统建模机械系统模型包括机构模型和CAD 三维造型两部分.在三维特征造型软件Pro/E 中建立挖掘机器人的带有质量、转动惯量等物理特征的各个部件模型;采用动力学仿真软件ADAMS,利用其运动约束库、力库等模块以及数值建模与求解函数,建立起机构动力学模型,在此基础上将C AD 部件模型和机构模型集成就形成了挖掘机器人在ADAMS 环境下具有真实外观特征的机械模型.2.2 液压系统建模与挖掘机一样,挖掘机器人液压系统可分为主液压回路和先导液压回路[4].建模时根据需要对先导油路进行了简化,并按功能划分为结构相似的动臂、斗杆、铲斗、回转、行走五个工作回路.如图2所示(未考虑行走回路).虽然挖掘机的液压系统很复杂,但是具体分到每个工作回路,其工作原理除了执行元件的不同(液压缸和液压马达)外都是相同的.本文以执行元件为液压缸的简化典型回路为例,研究其系统和元件模型的实现方法.对这个液压回路采用功率键图进行分析[5].回路主要由液压泵、六通多路阀、液压缸、液压管路组成.对液压回路的建模主要就是对这四部分子系统的建模.每个子系统的输入输出状态变量根据其相1491第11期刘静,等:挖掘机器人虚拟样机建模策略与仿真技术研究邻子系统之间的功率传递关系确定.图3为回路中各个元件之间功率传递关系图.其中,n set为柴油机设定转速,X为柴油机输出角速度,T P为油泵输入扭矩(柴油机负载扭矩),F为外载荷,Q P为油泵输出体积流量,p P为泵出口压力区(管道液容)输出压力,Q V为换向阀输出体积流量,p C为换向阀接执行元件(液压缸)处压力区输出压力,Q C为液压缸输出的体积流量,v H为液压缸输出速度,F H为外载荷输出给液压缸的负载,w为阀口面积梯度.图3中每个相邻子系统间有两个箭头,分别代表不同的状态量,两者相乘即为功率.两个相邻子系统之间的功率传递关系为pQ=Fv=T X.式中:p为压力,Q为体积流量,F为液压缸推力,v 为液压缸活塞杆速度,T为扭矩,X为角速度.为了保证子系统间的相容,每个子系统的输入是相邻子系统的输出,而其输出是相邻子系统的输入.每个方框内的子系统在建模时,针对图3确定的输入输出变量关系确定数学微分方程或代数方程,以输入状态变量为自变量,以输出状态变量为输出量.根据这种关系确定与图中各个状态变量含义相同的子系统模型.柴油机模型:X p=Q T out J E d t+n set.(1)式中:T out=T E-T P-T A,T out为柴油机输出扭矩, T E为柴油机总扭矩,T A为辅助设施消耗的扭矩,J E 为柴油机的转动惯量.液压泵的模型:运动方程为T P=T out-D P p P-J P X-B P X,(2)流量方程为Q P=D P X-K P p P.(3)式中:J P为泵转动惯量;B P为泵的阻尼系数;D P为泵排量;K P为泵泄露系数.泵出口管道模型为p#P=EV P(Q P-Q V).(4)式中:E为液压油体积弹性模量,V P为泵出口到六通阀进油口之间封闭容腔体积.换向阀模型:压力流量方程为图2液压系统原理图Fig.2Diagram of hydraulic system图3典型液压系统回路示意和功率键图Fi g.3Typical hydraulic system circui t and power bond graph1492浙江大学学报(工学版)第38卷Q V=C d X V2(p P-p C)/Q.(5)式中:C d为流量系数,X V为阀口通流面积,Q为流体密度.换向阀出口管道模型为p#C=EV C(Q V-Q C).(6)液压缸模型为Mv#H+L cyl v H=A1p C-A2p2-F H,(7)Q C=A1v H.(8)式中:A1、A2为液压缸两侧的活塞面积,M为液压缸活塞及活塞杆质量,L c y l为液压缸活塞黏性摩擦系数,p2为液压缸A2腔内压力.在ADAMS中建立状态变量(state variables)集合和状态方程组,构建液压元件及系统模型.考虑到液压系统本身的非线性特性,在ADAMS中选择适合求解非线性问题的Gear变步长数值积分法.针对液压系统仿真计算中的病态(stiff)问题,需要从数学模型的数值求解方法和数学模型本身的抽象简化处理两方面来进行.2.3节能控制系统建模实际系统中节能控制系统是和液压系统一体的,在建模时为了选取控制方式的方便将控制系统模型和液压系统模型分开来建模.利用ADAMS提供的PID控制算法工具建立了挖掘机器人的控制系统模型库,在仿真研究时可以根据需要选取控制方式运行仿真程序.节能控制模型库主要包括:泵的恒功率控制模型、负流量控制模型、负荷传感控制模型和复合节能控制模型,不同控制模型之间的切换通过二次开发实现的菜单选取实现.2.4伺服控制系统建模伺服控制模型用于挖掘机器人的规划仿真,其原理就是根据输入的动作规划数据通过伺服控制使模型自行调节阀芯位移来实现目标的动作轨迹.其中动作规划数据与ADAMS之间的接口通过样条函数命令Spline来实现,并且为了方便ADAMS微分方程的求解,利用离散化和插值函数C UBSpline对样条函数进行插值,获得下一步迭代的离散变量值.其中实际轨迹的状态值通过ADAMS提供的Measure()方法获得,作为传感器的输入,传递到伺服控制模型中.由于避免了实际系统中传感器的误差,该模型使得虚拟样机模型可以对控制规划算法进行事前检验.2.5土壤挖掘阻力模型土壤挖掘阻力通过直接测量的方法确定比较复杂,并且实验结果的可靠性并不令人满意,本文采用间接测量的方法获取挖掘阻力模型.在实地挖掘实验中测量工作油缸活塞的位移和液压缸油液压力信号,将这些信号值通过输入规划数据的方法输入到ADAMS中,利用ADAMS的逆动力学求解功能得到铲斗斗齿尖受到的阻力,此阻力数据即为挖掘过程中的挖掘阻力模型.3系统参数关联集成技术挖掘机器人的各个子系统模型需要进行参数关联和集成为一个有机整体,如图4所示.3.1机构模型与CA D模型的集成ADAMS中的机构模型已经具有运动约束关系, C AD模型需要导入ADAMS虚拟样机环境,且准确地安装至合适的位置,并将C AD模型的重心、转动惯量等精确地传递给动力学仿真机构模型,这样才能使生成的挖掘机虚拟样机符合实际产品的外观形状.图4子系统参数关联与集成框架图Fig.4Subsystem parameter interaction and integration 1493第11期刘静,等:挖掘机器人虚拟样机建模策略与仿真技术研究在Pro/E中最后输出的部件是STL格式.STL图形格式采用多边形网格来描述物体模型[6],生成大量网格构成的实体模型时需要一个局部坐标,所有描述多边形的数据都是相对该坐标系而言.因此在输出数据前需选定一个参考局部坐标系,该局部坐标的方位对应机构系统中的一个局部坐标.装配时,将两个局部坐标重合即可完成C AD模型与ADAMS机构模型的耦合集成,得到挖掘机机械系统模型.3.2机械系统模型与液压系统模型的参数关联与实际系统相似,挖掘机机械系统中主动力和力矩的大小引用液压系统中的液压力、力矩的输出.同时液压系统的压力和流量则和机械系统的速度、位移等动力学参数有关.在ADAMS虚拟样机环境中将机械系统和液压系统集成就是将上述所有相关的状态参数相互传递、引用,产生类似实际挖掘机中两个系统间的有机关联,如图5所示.3.3控制模型与液压系统模型、机械系统模型的参数关联挖掘机控制系统与液压系统、机构系统的关联也是相关状态参数的传递.节能控制系统主要是向液压系统传递液压泵的排量值;液压系统则向节能控制系统传递压力、流量等液压状态值;伺服控制系统向液压系统传递阀芯位移信号,机构系统需向控制系统模型传递运动部件的速度、位移等运动状态值.图5机械系统与液压系统参数的关系Fig.5Parameter relationship between mechanical system and hydraulic system4仿真结果分析对经过建模和系统集成得到的挖掘机虚拟样机在ADAMS中进行仿真,如图6所示.在交互界面中选择不同的控制方式进行仿真,在输出挖掘过程仿真动画的同时,还可同步输出该时刻不同学科系统的性能状态曲线,如机械部件运动速度、位移等状态曲线;液压系统流量、压力状态曲线;各个液压缸液压力的输出等.综合比较这些仿真结果,可以实现对挖掘机不同方案的整机性能评价.笔者通过大量的试验对该样机模型的精确性进行了验证.挖掘机器人的工况复杂,控制方式多,限于篇幅,本文只是给出了应用比较多的全功率控制模式下模型的仿真结果与试验数据的对比分析.结果表明该模型能比较精确地模拟挖掘机器人的功能.挖掘机器人采用双泵系统,以提高复合动作的准确性[7].全功率控制是挖掘机器人的一种节能控制方式,在全功率控制方式下,泵的输出排量随负载压力的变化而变化,原理是将双泵回路泵的功率和控制为恒定值,一方面可以充分利用发动机功率,同时又防止发动机因过载而停机.全功率控制的理论模型为q(p1+p2)=T.式中:q为全功率双泵中的单泵排量,单位为m3/rad; p1、p2分别为泵1、2的输出压力,单位为Pa;T为常数,通常为发动机额定工作扭矩,单位为N#m.图7为在全功率控制方式下,模型仿真结果与实验数据的对比.在相同的负载和阀芯输入信号下,斗杆回路泵的排量、泵的出口压力、泵的功率三种数据的比较.可以看出,模型仿真结果曲线中,在泵的压力超过起调压力(13.7MPa)后,泵的排量开始随负载的增加而减小,而泵的功率开始保持不变.仿真曲线与实验结果数据基本上是吻合的.5结语本文对挖掘机虚拟样机的实现技术进行了探讨.在分析建模的基础上,在ADAMS环境中通过数据传送和参数关联将挖掘机机械系统、液压系统1494浙江大学学报(工学版)第38卷图6仿真输出效果图Fig.6Simulation outputs图7全功率控制方式下仿真结果与实验曲线比较Fig.7Comparison between simulation and test results under ful-l power control mode 和控制系统模型进行集成得到挖掘机器人虚拟样机.该虚拟样机可以对挖掘机器人的不同学科性能进行仿真,可以用于产品开发方案的评价和对实际产品的性能测试评估.作为将虚拟样机技术应用于工程机械开发的一个实例,对于加快国产挖掘机产品的开发速度,降低开发成本,提高市场竞争力可以起到很大的作用.参考文献(References):[1]E LMAR S,ANDREAS S.促进虚拟产品开发的关键成功要素)))企业文化和企业组织[J].工程设计学报,2003,10(3):118120.El MAR S,ANDREAS S.Key success factors for virtual prod-uct development:Corporate culture and organization[J].Journal of Engineering Design,2003,10(3):118120. [2]郑建荣.ADAMS)))虚拟样机技术入门与提高[M].北京:机械工业出版社,2001.[3]冯培恩,潘双夏,丁国富.挖掘机器人虚拟样机技术的实现策略[J].农业机械学报,2002,33(3):8487.FENG Pe-i en,PAN Shuang-xia,DING Guo-fu.Research on implementation approach of virtual prototype for ex cavator-robot [J].Transactions o f the Chinese Society of Agricultural Machinery,2002,33(3):8487.[4]高峰,冯培恩,高宇.挖掘机器人柔性液压系统的方案设计[J].工程设计,2001,28(3):105108.GAO Feng,FENG Pe-i en,GAO Yu.Conceptual design of a flexible hydraulic system of the excavator robot[J].Engineer-ing Design,2001,28(3):105108.[5]丁国富.液压挖掘机虚拟样机的实现方法和技术研究[D].杭州:浙江大学,2001.DING Guo-fu.Research on developing method and technology of hydraulic excavator virtual prototype[D].Hangzhou:Zhe-jiang University,2001.[6]夸克工作室.精通Pro/ENGINEER CAD[M].北京:中国青年出版社,2000.[7]高峰.液压挖掘机节能控制技术的研究[D].杭州:浙江大学,2001.GAO Feng.Research on power saving control technology of hy-draulic excavator[D].Hangzhou:Zhejiang University,2001.1495第11期刘静,等:挖掘机器人虚拟样机建模策略与仿真技术研究。

多学科系统级虚拟样机建模与仿真技术本文从当前产品设计过程对多学科联合仿确实需求出发，分析了产品协同设计对仿真技术三个层次的功能需求，并引出当前实现多学科集成仿确实通常方法。

多学科联合仿真需要操纵、机构、有限元等不一致仿真环境的集成与数据交换，MSC.Software提供最为系统与完整的多学科协同仿真开发环境，本文全面介绍了MSC.Software多学科系统级虚拟样机建模与仿确实解决方案，并给出了具体的实例。

1．多学科联合仿确实需求众所周知，现代产品的研发流程是多人团队、多学科领域的协同设计过程。

在产品开发过程中，不管是系统级的方案原理设计，还是部件级的全面参数规格设计，都涉及到多个不一致的子系统与有关学科领域，这些子系统都有自己特定的功能与特殊的设计方法，而各子系统之间则具有交互耦合作用，共同构成完整的功能系统。

图1 现代产品过程涉及多个子系统与有关学科领域如何有效的协调各个子系统设计团队的工作，让团队之间达到信息共享、互通有无，并保证子系统的设计质量与整体性能，实现产品设计真正的一体化与协同化，从而提高设计效率，节约设计成本，缩短开发周期，这是一个非常重要的问题。

为了达到上述目标，我们务必满足下列三个层次的需求：第一，具备各子系统与各学科领域有效的集成仿真工具，从而保证各子系统的设计水准与可靠性；图2 各学科领域的不一致设计工具第二，能够实现各仿真工具之间的无缝集成与数据交换，在统一架构下实现模型整合；第三，为了能够协调与管理各设计团队，与在设计过程中产生的大量数据，实现资源优化配置，还务必具有仿真数据与流程的管理平台，实现各学科领域的真正协同仿真。

2．多学科协同仿确实通常实现方法目前较为通用与流行的实现多学科集成仿确实方法要紧包含下列三种：2.1 联合仿真式（Co-Simulation）联合仿真式是目前较为通用，也是使用最多的一种数据交换方式，其数据交换原理如图3所示，两个不一致仿真工具之间通过TCP/IP等方式实现数据交换与调用。