《机械系统计算机虚拟样机技术》研究生课程作业。
注：从习题1-4中任选3题，再加上**题）
习题1. 下图为一小型压力机。已知各构件的长度为lab=100mm，lbc=200mm，lad=200mm。
驱动力f作用在构件1的d点，大小为f=140n，且始终与ad保持垂直。滑块c向下运动压紧工件，其压紧力用弹簧力来模拟。弹簧刚度k=5n/mm，阻尼系数c＝0。
1） 试建立该压力机的虚拟样机模型；
2） 进行动力学**分析，求曲柄角度的变化规律及给出在压紧过程中工件所受压力的变化情况。
**测试时间0.1秒，步长0.0001秒）
p39习题2 如图所示为质量球－弹簧系统。已知质量球的质量为m=1kg，弹簧的刚度为k=(2π)2 n/m，在球上作用有一个铅垂向下的力f=sin(ωt)。
①建立该系统的虚拟样机模型。
**分析该系统的振动特性。
p79习题3 在进行凸轮机构设计时，一般先确定从动件的运动规律，再据此设计凸轮的轮廓曲线。假设已经确定了移动从动件（如图（a））的运动规律，如图（b）所示。
移动从动件的推程按匀速规律运动，其位移方程为：
回程按简谐规律运动，其位移方程为：
其中从动件的行程h=200mm，推程和回程的运动角，凸轮的转动角速度，凸轮的转角，t表示时间。
在不考虑凸轮的情况下，试建立一个移动从动件，并用上述运动规律来驱动其沿竖直方向的运动。
p88习题4 在水平桌面上放置一个质量m=1kg的正方体，如图所示。正方体与桌面的静摩擦系数为，动摩擦系数为。现给正方体施加一个水平方向的推力，推力的初始值为2n，然后每过1s就增加1n，如图（b）所示。
试通过虚拟样机技术分析正方体的运动状况。
p945.**。
以“虚拟样机、计算机模拟、数字化设计在工业中的应用”为主题（农业机械、汽车、航天、工程机械）
要求：至少5篇参考文献（1篇英文文献）
虚拟样机技术在农业机械设计上的应用和发展。
1 虚拟样机技术的概念。
虚拟样机技术是一种基于虚拟样机的数字化设计方法，是各领域cax（cad、cam、cae）/dfx（dfa、dfm）的发展和延伸。虚拟样机技术以系统建模/**技术为核心，融合了现代信息技术、先进设计制造技术、现代管理技术。与传统的产品设计技术相比较，虚拟样机技术强调系统的观点，涉及产品的全生命周期，能够对产品进行全方位的**分析、测试和评估，并强调不同领域的协同设计[1]。
由于虚拟样机技术适用于不同的领域，因此对虚拟样机的概念并没有一个精确的概念。现将一些比较有代表性的定义总结如下：文献[2]较早地对国内几种有代表性地定义做了总结：
①虚拟样机技术就是在建筑第一台物理样机之前，设计师利用计算机技术建立机械系统的数字化模型，进行**分析并以图形方式显示该系统在真实工程条件下的各种特性，从而修改并得到最优设计方案的技术。②虚拟样机是一种计算机模型，它能够反映实际产品的特性，包括外观空间关系以及运动学和动力学的特性。借助于这项技术，设计师可以在计算机上建立机械系统的模型伴之以三维可视化处理，模拟在真实环境下系统的运动和动力特性并根据**结构精简和优化系统。
③虚拟样机技术利用虚拟环境在可视化方面的优势以及可交互式探索虚拟物体的功能，对产品进行几何、功能、制造等许多方面交互的建模与分析。它在cad 模型的基础上，把虚拟技术与**方法相结合，为产品的研发提供了一个全新的设计方法。其中定义①从建模和**的角度来论述；定义②强调虚拟样机的数字化设计；定义。
③侧重于虚拟现实和交互性。
文献[3]认为：虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法，它是一种基于产品的计算机**模型的数字化设计方法，这些数字模型即虚拟样机（ virtual prototype ）。将不同工程领域的开发模型结合在一起，它从外观、功能和行为上模拟真实产品，支持并行工程方法学。
虚拟样机技术涉及多体系统运动学与动力学建模理论及其技术实现，是基于先进的建模技术、多领域**技术、信息管理技术、交互式用户界面技术和虚拟现实技术的综合应用技术。这个定义从广义上来定义虚拟样机技术，包含了其相关技术以及涉及到的各个方面，基本上概括了虚拟样机技术涉及的全部内容。文献[4]认为：
虚拟样机技术是指利用计算机**技术在产品设计开发过程中，将分散的零部件设计和分析技术结合在一起，在计算机上建造出产品的整体模型，对该模型进行评估和测试，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行**分析，**产品的整体性能，进而改进产品设计，提高产品性能的一种新技术。相对于文献[3]的定义，这个定义从狭义上来定义虚拟样机技术，从虚拟样机技术的核心即建模/**来描述，没有涉及到虚拟样机技术产品开发的其他方面。
文献[5]认为：虚拟样机就是用来代替物理产品的计算机数字模型，它可以像真实的物理模型一样，用来对所关心的产品的全寿命周期，如设计、制造、服务、循环利用等，进行展示、分析和测试。这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术。
这个定义明确了几个问题：①明确表示虚拟样机是一个代替物理产品的数字模型；②明确阐述了虚拟样机的功能是代替产品的物理模型；③明确了虚拟样机和虚拟样机技术的区别。通过对以上几种定义的分析，得到的一个共同点就是：
虚拟样机是一个用来代替产品物理模型的数字化模型。本文基于虚拟样机技术的特点，结合农业机械设计领域的实际情况，提出一个现阶段普遍适用的基于农业机械设计的虚拟样机技术的概念。在农业机械设计上，虚拟样机技术就是利用先进的计算机建模技术建立起在一定程度上具有和物理样机相当功能的数字化模型（即虚拟样机），并利用先进的**技术对虚拟样机进行**分析和测试的一种设计方法。
通过对虚拟样机施加特定的约束和驱动，分析其对各种在实际生产和应用中可能遇到的情况的虚拟响应，并对虚拟样机进行优化设计，得到最适当的参数，使虚拟样机和物理样机具有最大程度的一致性。
2 虚拟样机技术的实现。
虚拟样机技术在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的商业化虚拟样机软件来实现的。比较有影响力的商业软件有：美国机械动力学公司的adams 、cadsi 的dads 以及德国航天局的simpack，此外还有working model、adina、ideas、flow 3d、phoenics 、pamcrash、msc.
software 等等。其中adams 在国内应用最为广泛。
adams 软件使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。adams 软件的**可用于**机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等[6]。
adams 的功能虽然强大，但它主要是进行机械系统的静力学、运动学和动力学的**分析，而在几何建模、结构分析、控制系统设计上则不及相应领域的专业软件。因此，要提高虚拟样机的设计效率和**分析的精度，有必要进行adams 与其他软件的联合**。adams 一方面是虚拟样机分析的应用软件，另一方面，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，有利于与其他领域的软件进行联合**。
本文根据实际应用情况，总结出一种当前普遍适用的联合**方案如图1 所示。
adams 与三维造型软件的联合**。比较著名而又应用广泛的大型三维造型软件有pro/e、ug、
solidworks 等。利用专业的三维造型软件，建立起样机的三维实体模型，然后保存为几种图形的标准格式如iges、step、parasolid，通过adams/exchange 模块导入到adams中进行**分析。其中pro/e和adams之间通过专用的接口模块mechanism/pro 来传输数据。
adams 与结构分析软件的联合**。
adams 分析对象主要是刚体，如果和结构分析软件如ansys 联合**的话可以解决机械系统的柔性问题。利用ansys进行模态分析时可以生成柔性体的模态中性文件（.mnf文件），通过adams 中的adams/flex 模块导入到adams 中生成模型中的柔性体。
同时，adams 进行**分析时可以生成ansys 使用的载荷文件（.lod 文件），ansys 可直接利用此文件进行**分析[7]。adams 与控制系统设计软件的联合**。
对于一些比较复杂的机械系统，要精确控制其运动，仅利用adams 是难以做到的，这就要借助于其他的控制软件如matlab 的强大**功能。matlab/simulink 是新型的图形建模与**工具，可以方便地实现对工程问题的模型化和动态**。通过建立起的样机模型、利用adams的adams/controls 控制模块和matlab 等自动控制**技术等知识建立包括控制系统和运动机械系统为一体的**模型，实现机械系统和控制系统的联合**。
3 虚拟样机技术在农业机械设计上的应用。
虚拟样机技术在一些发达国家已经得到了广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面。在国内，虚拟样机技术的研究与应用正处于初步阶段，并呈现出美好的发展前景，在农业机械方面的应用也日益广泛。
3.1 虚拟样机技术在农业机械设计中的必要性。
在我国，传统的农业机械的设计很大一部分是凭借经验进行类比设计，一般只进行静态分析而不注重动态特征的分析。传统的产品开发过程是：设计——样机制造——样机测试——反馈设计——正式生产。
在这种开发模式中，物理样机的制造和测试是必须的。一旦在测试中发现某个环节出现问题又或者设计方案发生变化，就必须重新制造物理样机再进行测试。经过对物理样机反复的测试和改进设计、样机制造后，再进行正式的批量生产制造。
很显然，这种模式在物理样机的反复设计、制造和测试中浪费了大量的人力财力，导致产品生产周期长，成本高。因此，农业机械的设计和开发模式必须进行重大的变革。
3.2 虚拟样机技术在我国农业机械设计中的应用。
计算机辅助设计在我国农业机械设计上的发展经历了一个渐进的过程： 二维cad—— 三维cad——cad/cam/cae——cax/dfx——vp（虚拟样机技术）。早期的基于计算机的农业机械的设计主要是利用计算机来生成零件或整机的二维或三维图形，也即是传统意义上的cad 建模，逐步发展到现在的虚拟样机技术。
在我国农业机械虚拟样机设计的发展过程中，以上提到的利用adams以及其他专业软件和adams联合**的方法在农业机械设计上很普及，成了现代农业机械虚拟样机设计的主流。下面分类总结如下：
1、单独利用adams 进行运动**分析。这种方法直接在adams中建立虚拟样机模型，进行**分析。其优点是可以实现数据的无缝连接，缺点是adams 的建模功能不强，难以建立起大型复杂的模型。
这方面的研究有：文献[8]在建立农用运输车整车多体动力学模型的基础上，借助软件adams 研究了农用运输车平顺性**的方法，是国内较早将adams 软件应用到农业机械设计中的例子；文献[9]采用 adams **软件对4lz-1.2 型全喂入稻、麦联合收割机清粮机构进行建模，并对该模型进行运动学**和结构优化；文献[10]利用adams 建立了1ld-440 型深耕犁机构的虚拟模型，通过**实验与物理实验的比较，对模型进行了验证；文献[11]利用adams 建立风筛清选装置的虚拟样机模型，并对不同机械系统工作参数下，油菜物料在清选装置中的运动规律进行初步的**研究；文献[12]在理论分析的基础上利用adams软件建立了联合收获机切割机构的模型，对割刀的运动进行了**，得出的**结果与理论分析相一致。
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