2.1.4虚拟样机技术特点
虚拟样机技术的实现,必备的三个相关的技术领域是：CAD技术、计算机仿真技术和以虚拟现实(Virtual Reality )为最终目标的人机交互技术。
虚拟样机技术生成的前提是虚拟部件的“制造”。成熟的CAD三维几何造型软件能快速、便捷地设计和生成三维造型。虚拟部件必须包含颜色、材质、外表纹理等外在特征以显示真实的外观同时还必须包含质量、重心位置、转动惯量等内在特征，用来进行精确的机械系统动力学仿真运算。
CAD生成的三维造型数据只有在导入虚拟样机环境，在虚拟环境中能测量和装配，并能显示出三维的外观造型后才能成为真正意义上的虚拟部件。 CAD三维造型还是实现最终从虚拟部件“制造”到现实部件制造的基础。
虚拟样机是代替物理样机进行检测的数学模型。它的内核是包含组成整机的不同学科子系统的大模型，即Digital Mock-UP，简称DMU。由于DMU同时包含了产品设计的所有学科提供的多个视角，并对产品的外形、功能等方面进行了科学、连贯的评价，因此通过虚拟样机，能进行产品综合性能评测。传统设计方法注意力集中于单学科，重视子系统细节，而忽视了整机性能，就是因为无法同时从多视角对产品综合性能进行评定。
虚拟样机必须具备交互的功能。设计师通过交户界面对参数化“软模型”进行控制，实现虚拟样机原型多样化。而虚拟样机反过来通过动画、曲线和图表等方式向设计师提供产品感知和性能评价。最好的交互手段是虚拟现实技术。除了应用上述传统方式，设计师还能通过数据手段，修改虚拟部件的参数，对虚拟部件重新装配，生成新的虚拟样机。虚拟样机仿真模型,通过力反馈操纵杆等传感装置，向设计师传递虚拟样机操纵力感，通过立体眼镜向设计师提供实时的立体图像，有了这些人类对产品的直观感知，就能使设计师产生强烈的“虚
- 8 -
轮腿式车轮设计与仿真分析
拟现实”沉浸感，协助设计师和用户对产品性能做出评价。
计算机网络、计算机支持的协同工作技术(Computer Supported Cooperative Work,简称CSCW) 、产品数据管理( PDM)和知识管理等是虚拟样机技术实现的重要低层次技术支撑。通过这些技术将产品的各个设计、分析小组人员联系在一起，共同完成新产品从概念设计、初步设计、详细设计直到方案评估的整个开发过程。
2.2 Pro/E与ADAMS联合应用
虚拟样机技术的商业软件，如机械系统自动动力学分析软件ADAMS，集成了多体系统动力学理论成果、参数化的建模工具、可以进行静力学、运动学和动力学分析的求解器、功能强大的后处理模块和可视化界面等，极大地提高机械系统仿真的效率。然而由于这些软件重点是在力学分析上，在建模方面还是有很多不足，尤其是一些复杂机械系统零、部件的三维建模很难实现，所以很有必要利用CAD软件建模来解决这个问题。
两者结合仿真的基本步骤归纳如图2-2所示：
图2-2 仿真的基本步骤
利用Pro/E建立模型并进行样机装配
ADAMS建模技术尚不完善，仿真过程中对于结构复杂的模型就要借助CAD软件来完成建模，这里利用Pro/E结合一个四杆机构来介绍整个建模装配过程。
（
1）建模过程
- 9 -
轮腿式车轮设计与仿真分析
Pro/E和ADAMS是不同公司出品的，两者是“有缝连接”，在转换模型时会因为设置的环境不同而无法实现，因此在建模前就应该设置好各零件的建模环境。四杆机构由基座、主动件、连接件和从动件组成，首先建立基座模型，在Pro/E系统下打开新文件，在菜单栏选File→New即打开对话框，选择Part类型。根据实际经验，在零件建模前应该注意环境单位和密度的设置，与ADAMS连接一般单位采用mmNS或者MKS制，而且要定义零件的密度，这样可以防止在模型转换的时候出现很多不必要的错误。建模时修改单位可以在菜单管理器(MenuManager)下选择Part→SetUp→Unit，然后出现单位管理(UnitManager)对话框，在选择适当的单位制，点“Set”按钮即可。同样修改密度选择Part→SetUp→Density后，在信息窗口(MessageW indow)输入密度值确定即可。然后进行零件模型的建立。同样方法建立四杆机构的其他零件模型[18]。
（2）装配过程
在Pro/E系统下打开新文件，在菜单栏选File→New即打开对话框，选择Assembly类型进入模型装配环境，与前面一样要将环境的单位设置为mmNS或者MKS制。
在装配环境设置好后即可开始零件装配，在菜单管理器(MenuManager)下选择ASSEMBLY→Component→Assemble后调出打开文件对话框，选择零件模型文件后点击打开(Open)即可。对于四杆机构先调入基座( found. prt)文件后，出现装配对话框(Component Placement)，选择连接(Connections)方式(基座采用固定Fix连接)，当下面位置菜单(PlacementStatus)提示完全约束(Fully Constrained)即可。其他零件按照类似的方法，只是连接方式不同。同时要注意模型的后续定义，如模型只有在装配时定义成相切才能在后面将它们之间定义为“curve-on-curve cam”；当为了简化模型利用“Merge”合并时要注意转化到ADAMS里面将不能单独着色，若要单独着色就不要使用。完成以上步骤后将装配模型进行存贮，以准备后续的操作。
利用CAD建立完模型之后，就需要将其导入ADAMS中，进行一些力学或运动学上的分析，其中还要用到一些专用的接口程序。完成一系列转换导入操作之后，便能对一些稍微复杂的模型进行分析了。
由以上可知，将CAD与虚拟样机结合，可以有效的将CAD强大的建模功能与虚拟样机的分析功能有机地结合起来，从而大大提高虚拟样机的分析功能，处理更多复杂实际的问题。
2.3虚拟样机（ADAMS）的二次开发
ADAMS不仅是一个优秀的虚拟样机建模和分析软件，同时也可作为开发虚拟样机分析应用软件的有效工具。用户可对ADAMS进行功能定制，如进行
- 10 -
轮腿式车轮设计与仿真分析
ADAMS/View界面的用户化设计；可利用语言实现自动建模和仿真功能，如宏命令的应用；针对特殊的应用需求，通过编制用户自定义函数或子程序( Us-er- Written Subroutine)，可进行 ADAMS的二次开发，以拓展ADAMS的功能，为用户定制具有特定功能的仿真分析软件。
库函数提供的只是有限的编程结构，因此有些复杂的情况，特别是涉及到逻辑表达时，用库函数的现有函数很难表达出来。因此当需要采用一些 ADAMS没有提供的特殊函数时，可以采用用户自定义函数。