第一章 绪论

1。1 课题研究的背景及意义

 早在1892年德国发明家鲁道夫·狄塞尔发明了第一台柴油机，相比较其他热机，它出了热效率高外，还有以下优点：功率范围广、机动性好、尺寸小重量轻。这些优良的特性使其成为世界上使用最为普遍的动力装置，并且持续显示其在现代社会中的重要性。

自诞生一个多世纪，柴油机不断的改进研发其各方面的性能，但是因为柴油机是一个十分繁琐的机械系统，并且它会受到来自机身内部以及外界的各种复杂作用力，这些作用力时刻在变化，导致其基于动力学理论去建模，求解，再分析的时候非常困难，而且精度难以控制。以往柴油机采取的传统设计方式是先进行理论设计，然后做出物理样机进行实验，得到各个部件数据分析，再对设计方案进行修改，来回反反复复的“设计—实验”，这种开发方式一般要近十年的时间才可以开发出一款新型机型，带来的人力财力消耗十分巨大。如今，计算机辅助技术在一步步的发展，出现的计算机仿真技术也为柴油机的运动学，动力学特性的求解带来了大大的捷径，人们采用虚拟样机技术进行试验并对仿真结果进行分析，得到的分析结果反馈给设计者令其对设计方案进行修改。如此一来可加快新型柴油机的研发速度，提高效率、减少研发成本，虚拟样机已成为了现代机械结构设计、优化的重要手段。

虚拟样机技术是一种在计算机上模拟真实产品，来对它的操作性能和运作过程仿真的设计方式。它是应用产品数字化设计（建立实体模型）和计算机仿真技术两种技术来完成虚拟样机的建立。该技术可以在设计过程中观察柴油机的主要运动部件（如活塞，连杆等）的外形以及装配关系还可以在运行的时候观察柴油机运动部件的的运动状况，包括其运动学特性与动力学特性，还可以对柴油机关键零件工作时的应力情况进行测试和分析。而且建立的虚拟样机还能够反映物理样机的特性，空间关系、包括外观形态。设计者还可以从各个角度，采取不同视角比例来观察柴油机模型，通过运行模拟数字样机就可以定性的判断出产品的性能。在开发使用虚拟样机技术的路上，人们要做到将虚拟现实、三维实体建模、仿真等技术相互结合起来，提供所需要信息并反馈比较，形成一个交汇的，实时的开发环境，使得虚拟样机发挥更好的作用。如此大大减少了柴油机的设计周期，降低成本。它的出现在优化柴油机设计，提高设计效率方面做出一步大的跨越。

虚拟样机技术对产品设计主要表现在以下几个方面：

1。虚拟样机技术可以虚拟产品装配，预测产品是否存在干涉以及组合结构是否出现错误，减少物理样机的建立，达到节省时间，降低成本的效果。

2。通过对各个零件的加工，组装过程进行仿真，以此得知零件是否存在设计缺陷，和装配问题。

3。通过虚拟零件，部件，机构等，测试出它们的运动学和动力学性能，获得机构的运动仿真结果，进行分析研究。

综上，虚拟样机技术是一个新兴的并且综合多个学科的工程技术，虚拟样机技术的发展历程正如物理样机设计制造技术发展过程中从CAX（计算机辅助设计系统）向CIMS（现代集成制造系统）的发展历程一样,复杂产品的虚拟样机开发已成为一个系统工程——复杂产品虚拟样机工程。虚拟样机技术的出现, 不仅仅是一种新技术的应用,而是设计理念的变革,将对未来的制造业产生深远影响 [12] 。

1。2 虚拟样机国内外研究现状