虚拟样机仿真实验（精选8篇）
篇1：虚拟样机仿真实验
变速器虚拟样机仿真
利用UG二次开发功能建立变速箱的CAD模型,在ADAMS/VIEW内通过装配建立模型的虚拟样机模型,通过编写接触力计算子程序实现了轮齿啮合力的计算,结合脚本控制语句实现了变速换挡过程的仿真.
作 者：高显军 作者单位：装甲兵技术学院,吉林,长春,130117 刊 名：农业与技术 英文刊名：AGRICULTURE & TECHNOLOGY 年，卷(期)： 29(3) 分类号：U463.212.02 关键词：变速器 虚拟样机 啮合力 换挡篇2：虚拟样机仿真实验
实验报告
课题：双滑块机构虚拟样机仿真实验 姓名：
学号： 班级： 指导教师：
2012年5月1日
0 自主设计双滑块机构的虚拟样机仿真
摘要
本实验在学习的机械原理基础课程上，通过自己构思，设计机构，用Adams软件进行机构建模，并对机构的运动进行一些列的模拟和分析，以验证所设计机构的运动规律及其可行性，并通过进一步思考，提出该机构可能的应用构想。
关键词：双滑块、虚拟样机、ADAMS应用、仿真 目录
1、问题的分析..........................................................................................................3
2、双滑块机构虚拟样机建模.....................................................................................3 2.1设置工作环境..............................................................................................3 2.2双滑块机构的模型创建................................................................................3
3、机构的相关运动量的分析.....................................................................................5 3.1滑块6的运动量分析....................................................................................5 3.2滑块7的运动量分析....................................................................................6 3.3滑块7压力角的补充分析.............................................................................7 3.4对滑块6和滑块7的运动性质进行对比........................................................7
4、基于机构分析的机构应用探讨..............................................................................8
5、实验感想.............................................................................................................8 参考文献...................................................................................................................8
1、问题的分析
通过本学期机械原理课程的学习，使我对机械机构的相关知识有了一定的了解，激发了我对于机械机构运动的极大兴趣，通过本次仿真实验，我对机械机构中的最为简单的杆和滑块构件进行组合，设计出一种简单的结构，以期通过对它的模型创建和运动分析找到其应用途径。简单的原理图如图1所示，通过曲柄的转动，和杆的传动带动两个滑块做交替的往复运动。
2、双滑块机构虚拟样机建模
新建一个ADAMS模型，对其命名，由于本机安装软件不支持汉语命名，所以采用英文命名。
2.1设置工作环境
在建立虚拟样机之前，一般都需要进行必要的工作环境设置，如选择坐标系、单位、工作栅格、重力方向等。由于本文只是简略地建立模型进行仿真分析，对工作环境没有特殊要求，因此使用默认设置即可。
2.2双滑块机构的模型创建
本文的建模对象是双滑块机构，这个机构是在连杆滑块机构上改进而来，所以基本构件还是连杆和滑块。可以从原动件开始，先创建基本的构件体，然后将它们的位置做适当的整理，最后添加各个运动副，并在原动件上添加动力，实现整个机构的周期运动。整个机构共有7个可动构件，8个转动副，2个移动副，所以机构自由度为1.2.2.1创建曲柄滑块机构模型
创建机构成型所需的各连杆和滑块。如图2所示，各构件编号如图。（后文中提到的构件编号均以本图为依据）
2.2.2添加构件之间满足运动要求的运动副 如图3所示，各运动副编号在图中给出。
2.2.3添加驱动力
根据最初设计，在杆1上添加驱动力，通过杆1的匀速圆周运动，带动其余 构件的运动，实现杆1向末端两滑块的传动。如图4所示，杆1上的驱动为逆时针方向的匀角速度转动。
3、机构的相关运动量的分析
对机构的运动关注主要集中于对两滑块儿的相关运动量的分析及它们之间的相互比较。
3.1滑块6的运动量分析
首先观察滑块6，其位移，速度以及加速度曲线分别如图5至图7所示。
对其运动曲线进行分析可得一下结论：（1）对位移分析得极大值坐标（0.936,270.0515），极小值坐标（6.648，-32.78），所以滑块6行程为302.8315mm，由左极限位置到右极限位置所用时间为5.712s，表明滑块6具有较小的急回系数，急回特性并不是那么明显。
（2）对速度分析可知，滑块6的最大速度为86.7458mm/s，曲线显示没有速度突变。
（3）对加速度分析可知，最大加速度49.1055mm/s2，此时对应着最小的压力角。
3.2滑块7的运动量分析
然后观察滑块7，其位移，速度以及加速度曲线分别如图8至图10所示。
（1）对位移分析得极大值坐标（3.0,172.6973），极小值坐标（11.544,48.611），所以滑块7的行程为124.0863mm，由左极限位置到右极限位置所用时间为8.544s，可见滑块7的急回特性比滑块6明显得多。
（2）对速度分析可知82.0154m/s，速度虽然没有突变，但是速度的变化规律比滑块6复杂得多，这是由于滑块7的间接传动连杆尺寸及位置导致的。
（3）对加速度分析可知，最大加速度为158.2039mm/s2，并且在曲线上可以看到加速度的变化也更加尖锐。
3.3滑块7压力角的补充分析
分析结果如图11所示。
从曲线观察得压力角极大值坐标为（11.544,55.6283），极小值坐标（4.272，1.3563），可见压力角的在滑块运动过程中会有较大波动，而且在左极限位置取得最大压力角。
3.4对滑块6和滑块7的运动性质进行对比 从以上分析可知，滑块6在速度和加速度的变化上都比滑块7要简单，滑块7的压力角状况也比滑块6差，最大压力角大并且波动明显，对整个机构的可靠性造成很大影响。所以，整体来看，滑块7的运动性能远差于滑块6，主要原因在于滑块6是直接与主动曲柄相连，而滑块7则是由曲柄带动的摇杆间接带动，其运动与摇杆的位置及中间连杆的尺寸都有密切关系。
4、基于机构分析的机构应用探讨
从以上的分析可知及机构的实际运动情景的模拟可知，由曲柄带动的两个滑块会做交替的往复运动。设想的一种应用是爬行机器人，两个滑块可以作为双足，交替运动，实现前进。但是由于两滑块的运动并不协调，这将导致机器人的前进不稳定，通过以上分析也可以知道，可以通过改变2杆和4杆的尺寸，以及4杆与地面之间的运动副的位置可以改善滑块7的运动性能，可以设想，还能通过这种随机调节，实现两滑块的运动的可控差异，实现爬行机器人的转向等运动。
这样的双滑块还可以进一步拓展，构建多滑块机构，这样可以增加从动件数量，实现多个不同要求的工作运动，提高工作效率和原动件的利用率。
5、实验感想
本次虚拟样机实验是在机械原理课程基础上进行的一次自主设计，通过建模到运动分析，我对机械机构的协调运动有了更为生动的理解，极大提高了对于机械学科的兴趣。但是在操作过程中遇到的一些困难也说明我对ADAMS软件的操作还存在很大不足，还需要以后更多的实验来熟悉改进。
参考文献
篇3：变速器虚拟样机仿真
ADAMS/VIEW环境下需要借助外界CAD软件建立变速箱模型, 采用Unigraphics (UG) [1]提供的Opengrip二次开发语言, 编写了外啮合齿轮的参数化建模程序[2], 通过调试编译生成可执行文件gear.grx。在UG中齿轮的参数化建模程序的运行界面如下图1所示, 需要提供的信息有齿轮的模数m、齿数Z、压力角A、齿顶高系数F、齿根高系数C、变位系数X和齿厚B。
图2所示的就是在UG中建立的变速箱CAD模型, 对于造型复杂的齿轮可以很方便的建立, 而且可以实现啮合齿轮对之间的轮齿精确咬合, 从而为下一步向ADAMS中传输准确模型奠定了基础, ADAMS的SOLVER核心程序计算时, 支持的基本三维模型格式是PARASOLID格式, 因此, 在UG中利用该软件提供的输出功能, 输出所有独立刚体的PARASOLID格式文件。
2 虚拟样机模型的建立
利用ADAMS/VIEW进行组装, 并根据各个部件之间的运动约束关系, 在刚体上添加不同的铰约束和相互的接触力作用, 其中接触力使用用户自编译的动态链接库文件计算, 得到了变速箱的虚拟样机模型, 如图3所示。
为了加快模型计算速度和计算的精确度, 利用ADAMS软件提供的二次开发接口, 利用FORTRAN编写了接触力的子程序, 主要的ADAMS内部函数包括CNFSUB和CFFSUB, 其中CNFSUB子函数用于计算接触力, 其格式如下:
SUBROUTINE CNFSUB (ID, TIME, PAR, NPAR, LOCI, NI, LOCJ, NJ, & GAP, GAPDOT, GAPDOTDOT, AREA, DFLAG, IFLAG, FORCE)
其中PAR为程序输入参数, PAR被定义为一个列向量, 其中K=PAR (1) 表示接触刚度, E=PAR (2) 表示刚性接触力指数, C=PAR (3) 表示阻尼, D=PAR (4) 默认穿透深度。
CFFSUB用于计算摩擦力, 输入的格式如下:
SUBROUTINE CFFSUB (ID, TIME, PAR, NPAR, LOCI, LOCJ, X, XDOT, & NFORCE, AREA, DFLAG, IFLAG, FORCE)
其中US=PAR (1) 表示静态摩擦系数, UD=PAR (2) 表示动态摩擦系数, VS=PAR (3) 表示静摩擦速度, VD=PAR (4) 表示动摩擦速度。
该程序包含了基于IMPACT函数的接触力计算程序和摩擦力计算程序, 因此, 对接触力的计算可以通过调用用户编译子程序实现, 输入的格式如图4所示。
3 ADAMS/VIEW中虚拟样机模型的仿真
ADAMS内部提供一些数值分析中常用求解器包括GSTIFF (GEAR STIFF) 、WSTIFF (Wielenga stiff) 、Constant-BDF、ABAM (Adams-Bashforth-Adams-Moulton) 和RKF45 (Runge-Kutta-Fehlberg) [3]。不同的求解器有不同的特点, 如GSTIFF是ADAMS预设求解器, 其运算速度快, 但对于系统的速度以及加速度的计算容易产生误差, 而且因为系统的Jacobian矩阵是需要求逆, 在步长非常小的情况下, 会出现计算失败的导致仿真失败的问题;而WSTIFF则具有刚性稳定、可变阶数、可变步长等特点, 而且最多可计算6阶微分方程组。其他的求解器有都具有不同的优点和缺点, 复杂机械系统选择仿真环境时, 需要确定其是一个典型的动力学仿真, 而且因为仿真过程中物体之间有大量的接触力出现, 因此选择WSTIFF求解器, 同时选择SI2 (Stabilized Index 2) 方程转换运算, 以提高计算结果的精确度。仿真时间和步长的设置也需要针对模型的不同进行设置, 时间越长越能观察系统的长期运动学和动力学行为, 而步长选择的越小就可以获得越精确的解答, 但是计算时间也更长。
变速箱模型取1、3、5档位为仿真对象, 在ADAMS/VIEW中建立变速箱的动力学模型, 输出ADAMS SOLVE COMMAND FILE的形式, 存储为ADM文件, 并且通过ADAMS所支持的命令控制语句文件 (ACF-ADAMS COMMAND FILE) 来添加仿真控制脚本[4], 以ADAMS/SOLVE为后台求解器, 仿真过程设定仿真求解器为DYNAMIC, 仿真时间为2秒, 仿真的输入速度为渐加速过程, 在变速器的输出端, 施加一个扭矩以模拟输出端所受到的外力作用, 仿真过程所用文件包括GEARBOX.ADM、GEARBOX.ACF和GEARBOX.BAT三个文件。输出文件包括Tabular output file (gearbox.out) 、Message Database file (gearbox.mdb) 、Graphics file ( gearbox.gra) 、Request file ( gearbox.req) 、Results file (gearbox.res) 等后处理文件。
4 结果分析
仿真计算获得的结果主要包括齿轮啮合力-时间历程曲线、速度输入和输出与时间历程曲线、啮合力等。图5所示的是变速器的输入速度曲线, 三段线段分别对应第一对齿轮啮合时的输入、第二对齿轮啮合时的输入和第三对齿轮啮合时的输入速度。
从图6的速度时间历程曲线可以看出变速器模型在时间域内反应了传动比大小关系和速度的方向, 在输出段由于换档过程中造成的冲击作用 (SHIFT IMPACT) , 对输出轴造成的影响也体现在输出速度上, 没有换档冲击影响的0～0.5区间内, 输出速度基本上是以恒定的加速度不断增加的, 而经过第一对齿轮的换档变速之后, 对于输出轴有振动冲击影响, 输出轴有速度的强烈跳动, 速度的变化是因为加速度造成的, 归根到底则是由于冲击力的影响, 到1秒钟之后的第二个换档结束之后, 因为换档造成的冲击再一次影响了输出轴, 使其振动的幅度和频率都增加了, 在换档的瞬间, 也出现了速度急剧的波动状态。这些都说明变速器在换档过程中总是会给输出端造成一定的振动冲击, 直接结果是输出速度的跳动。
图啮合力曲线可以看出齿轮在啮合过程中, 因为啮合刚度不断变化和啮合误差的影响, 造成齿轮啮合力在一对主动齿带动从动齿的过程中, 总是随着啮合周期的变化而变化的, 第一对啮合齿工作时, 变速器的输入端处于加速输入阶段, 所以, 啮合力的幅值也随着传动速度的增加而上升, 同时, 啮合力的变化频率也随着啮合周期的减小而增加, 从低速时近乎为零的啮合力到幅值变化到25000N, 这期间正是变速器的加速过程。
5 结论
利用UG提供的Opengrip二次开发语言可以方便快捷的实现传动系统关键部件齿轮的建模, 这大大提高了建模和分析的速度, 并且为修改模型带来便利, 采用Parasolid格式在Ug和ADAMS软件之间传递几何模型的信息, 可以确保模型的物理信息和几何信息都能真实的传输到虚拟样机模型中。采用ADAMS提供的二次开发工具, 可以针对分析模型的特点编写计算需要的动态链接库, 根据计算要求编写内部函数, 这样进一步提高了计算的准确率和结果的可信度, 并且在某种程度上减少了模型的计算时间, 从而加速了模型的验证过程。
参考文献
[1]赵波, 龚勉, 浦维达.UG CAD实用教程 (NX2版) [M].北京:清华大学出版社, 2004
[2]赵波, 张琴.UG NX2相关参数化设计培训教程.[M].北京:清华大学出版社, 2005
[3]Using MSC.ADAMS/Function Builder.Version 14.MDI, 2005
篇4：虚拟样机仿真实验
关键词：虚拟样机；农用小推车；仿真设计
中图分类号：TP391.99；S229+.2 文献标志码：A
文章编号：1002-1302（2014）08-0403-02
在农田采摘水果是一项繁重的农业劳动，特别是在山地果园里，大多数果园间隙只能容下一个人行走，大型农机无法进入果园，只能由人将水果一筐一筐运出果园。本研究设计了一种新型农用小推车，它能够自由行走并承载重物，与一般独轮小车相比灵活性更好，具有便于控制、操作方便等优点。近年来，虚拟样机技术引起了人们的重视，并越来越多地应用于工程设计实践[1]。本研究采用虚拟样机技术，建立新型农用小推车虚拟样机模型，通过运动仿真、动态干涉检查，缩短了新型小推车的开发周期，提高了设计质量。
1 新型多功能小推车结构
本研究在确定小车承载车厢上下运动的升降结构方案的基础上进行整机结构设计。
1.1 新型小推车功能动作具体要求
新型小推车应具备以下几种功能：农忙时，小推车应可以在果园内自由行走；采摘果实时，小车的承载车厢可以实现升降，可以实现高处采摘水果；小推车可以方便稳当地将采摘到的果实送上运输车，省时省力；小车的承载车厢還可以实现平移，用以加大承载空间；可以将承载车厢直接放到多功能车中，实现水果自由搬卸。同时，小推车应具有功能延伸性，成为人们日常生活的助手，经过改装小车也可以实现其他功能：比如在小车的前端安装毛刷，小车上下运动带动毛刷粉刷墙壁。
1.2 升降平台方案
经调查发现，剪叉式升降平台具有制造容易、价格低廉、结实耐用、便于维修保养等特点[2]。小推车升降平台属于家用小型设备，可借用剪叉式升降平台原理进行设计（图1）。液压缸有3种不同的安放位置：垂直固定剪叉式结构的平台升降行程等于液压缸行程，不适合对升降要求较高的农用小推车；水平固定剪叉式机构平台的升降行程稍大于液压缸的升降行程，水平固定剪叉式机构的活塞受力较大，不适合需要频繁升降使用的小推车；双铰接剪叉式结构升降平台的行程基本可达到液压缸行程的2倍以上，比较适合对升降高度要求较高的小推车，最终确定选用双绞接剪叉式结构方案。
4 结论
本研究针对农民对农用小推车功能、动作的需求，开发了一种便捷、实用的新型农用多功能小车，确定了小推车液压驱动整体结构的设计方案，其创新点包括以下几个方面：首先，将液动剪叉式升降机构运用到普通的多功能小推车上，改变传统的人工搬运的作业方式；其次，车中有车的设计拓展了小车的功能；再次，选用集成化的UG软件建立小推车样机的零部件模型，并利用制图、高级运动仿真模块对样机进行运动仿真。给小车安装可以绕轴旋转200°的轮臂，保证小车在不同方向进行升降的平稳性。
参考文献：
[1]杨晓京，刘剑雄. 基于虚拟样机技术的数控机床现代设计方法[J]. 机械设计，2005，22（2）：16-18.
[2]丁智平. 气液动剪叉式升降平台运动受力分析及其应用[J]. 株洲工学院学报，1999，13（6）：49-52.
[3]高清冉，孙海燕，李海洪，等. 基于虚拟样机的机床设计与仿真研究[J]. 机械设计，2009，26（7）：16-19.
[4]陈海霞，刘 霞. 虚拟样机技术在数控机床设计中的应用[J]. 机械制造与自动化，2011，40（3）：121-122，171.
篇5：实验四 虚拟邮局仿真与分析
这是一个邮局内部信件处理系统的模拟。模拟邮局在处理各方送来的信件时内部的处理流程，由于邮局处理信件必须先将信件过滤分类，但是现实中邮件种类繁多，因此本模型仅将邮件分成国内信件与国外信件。信件到达后，依其类型给予2种不同类型(用不同颜色区分)，经由传送带到达处理器处理，此步骤主要是把信件按照其不同的类型分开来，再分别送到不同的货架上等待邮车运送出去。在此仅考虑内部分类处理部分，故外送部分在这个模型中不做讨论。
1.2系统数据
产品到达：随机产生两种类型的产品，分布呈正态分布，平均每15秒到达一个产品，标准差为2秒。
产品加工：平均加工时间1秒，分布呈正态分布，标准差为0.5秒 产品运送：使用两辆叉车，装载和卸载时间均为3秒 建立Flexsim模型 第1步：调整传送带的布局
将两条传送带各增加弯曲的一小段，并调整布局。
第2步：连接端口
第3步：给发生器指定临时实体的到达速率和到达种类
产品到达：随机产生两种类型的产品，分布呈正态分布，平均每15秒到达一个产品，标准差为2秒。
2种不同类型(用不同颜色区分)。
第4步：设置处理器处理时间及输出
产品加工：平均加工时间1秒，分布呈正态分布，标准差为0.5秒 输出：类型号为1的送第1个端口，类型号为2的送第2个端口
第5步：加入两台叉车将临时实体分别从暂存器送到货架。
注意两个步骤。
第6步：两辆叉车，装载和卸载时间均为3秒 3 模型运行 4 模型分析
篇6：物理教师谈虚拟仿真实验教学
随着信息化技术的发展，虚拟仿真技术在实验教学中的 运用越来越广泛。日前教育部批准了清华大学数字化制造 系统虚拟仿真实验教学中心等100个国家级虚拟仿真实验教学中心，一些中学也开始建设自己的虚拟仿真实验室，虚拟实验教学得到越来越多的老师的重视。
虚拟仿真实验教学在物理、化学、医学等学科上的运用较普遍，它能部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关操作环境。一些物理老师表示，现在学校提供的实验条件
有限，虚拟实验虽然不能更好地体会动手能力，但对学习这些以实验为主的学科，是一个很好的补充，尤其能反复进行实验。比如在“NB电磁学实验”软件中，灯泡烧坏了可以修复继续使用，而在传统实验中学生基本不允许体验灯泡烧坏的场景。在传统实验中，比如单摆实验，做一次，铁球就少几个，缺失了不能及时补充，导致后面的同学根本做不了，这也是为什么很多学校的实验室成为摆设的原因。
篇7：虚拟样机仿真实验
摘 要：虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物[1]。为了研究基于虚拟仿真实验教学系统进行自主学习的过程和效果，文章基于北京邮电大学电子信息虚拟仿真实验教学中心的虚拟仿真实验教学平台，以《集成运算放大器的基本应用―低通滤波器》实验为例，归纳没有模拟电路基础的学习者通过自主学习完成虚拟仿真电路实验的过程，并采用调查问卷的方式收集学习者的学习效果。实验结果表明，虚拟实验可以让学习者获得相关的电路知识，虚拟仿真实验平台可以作为学习者自主学习的工具，并且在自主学习的过程中提高了学习者的学习兴趣和发现问题解决问题的能力，培养了学习者的探索精神。
关键词：自主学习；虚拟仿真实验系统；模拟电路；学习效果
中图分类号：TP393 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）06-0093-04
在现代教育中，实验教学占有越来越重要的地位，为了培养学生的实际动手能力和观察能力，很多课程往往需要学生进行大量的实验，而且许多实验需要多协同操作才能完成。但现实中许多问题在真实环境下实验具有不可见性、危险性或需要昂贵的实验设备，成为制约教学质量提高的重要因素。虚拟仿真实验是解决此问题的有效方案[2]。
虚拟实验教学平台不仅可以解决上述问题，而且对于提高学习者的学习兴趣，激发学习者的学习动机有很大的帮助。在利用虚拟仿真实验平台进行自主学习的过程中，完全是以学习者为中心，学生可以自主调节学习的时间、地点、顺序以及学习的进度，鼓励学生的自主学习、协作学习，有利于学习者的主动建构，符合建构主义的教育观和?W习观，具有较高的理论意义和实践价值[3]。自主学习虚拟实验还有利于培养学习者的探索精神和实践能力。学习者在自主学习虚拟仿真实验的过程中，也提高了遇到问题解决问题的能力，并且确实获得了实验的相关知识。将虚拟仿真实验引入教学有利于推进高等学校实验教学信息化建设和实验教学的改革与发展。
一、研究现状及不足
1.虚拟实验室建设现状
虚拟仿真实验室受到了各国高校的普遍关注，我国教育部从2013年起开展了国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作，截止2015年共评审出300个国家级虚拟仿真实验教学中心。科技部2010年将《虚拟实验教学环境关键技术研究与应用示范》作为“十一五”国家支撑计划重点项目开展研究，清华大学、北京大学、上海交通大学、北京邮电大学、华南理工大学等高校已陆续在网上提供了虚拟实验服务。在国际上有芝加哥伊利诺伊大学的数字化有机化学实验室，卡罗莱纳州立大学利用Java技术建设基于Web的探索式虚拟物理实验室，密歇根大学为操作系统和高级语言课程建设了虚拟网上系统实验室等。
2.国内研究现状及启示
虚拟仿真实验与实验教学的结合方式主要有两种，一种是先实验教学后虚拟实验，这里虚拟实验主要是用于巩固知识，完善知识结构，提高学生的动手实践能力。这也属于先理论后实验的教学方式，李旭锋在《“先实验后理论”化学教学方法探析》[4]中提出“先理论后实验”的教学方法会抑制学生在实验中发现问题的积极性和探索创新的主动性。另一种是先虚拟实验后实验教学，这里虚拟实验主要是来达到预习实验的目的，有利于教学更加顺利地进行，如蔺智挺在《基于虚拟仿真实验的模拟集成电路实验教学》[5]一文中，以模拟集成电路实验教学为例，介绍了安徽大学基于虚拟仿真实验进行实验教学改革的做法和效果，利用虚拟仿真实验中心，缓解了课时的矛盾，较好地达到了预习实验的目的，拓展了实验的内容，对实验教学改革的深化产生了积极而深远的影响。
虚拟仿真实验可以作为学生自主学习的资源，培养学生的自主性、探究性学习能力。如潘雪涛、邬华芝等在《创新虚拟实验教学模式 培养自主学习能力》[6]一文中提出“三三三”教学理论新模式，其中虚拟实验室在课前应用，激发学习者兴趣，进行自主预习；在课中应用，主要用于教学互动，提高效率；在课后应用，用于自主复习，自主训练。多年的实践证明，教学改革成果显著，教学效果明显，学生的自主学习能力和实践创新能力不断提高。赵琪、孙红等在《基础医学虚拟仿真实验教学平台构建研究》[7]中，提出开放式网络化基础医学虚拟仿真实验平台丰富了实验教学内容和手段，逐渐成为学生自主学习、自助学习的重要场所和学习方式，能够突出探究、实践和创新，提高学生自主学习和探究性学习能力。
3.当前研究的不足之处
通过以上文献分析可以看出，广大研究者对开发出的虚拟实验系统在教学中的应用情况不太关注，对虚拟实验系统应用于教学的过程设计与效果分析、虚拟实验系统开发评价等方面的研究不多，尤其是关于学生对虚拟实验系统学习体验的调查和从学生视角对使用虚拟实验系统进行学习的评价很少。实际上，这方面的研究，对于检查所开发平台的有效性、实用性有很重要的意义[8]。
已有研究大多关注利用虚拟实验进行教学改革或者虚拟实验平台建设，目前尚未有研究者进行虚拟实验的自主学习过程以及学习效果验证的研究，而基于没有模拟电路知识基础的学习者的自主学习更能反映出虚拟实验平台对于知识掌握和实践能力提高的效果。因此笔者基于北京邮电大学自主研发的电子信息虚拟仿真实验教学中心，以未学习过《模拟电路》相关课程的学习者为研究对象，对学习者的学习过程、学习积极性、学习效果进行研究。
二、研究方法及过程
1.研究目的
本研究旨在通过对没有模拟电路知识基础的学生进行虚拟仿真实验的自主学习过程和效果的调查研究，来分析通过自主学习虚拟仿真实验，学生是否可以获得相关的电路知识；学生在学习过程中积极性和注意力的集中程度如何，发现问题解决问题的能力是否有所提高，以及实验平台的易用性等问题，通过此次调查，了解虚拟仿真实验是否可以作为学生自主学习的工具。
2.研究对象
本次调查问卷以40名研究生为例。在样本的选取上，本次调查对象为没有学过《模拟电路》相关课程、没有做过任何一个模拟电路实验的学习者，这样更能体现出自主学习虚拟仿真实验的效果；本研究所用的实验平台是由北京润尼尔网络科技有限公司研发、北京邮电大学电子信息虚拟仿真实验教学中心运营的。实验课程类属《模拟电路》，实验名称：《集成运算放大器的基本应用―低通滤波器》，学习方式：自主学习。
3.研究工具
本次研究采用的工具为一份问卷调查表，在填写完问卷之后采用访谈的方法来获取被试者的主观感受。
（1）问卷调查
本问卷的题目包括三个部分：第一个部分是第1题，是关于研究对象的个人信息，是否做过任何一个模拟电路的实验。若做过，则被视为无效问卷；第二个部分是2～6题，从做实验的积极性和注意力的集中性（问题2～3），遇到问题的解决办法（问题4～6）三个方面来了解学生做实验的过程。第三部分是7～9题，分别从实验的原理（问题7）、器材的种类（问题8）、器材的作用（问题9）、学习虚拟实验的基本步骤（问题10）、虚拟实验对学习的帮助程度（问题11）四个方面来调查学习效果以及虚拟实验对自主学习的有用性。
实验在2017年6月份进行，每个学生自主学习虚拟仿真实验的时间不限制，可以使用互联网进行信息的查询，学习过程没有硬性要求，学习顺序自主安排。调查问卷安排在做完实验之后，其中问卷的第10题是关于学习者对学习虚拟仿真实验的步骤排序。将学习虚拟仿真实验的过程进行精简和编码：①进入虚拟实验界面，浏览实验内容；②打开各个仪器的开关；③根据网络实物图连接完整的电路图；④寻求场外人员帮助；⑤调节各个仪器的量程；⑥根据实验原理图连接实物图的基本部分。分析学习者的排序，得出学习过程的活动图如图1所示。
进入虚拟实验界面，浏览实验目的、实验器材、实验原理、实验报告以及实验操作平台。通过实验原理可得知：滤波电路的基本功能是滤除（抑制）某一频率段的输入信号。低通滤波器抑制的是高频段的信号，通过低频段的信号，当信号和噪声在不同的频带时，可以实现信号分离，滤除噪声。
通过参照实验原理图和百度的完整实物图在虚拟实验台上进行电路连接。在实验过程中遇到不认识的器材，通过双击实验器材来获得器材的属性以及帮助信息，遇到不太懂的地方则通过网络搜索或者寻求他人的帮助，原理图中的三角形器件为运算放大器，有八个引脚，有放大信号的功能；信号发生器发出信号，通过泰克示波器来展示波形。
当完成电路的物理连接后，打开和调节各个仪器设备。但是波形并没有显示出来，然后通过检查自己的电路图是否连接正确来进行排错处理，查完之后还没有出现波形，请其他人员帮助，通过调节泰克示波器的量程来显示出波形，实验成功。实验台如图2所示。
在整个实验进行的过程中发现，认知虚拟实验平台只需要三分钟左右，实验平台简单易用，查询信息方式很多，有获取实验帮助、获取智能指导、获取器材信息等等，实验过程中，学生一直都保持很高的积极性，注意力很集中，遇到问题时，能够积极主动的寻找问题的来源，主动寻求帮助，提高了发现问题和解决问题的能力。
（2）访谈
填写完问卷，笔者对于调查对象关于做虚拟实验的主观感受以及填写问卷的认真程度进行访谈。经访谈发现，学习者表示不用去实验室就能把实验做出来，很方便快捷，学习者在学习过程中充满了好奇心，尤其是当波形调出来之后，觉得很神奇，自主学习的结果能够实时的被观察到，能够激励学习者进一步学习，并且所有的被试者都认真完成实验和问卷，没有无效问卷。
4.资料处理与分析
本研究共回收实验问卷40份，其中第一题的选项均为B，即在本次实验之前没有做过虚拟实验，因此问卷全部为有效问卷。
问卷首先调查了学习者在进行实验时的注意力保持情况，和学习者在使用虚拟实验平台时的态度，笔者将注意力的五级进行编码，在SPSS（“统计产品与服务解决方案”软件，用于统计分析）中将选项依次赋值，A为4分，B为3分，C为2分，D为1分，E为0分，统计结果显示，被试学习者的注意力平均水平为2.9分，说明虚拟实验教学系统可以使学习者的注意力保持在中等偏上水平。
相关研究表明，根据认知负荷理论，当使用虚拟实验室进行虚拟实验时，学习者往往需要先掌握相关的知识与技能，比如了解虚拟实验系统的操作规范和技术流程等，虽然这些知识和技能可能跟当前学习任务没有必然联系，但其实无形中增加了学习者的认知负荷[9]。本组下的另一个研究主题是关于学习者的学习积极性，通过图3可以看出，被试对象的积极性保持在较高水平，所有的学习者都选择了“积极”或“非常积极”。本主题的研究结果表明，与传统实验教学方式相比，学习者的认知负荷反而降低了。
虚拟实验过程中，学生可以随时登录网站进行各种实验，操作实验设备，不受时间和空间的限制；学生在实验中自主发现并解决问题，有利于培养在实际操作中分析和解决问题的能力，可以有效提高学生的动手能力[10]。本部分问卷题目设置的目的是探索学习者在自主学习、实验过程中解决问题的途径选择。
由图
4、图5可以看出，当学习者在自主学习过程中遇到问题时，最常用的办法是查看实验平台中的实验帮助。此结果说明，在未来的虚拟实验平台或者其他在线学习的平台建设过程中，需要提供尽可能详细、准确的平台帮助或说明。询问他人，说明自主学习的过程常常与学习者的社会网络相关。
本??卷的7至9题分别从实验的原理（问题7）、器材的种类（问题8）、器材的作用（问题9）检验了虚拟实验平台的教学效果，其中问题7、8的正答率为100%，问题9正答率为97.5%，只有一位同学答错，说明没有模拟电路基础的学习者经过虚拟实验平台的操作和学习，可以对模拟电路的基础知识达到很好的掌握程度，验证了虚拟实验教学平台的实际教学效果。
图6显示了被调查者在试验后对于虚拟实验平台的主观评价，如图6可知90%的学习者认为虚拟实验平台对于掌握低通滤波器的知识和技能有帮助，验证了笔者在上文中提出的假设，实验证明，虚拟仿真实验确实可以作为学生自主学习的工具。
三、研究结论
虚拟仿真实验能够提高学习者的兴趣，可以作为自主学习的工具。在完成虚拟仿真实验的过程中，学习者被深深吸引，能够保持极高的注意力，学习效率极高。学习者在自主学习虚拟实验的过程中能够主动的发现问题并解决问题，提高了学习者的动手实践能力。没有模拟电路基础的学习者通过虚拟实验可以获得相关的电路知识，学习效果良好。虚拟实验室降低了实验教学的成本，解决了传统实验室受时间、地点限制的问题，虚拟实验简单方便，虚拟仪器具有灵敏性与高效性。开展虚拟仿真实验教学可以延伸实验教学时间和空间，提升实验教学质量和水平。在今后的教学实践中，我们要发挥虚拟实验的优势，使之能够与传统的实验教学密切融合。课堂教学、虚拟实验和实验室教学深度融合是现代实验教学的发展模式，能够培养学生的自主学习能力、动手实践能力以及发现问题和解决问题的能力。
参考文献：
篇8：虚拟样机仿真实验
目前, 数字化虚拟样机技术广泛应用于航天、汽车、造船等各个方面, 虚拟仿真技术在汽车操纵稳定性仿真方面有着极为广泛的应用。在软件中建立进行必要简化后的汽车模型, 并输入驾驶员操纵信息, 使仿真物理样车按照设计好的实验方式进行计算分析, 并对需要优化的数据进行修改。这种设计方式与传统基于样车实验的设计方式相比, 能缩短开发周期并节约开发成本。目前对于EPS的控制策略研究较多[1,2,3,4]。但对不同的助力转向特性参数对于汽车的转向轻便性能的影响研究较少。
本研究利用多体动力学仿真软件ADAMS的汽车模块建立汽车的整车模型 (包括各子系统的模型) , 针对不同助力转向特性参数对汽车轻便性的影响进行对比分析, 并得出相关结论。
1汽车动力学模型
利用ADAMS/Car模块建立汽车动力学模型[5]。建立汽车模型的技术参数, 如表1所示。通过简化后, 可以将整车系统划分为以下几个系统:前/后悬架系统、车身、转向系统、动力总成悬置系统 (包括副车架) 、轮胎-路面系统。车身简化为具有集中质量和转动惯量的球体。车辆为前桥驱动, 前悬架采用麦弗逊悬架。后桥半刚性后轴-纵臂式悬架。在ADAMS软件中, 提供了4种轮胎模型:Fiala模型、UA模型、Smithers模型及DELET模型, 本研究中采用Fiala轮胎模型。整车结构, 如表1所示。
在该整车虚拟模型中包括车身、动力总成系统、前/后悬架系统、转向系统等, 其中共有20个刚体构件、2个圆柱副、6个旋转副、6个球副、1个滑动副、5个固定副、1个耦合副, 共计50个自由度。总的模型组成, 如图1所示。
将该模型经过双扭线试验仿真[6,7,8,9,10,11], 将仿真结果与实车实验数据对比, 相关数据基本一致, 则表明所建立模型是正确的, 可以依照此模型进行仿真分析。
2助力特性对汽车转向轻便性的仿真分析
对于轻便性的操纵稳定性实验, 国家标准规定:使汽车以10±2 km/h的车速沿双扭线路径行驶, 待车速稳定后, 开始记录转向盘转角和作用力矩, 并记录行驶车速作为监督参数。汽车沿双扭线绕行一周至记录起始位置, 即完成一次试验。
2.1折线型助力特性曲线对汽车转向轻便性能的影响
折线型助力特性是指在助力区域范围内, 方向盘力矩和助力力矩成分段线性关系 (如图2所示) , 其方程表示为:
式中 Td1—助力梯度由K1 (v) 变化到K2 (v) 时的方向盘力矩。
由于拐点坐标直接影响到折线型助力特性, 下面讨论不同拐点坐标对汽车转向轻便性的影响。
本研究引入均匀设计的实验方法来讨论折点位置的选择范围对转向轻便性能的影响, 选取折点的横、纵坐标 (如表2所示) 作为两个因素, 根据项目设定的转向盘力矩范围和助力力矩范围选取折点坐标范围, 已经用实验台 (如图3所示) 测试的方式表明在该范围内助力效果相对较好, 选择该范围也起到缩减讨论区间的作用。所取的范围为:转向盘输入力矩为1 N·m～3 N·m, 助力力矩为0.5 N·m～3.0 N·m。
由均匀设计表查得选择的点, 如表3所示。
按照所选定的折线型助力特性折点坐标, 分别按照标准实验方法进行双扭线行驶仿真试验, 根据仿真数据应用规定方法绘制曲线, 得到仿真曲线, 如图4、图5所示。
2.2轻便性操纵稳定性评价及回归分析
综上所述, 可得结论:
(1) 对于汽车电动助力转向折线型助力特性来说, 不同的折点对其操纵稳定性有着重要影响, 引入操纵稳定性评分系统对折点的位置的选择有着重要意义。
(2) 应用本研究所引入的均匀设计的实验方法进行实验, 并对实验结果应用回归分析的方法进行研究, 可以对折线型助力特性的折点较优位置进行很好的预测和选择。
根据所得到的仿真数据, 应用操纵稳定性评价系统对折线型助力特性进行双扭线评价计算, 结果, 如表4、表5所示。
根据评价计算方程进行综合评价计分, 如表6所示。
根据表6可以看出, 所选择的几个点所计算的值变化范围并不很大, 由于增加了助力作用, 转向轻便性效果有所改善, 由于选择了均匀设计的方法进行实验设计, 接下来采用回归分析的方法对结果进行分析, 如表7所示。
根据所得到的数据进行多元线性回归, 用SAS软件做回归分析, 得到回归方程为:y=94.561 01-2.532 74x1+3.297 62x2, 该回归模型的P=0.015 4, 显著说明回归是有效的。自变量的显著性概率P值分别为:x1为0.049 8, x2为0.013 9, 都小于0.05, 说明自变量是显著有效的, 该回归方程可以认为是最佳方程。根据此方程, 为使得分较高, 则在所选定的范围内应该取点 (1.5, 3.0) 作为比较优化的折点。
综上所述, 可得结论:
(1) 对于汽车电动助力转向折线型助力特性来说, 不同的折点对其操纵稳定性有着重要影响, 引入操纵稳定性评分系统对折点的位置的选择有着重要意义
(2) 应用本研究所引入的均匀设计的实验方法进行实验, 并对实验结果应用回归分析的方法进行研究, 可以对折线型助力特性的折点较优位置进行很好的预测和选择
3结束语
本研究在虚拟样机的基础上建立了某轿车模型, 并根据国家标准实验仿真, 对汽车电动助力转向的折线型助力特性的折点位置的选择进行了研究, 引入了操纵稳定性评价体系和回归分析的方法建立了折点位置与操纵稳定性得分的评价方程。本研究应用的研究方法和所得到的结论对分析助力特性有一定的帮助, 对选择参数有一定的指导意义。通过虚拟样机技术, 有效地减少了物理样机的实验, 能够对新产品的设计开发起到指导作用。
参考文献
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[2]林逸, 施国标, 邹常丰, 等.电动助力转向系统转向性能的客观评价[J].农业机械学报, 2003, 34 (4) :4-7.
[3]郁明, 王启瑞, 邹常丰, 等.计算机控制的汽车电动助力转向系统[J].电子技术, 2003 (9) :8-11.
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[6]《汽车工程手册》编辑委员会.汽车工程手册:试验篇[M].北京:人民交通出版社, 2001.
[7]郭孔辉.汽车操纵稳定性[M].长春:吉林人民出版社, 1983.
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[10]SHIMIZU Y, KAWAI T.Development of Electric PowerSteering[C].USA:SAE Paper, 1991.
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