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目录 1

第1章　绪论 1

1.1　引言 1

1.1.1　市场变化是直接的推动力 1

1.1.2　制造技术自身发展的必然结果 3

1.1.3　支撑技术的发展 6

1.2　虚拟制造技术国内外研究概况 7

1.2.1 国外研究概况 7

1.2.2　国内研究概况 12

1.3　虚拟制造的定义及分类 13

1.3.1　虚拟制造的定义 13

1.3.2　虚拟制造的分类 16

1.4　虚拟制造技术的内涵 21

1.4.1　虚拟制造的特点 21

1.4.2　虚拟制造及其相关概念 23

4.1 引言 1 28

1.4.3　虚拟制造的关键技术 28

1.5　虚拟制造技术在制造业中的应用 33

参考文献 35

第2章　虚拟产品建模基础 38

2.1　虚拟产品建模特点 38

2.1.1 概述 38

2.1.2　虚拟制造模型分类 38

2.1.3　虚拟制造对模型的要求 39

2.1.4　模型的层次关系 41

2.2　计算机图形学基础 43

2.2.1　坐标系统 43

2.2.2　基本几何元素及其方向的定义 44

2.2.3　几何元素的相交计算 46

2.2.4　三维图形的几何变换 47

2.2.5　包容性测试 49

2.3　实体几何建模方法 51

2.3.1　构造实体几何模型 52

2.3.2　边界表示模型 53

2.4.1 概述 54

2.4　产品建模 54

2.4.2 面向结构的产品模型 55

2.4.3　面向几何的产品模型 55

2.4.4　面向特征的产品模型 56

2.4.5　面向知识的产品模型 57

2.4.6　集成化产品模型 58

参考文献 60

第3章　虚拟产品元建模方法学 61

3.1　元建模方法学概述 61

3.1.1　模型与元模型 61

3.1.2　基于MDU的元建模 65

3.1.3　基于MDU的元模型类型系统 67

3.2　MDU形式化描述 68

3.2.1　MDU的级别 70

3.2.2　MDU的功能描述 72

3.2.3　MDU的行为描述 73

3.3.1 参数约束 75

3.3　MDU复合的约束 75

3.3.2　拓扑约束 82

3.3.3　三种类型的MDU复合 83

3.4　MDU的组装和重组 85

3.4.1 MDU的联接方式 86

3.4.2　MDU的组装 87

3.4.3　组装MDU的行为推理 88

3.4.4　基于MDU的元建模系统总体框架 92

3.5　基于元建模技术的产品模型 94

3.5.1 产品对象模板POT 95

3.5.2 产品定义单元PDU 96

3.6　产品模型总框架 100

3.6.1　产品语义模型 101

3.6.2　产品语义模型与实体模型的关系 102

3.6.3　产品设计模型衍生到分析模型 103

3.7　小结 104

附录3.1　MDU库 105

附录3.2　联接方式 117

附录3.3　拓扑推理规则 124

参考文献 126

第4章　虚拟制造系统 128

4.2.1 虚拟制造系统作为沟通信息技术与制造系统的桥梁 129

4.2　虚拟制造系统目标 129

4.2.2　虚拟制造系统作为集成制造系统资源的手段 130

4.3　虚拟制造系统特点 131

4.3.1　虚拟制造系统的功能特点 131

4.3.2　虚拟制造系统的结构特点 134

4.3.3　虚拟制造系统的仿真特点 135

4.4　典型虚拟制造系统结构 137

4.4.1　基于VIS和VPS体系结构 137

4.4.2　基于Mediator的体系结构 139

4.4.3 基于INTERNET/STEP的虚拟制造信息共享系统结构 142

4.4.4　强调沉浸感的Virtual Workbench系统 147

4.4.5　基于PDM集成的虚拟制造系统结构 149

4.4.6　基于5层协议的虚拟制造体系结构 152

4.5　虚拟制造系统建模 153

4.5.1 CIMOSA 153

4.5.2　Multi Agent方法 158

4.5.3　Petri网建模方法 165

4.6　结论 176

附录4.1　CIMOSA建模模板结构 176

参考文献 179

第5章 系统仿真建模技术 180

5.1　概述 180

5.2　集中参数连续系统建模与仿真 182

5.2.1　连续时间模型 182

5.2.2　离散时间模型 184

5.2.3　连续—离散混合模型 186

5.3　集中参数连续系统仿真建模方法学 188

5.3.1　离散化原理及要求 188

5.3.2　龙格—库塔法 190

5.3.3　线性多步法 192

5.3.4　线性多步法误差分析 196

5.3.5　稳定性分析 198

5.4　分布参数连续系统建模与仿真 199

5.4.1　概述 199

5.4.2　差分法原理 200

5.4.3　差分格式的相容性、收敛性及稳定性 203

5.4.4　扩散方程的菱形法及跳点法 207

5.4.5　对流方程的耗散中心差公式 209

5.4.6　椭圆方程的差分法 211

5.4.7　线上求解法 213

5.5　离散事件系统建模 216

5.5.1　基本概念 216

5.5.2　事件调度法 218

5.5.3　活动扫描法 220

5.5.4　进程交互法 222

5.5.5　三阶段法 224

5.5.6　4种建模方法的比较 227

5.6　小结 230

参考文献 230

6.1　虚拟现实的特征及基本构成 231

第6章　虚拟现实技术 231

6.2　虚拟现实技术的发展概况 235

6.3　位置跟踪通道 238

6.4　视觉通道 241

6.4.1　视景的生成过程 241

6.4.2 基于投影变换原理三维立体图的生成算法 242

6.4.3　典型的立体视觉设备 245

6.5　听觉通道 246

6.5.1　虚拟声音的产生 247

6.5.2　虚拟声音的定位 249

6.6　触觉、力反馈 250

6.6.1　人体触觉系统 251

6.6.2　触觉／力反馈技术 252

6.7　虚拟场景的生成 257

6.7.1　虚拟场景静态模型的建立 257

6.7.2　虚拟场景动态模型的建立 259

6.8　小结 261

参考文献 262

第7章　虚拟产品开发管理 263

7.1　概述 263

7.1.1　虚拟产品开发管理内涵 263

7.1.2　虚拟产品开发管理关键技术 264

7.2　虚拟产品开发组织及安全权限管理 265

7.2.1　组织模型管理 266

7.2.2　安全权限管理 269

7.2.3　组织及权限管理体系的建立 271

7.2.4 工作过程描述 272

7.3　虚拟产品开发数据管理 273

7.3.1　响应动态用户需求的管理策略 274

7.3.2　动态修改数据的管理策略 276

7.3.3　产品数据的版本管理策略 277

7.3.4　应用工具封装的管理策略 278

7.3.5　虚拟产品开发数据管理小结 280

7.4　虚拟产品开发配置管理 280

7.4.1 响应动态需求的配置策略 282

7.4.2　配置中的BOM管理策略 284

7.4.3　针对定制要求的配置策略 285

7.4.4　面向虚拟产品开发的配置策略 286

7.4.5　虚拟产品开发配置管理小结 287

7.5　虚拟产品开发流程管理 288

7.5.1　虚拟化的流程管理策略 290

7.5.2 虚拟化的项目管理策略 291

7.5.3　与先进思想结合的策略 293

7.5.4　开发流程管理小结 294

7.6　虚拟产品开发管理的实施与应用 294

7.6.1　数据管理实施与应片 295

7.6.2　配置管理的实施与应用 296

7.6.3　流程管理的实施和应用 297

7.6.4　集成方面的实施和应用 298

7.6.5　管理平台的实施 299

7.6.6　常用软件介绍 302

7.6.7　虚拟产品开发管理实施和应用小结 303

7.7　小结 304

参考文献 304

第8章　虚拟样机多体系统仿真分析 306

8.1　多体系统运动学、动力学基本知识 307

8.1.1　多体系统描述模型 307

8.1.2　拓扑构型 309

8.2　多刚体系统运动学 312

8.2.1　刚体的姿态、角速度和角加速度 313

8.2.2　刚体质心的位置、速度和加速度 314

8.3　多刚体系统动力学 318

8.3.1 力元 318

8.3.2　有根树系统的动力学方程 321

8.3.3　无根树系统的动力学方程 322

8.3.4　非树系统动力学 323

8.4　多体系统仿真分析 324

8.4.1　多体系统仿真分析流程 324

8.4.2　ADAMS软件简介 324

8.5　基于ADAMS的仿真分析流程 330

8.5.1　模型建立 331

8.5.2　模型检验 333

8.5.3　仿真分析 334

8.6　基于ADAMS的多体系统仿真分析举例 334

8.6.1　运动学分析 335

8.6.2　动力学分析 338

8.6.3　结论 340

参考文献 341

第9章　虚拟样机流场分析 342

9.1　计算流体力学概述 342

9.2　流体运动概述 344

9.2.1　流体的物理性质 345

9.2.2　流体问题分类 348

9.3　流动的一般方程 349

9.4　湍流流动模型 352

9.4.1　湍流黏性系数模型 352

9.4.2　雷诺应力方程模型 356

9.5.1　求解区域的网格化 358

9.5　方程的离散化 358

9.5.2　差分方程的建立 359

9.5.3　交错网格 362

9.5.4　源项的处理 363

9.6　差分方程的求解 365

9.6.1　压力和速度的校正方程 366

9.6.2　SIMPLER算法 368

9.6.3　代数方程的求解方法（TDMA法） 368

9.6.4　欠松弛法 371

9.6.5　壁面函数 371

9.7　CFD商业软件介绍 373

9.8　应用实例 375

9.8.1　数学模型 376

9.8.2　边界条件 378

9.8.3　验证 382

参考文献 382

第10章　虚拟加工技术 384

10.1　引言 384

10.2　虚拟加工技术概述 385

10.2.1　加工过程仿真软件描述 386

10.2.2　虚拟加工技术 389

10.3　三种图形仿真检验方法 390

10.4　数控代码的翻译方法 392

10.4.1　数控代码简介 392

10.4.2　程序结构和格式 396

10.4.3　数控代码翻译 397

10.5　实体提取方法的研究 401

10.5.1　从IGES文件获取几何实体边界模型 401

10.5.2　从STL文件获取几何实体边界模型 411

10.6　实体碰撞和干涉检验算法 414

10.6.1　形体求交算法 414

10.6.2　基于八叉树层次球模型的干涉检验算法 418

10.7　材料切除过程仿真算法 424

10.7.1　基于Z-map结构的材料切除方法 425

10.7.2　基于Dexel模型的快速材料切除算法 428

10.8　一个典型的虚拟加工系统 431

参考文献 437

11.1　概述 440

第11章　虚拟装配技术 440

11.2　虚拟装配技术的内涵 444

11.3　基于广义设计过程的同步DFA方法 447

11.3.1　DFA方法 447

11.3.2　广义设计中的同步DFA方法 450

11.4　装配信息建模 456

11.4.1　装配建模的基本策略 456

11.4.2　装配模型的信息组成 458

11.5　装配资源建模 459

11.4.3　装配模型的基本结构 460

11.4.4　装配模型的实现 462

11.5.1　装配资源概述 469

11.5.2　装配资源的几何实体建模 471

11.5.3　装配资源的工程语义建模 473

11.5.4　装配资源的配合约束建模 475

11.5.5　装配资源的行为建模 476

11.6　装配工艺规划与仿真 478

11.6.1　基本概念与假设 478

11.6.2　装／拆运动仿真实现的基本原理 480

11.6.3　装／拆运动的11元组统一表示及变换 481

11.6.4　装／拆运动路径的有效性检查 485

11.6.5　基于仿真试拆卸的可行装配工艺规划的实现 486

11.7　装配工艺规划后处理 488

11.7.1　总体结构与基本流程 489

11.7.2　装配工艺文件模板个性化设计 490

11.7.3　装配工艺信息处理 491

11.7.4　装配工艺示图自动生成 492

11.8　虚拟装配支持系统的实现与应用实例 494

11.8.1　系统总体结构 494

11.8.2　系统基本功能 495

11.8.3　系统应用实例 496

参考文献 501

第12章　虚拟车间技术 504

12.1　引言 504

12.1.1　虚拟车间定义 505

12.12　虚拟车间的内涵 506

12.2　仿真分析工具 507

12.3.1 虚拟车间的布局设计与优化约束原则 512

12.3　虚拟车间的布局设计与优化 512

12.3.2　虚拟车间的布局设计类型 513

12.3.3　大规模定制虚拟生产线的布置决策 516

12.3.4　虚拟车间的重组布置 520

12.3.5　新设备的布置问题 523

12.4　虚拟车间作业调度与优化 523

12.4.1 虚拟车间作业问题的分类及特点 524

12.4.2　虚拟车间调度与控制的原则 525

12.4.3　虚拟车间生产系统建模技术 527

12.4.4　虚拟车间作业调度优化算法 531

12.5　虚拟车间系统控制及多机器人协调合作 536

12.5.1　虚拟车间控制系统的构建 537

12.5.2　多机器人协调控制策略——计划合并策略 538

12.5.3　计划合并策略的执行 540

12.5.4　意外事故的处理 541

12.6　虚拟车间中的信息集成与再利用 541

12.6.1　XML技术 542

12.6.2　XML的合法性验证 544

12.6.3　可扩展样式语言（XSL） 545

12.6.4　应用程序接口 547

12.7　虚拟车间实践与应用 549

12.7.1　基于Petri网生产系统分析 549

12.7.2　基于仿真的轿车生产线的规划与分析 552

12.8　小结 556

参考文献 557

13.1　概论 562

第13章　基于网络的虚拟产品协同开发 562

13.2　产品协同开发的基本概念 566

13.2.1　协商模式、异步模式和同步模式 567

13.2.2　数据交换与信息集成 570

13.2.3　智能Agent技术 572

13.3　协同开发中的协同环境 573

13.4　软件共享技术 575

13.4.1　基于桌面共享的软件共享技术 575

13.4.2　基于远程登录的软件共享技术 576

13.4.3　基于远程调用的软件共享技术 578

13.4.4　基于CORBA封装的软件共享技术 579

13.4.5　各种实现方式的比较和选择 581

13.5.1　系统功能模型 582

13.5　基于网络的软件共享系统 582

13.5.2　同步工作模式 583

13.5.3　异步工作模式 584

13.5.4　Agent模型 585

13.5.5　系统信息模型 590

13.5.6　系统实现 592

13.6　资源共享管理 594

13.6.1　资源共享管理的特点 595

13.6.2　MSRS体系结构 596

13.6.3　MSRS的Agent功能 597

13.6.4　资源共享中的分层调度算法 602

13.7.1 Agent的设计 606

13.7　资源共享管理系统 606

13.7.2　控制Agent 607

13.7.3　资源Agent 608

13.7.4　MSRS资源管理的实现 609

13.8　小结 610

参考文献 611

第14章　虚拟产品开发示例 614

14.1　序言 614

14.2　剑杆织机简介 617

14.3　共轭凸轮设计机理及轮廓线逆向设计 620

14.3.1　概述 620

14.3.2　测量方案 622

14.3.3　凸轮廓线测量数据的误差处理 623

14.3.4　曲线拟合 627

14.4　引纬打纬系统机理分析与设计 631

14.4.1　虚拟设计环境 632

14.4.2　剑杆织机运动学、动力学建模 633

14.4.3　剑杆织机运动学、动力学分析结果 634

14.5　关键部件性能分析与设计 638

14.5.1　剑杆织机打纬滚轮座的有限元分析 638

14.5.2　剑杆织机筘座支座的有限元分析 641

14.6　虚拟装配 643

14.6.1　装配公差分析 643

14.6.2　装配工艺文件生成 646

14.7.1　概述 653

14.7　加工过程仿真 653

14.7.2　凸轮轴加工方法 654

14.7.3　刀位生成及走刀轨迹 656

14.8　基于PDM的数字样机产品信息管理 656

14.8.1　产品数据组织策略 657

14.8.2　基于PDM的应用集成 658

14.9　结论 663

参考文献 665

第15章　虚拟产品开发系统建立示例 666

15.1　概述 666

15.2　需求分析与功能定义 668

15.2.1　需求分析 668

15.2.2　功能定义 671

15.2.3　系统总体结构 674

15.3　方案设计分系统设计 676

15.4　总体结构设计分系统设计 678

15.5　关键零部件设计分系统 681

15.5.1　发动机设计子系统 681

15.5.2　电器设计子系统 685

15.6　整车分析分系统 687

15.6.1　先行设计分析子系统 687

15.6.2　整车数字样机性能分析子系统 688

15.6.3　摩托车的试验分析与管理子系统 689

15.6.4　工装设计与制造分系统 690

15.7.1　PDM分系统体系结构 691

15.7　PDM分系统 691

15.7.2　电子资料室和文档管理 692

15.7.3　产品配置管理 694

15.7.4　工作流程管理 696

15.7.5　明细汇总、报告定制功能模块 698

15.7.6　PDM分系统的信息集成 698

1 5.8　接口设计 699

15.8.1　用户接口 700

15.8.2　内部接口 701

15.8.3　系统外部接口 708

15.9　结束语 710

参考文献 711

英文缩写词 712