拟装配系统可在产品生产以前在虚拟环境中模拟实际的装配过程，评价零部件的可装配性;预先检验装配结果，展示产品的结构和功能;分析产品相关性能，并利用这些结果指导实际设计开发过程，从而大大节约开发成本，缩短开发周期［1］。车辆传动系统是车辆的重要组成部分，可实现和满足变速、转向及制动等多种形式需求。传动装置对车辆的机动性能起着举足轻重的作用，它结构复杂，性能优越，综合技术含量高。传动系统作为实现车辆整体系统功能的关键部件之一，其结构设计的合理性和装配的可行性是实现自身功能的前提，而这都与装配设计环节密不可分，采用虚拟装配技术可在设计阶段更好的考察这两方面的设计，有着很高的实用价值［2］。虚拟现实VR)技术为产品开发提供了更高级的人机交互手段，基于VR的虚拟装配规划将VR技术提供的沉浸感、交互性等能力用于装配工艺规划，可以更充分地利用人的装配经验、发挥人的创造性。目前国内外对传动系统虚拟装配研究重点侧重于对虚拟装配的工艺进行研究，或集中于对某项的关键技术研究，研究主要集中于对虚拟装配软件的应用，未建立实际的虚拟装配系统。本文在分析讨论了车辆传动虚拟装配系统的功能需求的基础上，根据集成化的要求和传动系统的特点，建立了虚拟装配系统的体系结构;研究了装配系统的组成构建及其关键技术，并在虚拟环境中对传动系统进行了装配操作。

1系统体系结构

本虚拟装配系统是面向车辆传动系统虚拟装配而设计的，它主要包括传动系统虚拟装配功能、传动系统功能虚拟展示和强沉浸感等功能。为实现功能要求，建立了车辆传动系统虚拟装配系统的体系结构，如图1所示。在系统体系结构中，根据功能需求和分析，选取了性能优秀、技术先进的硬件，搭建了集成化的两通道视景仿真平台。系统视景仿真平台如图2所示。各模块功能分述如下:1)建模与数据转换模块车辆传动系统的零部件模型和装配体都在Pro/E建模环境中建立，通过数据接口将模型转换到虚拟环境中。2)装配信息管理模块装配信息管理模块具备从参数化模型中提取信息的功能，同时结合模型信息库实现信息的存储、组织和查询等功能。利用Pro/E二次开发包进行程序开发，采用异步开发模式，具有打开(关闭)Pro/E软件、提取信息、重置信息库等功能。利用SQLServer关系数据库建立模型信息库，将提取的信息存入信息库中并对信息进行管理，同时提供模型的层次组织和检索功能。3)装配顺序与路径规划模块对传动系统中典型部件进行装配顺序规划，利用图论割集法推理出初始可行的装配顺序。基于图论割集进行初始可行装配顺序获取时，改进原有的算法过程，将子装配体识别提前到算法计算前进行，能有效地减少算法计算时间，提高规划效率。再通过虚拟环境下交互式的装配规划、仿真及评价，从而得到更优化的装配顺序。采用人机交互的方式对零部件进行装配，这一过程中零部件的移动轨迹可由网格路径求解器生成，并用曲线渲染器进行渲染，在路径在生成时进行了避障处理，是一条可行的装配路径。4)运行状态干涉检查模块该模块实现运行状态干涉检查的一种方法，该方法为虚拟环境下实现变形提供了思路。传动系统工况比较复杂，选择极限工况下发生最大变形时刻进行分析，从而初步解决运行状态干涉问题。

2.可装配性评价模块该模块从单因素模糊评价方法和多因素模糊评价方法两个角度对传动系统结构可装配性和虚拟装配顺序可装配性进行了评价，该方法能够解决这两方面的评价问题，并能给出设计改进意见。3VASVT关键技术分析VASVT系统的关键技术主要包括虚拟装配模型信息表达、虚拟装配顺序规划、运行状态干涉检查、实时碰撞检测等关键技术，各关键技术分述如下。

3.1虚拟装配模型信息技术虚拟现实系统的模型显示都为面片模型，而在CAD系统中设计的产品装配模型一般为特征模型。虚拟环境中模型的表达方法与传统CAD系统中模型的存储和表示方法不同。为了解决虚拟装配模型信息问题，本文中采用模型信息库与虚拟装配特征重构相结合的虚拟装配模型建立方法。通过将零部件信息有机的整合在模型信息库中，建立了虚拟装配特征信息与模型信息库的对应关系，实现了装配特征在虚拟环境下的重构，从而得到了信息完备、集成度高的虚拟装配模型。在VASVT系统中，将车辆传动系统分为5层结构，即装配体、子装配体、零件、面和面片，如图4所示。其目的在于建立CAD系统模型与面片模型之间关系，便于信息的划分和提取，保证模型映射的信息完整性，然后利用关系模型理论建立模型信息库的关系模式，共同确定传动系统各层次结构之间的关系。

3.2虚拟装配顺序规划技术VASVT系统采用了图论割集法和人机交互式装配规划方法共同来完成典型部件的装配顺序规划，基于图论割集法的规划算法直接计算出初始可行的装配顺序，对装配过程和操作提供依据，发挥算法的计算优势。然后结合虚拟装配环境，通过人机交互式的虚拟装配和拆卸，利用初始装配顺序进行预装配，借助设计人员的经验与知识，合理优化和评价装配顺序，从而得到最佳装配顺序。割集法如在划分割集之后再进行子装配体可行性判断，虽然能保证分割的正确性，但零部件个数的增多不可避免地会出现计算效率和组合爆炸问题［3］。因此，系统采用子装配体预先识别策略，将对子装配体的识别和可行性判断过程前移，在算法开始前对产品进行此操作，可以有效地提高算法分析效率，减少组合爆炸问题的出现，降低了直接采用交互式顺序规划带来的盲目性和不确定性。在可视化的虚拟环境下，设计者可运用数据手套、立体眼镜和位置跟踪器等相关外设，充分运用设计者的经验和知识，沉浸式的对传动系统的零部件模型进行操作，确定装配操作的难易度和可行性，分析和验证初步确定的装配顺序的正确性、合理性和实用性，同时可考察零部件装配位置的可达性、操作实施的空间局限性等。

3.3实时碰撞检测技术碰撞检测是虚拟装配系统的基本功能之一，它可用于验证装配操作的可行性、装配路径的合理性等［4］。为了检测零件运动过程中任意时刻与场景中的碰撞情况，虚拟装配系统需要能实时进行碰撞检测，因此如何提高复杂场景中碰撞检测算法效率成为研究的关键。VASVT采用基于面片模型的碰撞检测，为了提高效率实现实时碰撞检测，采用如下解决方案。对于没有装配约束存在的零部件之间只进行简单快速的包围盒碰撞检测，而对于发生装配约束的零部件之间，获取参与装配约束的几何要素，并利用几何要素进行碰撞检测，其中包括几何面与包围盒间的碰撞检测和不同零部件上的几何面之间的碰撞检测。这种混合碰撞检测方法，能有效地提高碰撞检测效率，从而满足虚拟装配环境的碰撞检测的实时性和真实性。1)包围盒层的碰撞检测车辆传动系统中没有装配约束关系且空间距离较大的零部件不在少数，因此，对这些零部件之间进行简单包围盒的碰撞检测，能有效地减少后续更精确地碰撞检测的零件对的数目［5］。2)几何要素与包围盒间的碰撞检测在装配过程中，对于包围盒间发生碰撞的装配零件还需要进一步进行判断。综合考虑时间成本和精确性，进行几何要素与包围盒间的碰撞检测，这一步属于中间步骤的检测，用来剔除掉由于粗略包围盒发生碰撞而又未发生接触的零件。3)几何要素间的碰撞检测更精细的碰撞检测是在待装配零件运动到目标位置附近，这一阶段需要重点对具有约束关系的几何要素间进行碰撞检测［6］。

3.4运行状态干涉检查对虚拟模型进行运行状态干涉检查，能有效地避免实际产品制造、试验带来的成本损失。另外，在虚拟环境下进行运行状态干涉检查具有直观的可视化效果［7］。为进行虚拟环境下传动系统的运行状态干涉检查，VASVT以传动系统零部件受载时的状态分析及变形计算为基础。通过对零部件的载荷和约束状

4结论

本文以渐进均匀化理论为基础，结合有限元理论，设计了以宏观弹性模量为目标的复合材料微观结构拓扑优化的数学模型。并运用Matlab汇编语言实现优化计算，进行最优性能复合材料的微结构设计。通过引入灵敏度过滤技术来控制数值不稳定从而抑制棋盘格式的产生，并通过试验得到适用该模型且结果优收敛快的敏度过滤半径值，经算例验证该方法可行。根据不同网格密度计算得到的优化构型，可知该优化模型下网格疏密对最终拓扑结构的影响不大。选用不同的惩罚因子进行优化，并通过目标函数迭代曲线分析选取适当的惩罚因子，以得到较好的收敛速度和最优值。对具有不同性能要求的材料微结构进行优化，得到了期望的构型。以该优化模型为基础，对冲孔板的构型进行设计，得到了不同要求下能发挥材料最大潜力的结构，以节约材料，降低生产成本。

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