产品的建模和仿真，是虚拟现实技术在CAD/CAM的基本应用，CAD/CAM软件从线框造型、曲面造型发展到特征参数化实体造型，反映了制造领域对几何建模技术的需求。造型仿真是通过对系统模型的实验，研究一个存在的或设计中的系统，包括技术系统，如机械、汽车、机电、声学、热学等。CAD/CAM等工程领域应用仿真技术，可以降低系统的研制成本，提高系统实验、调试和训练过程的安全性。

（1）现有设计实训室分析

传统仿真实训室教学效果普遍存在照搬实训场景、实训项目固定、自主创新能力不强、产品的建模和仿真缺乏优良的设计方法等问题。探索提升实践教学效果的有效方式、引导培养学生的创新意识的可行方案，是实践教师队伍不懈探索的目标。

（2）建设CAD/CAM虚拟仿真实训室

1）建设思路

智能制造专业群相关专业课、专业基础课涉及知识点多，学科实践环节较为重要，目前学生对所学知识综合运用能力和实践能力受实训难度、实训设备数量、场地的限制，学生很难高效的掌握实训要点，难以培养学生的工程意识。然而通过虚拟仿真重构实训内容，通过友好的人机界面，可以充分的改善教学过程中的这些弊端。

虚拟仿真实训室的建设本着建成集“教、学、做”为一体的教学环境和专业综合性实训基地的理念，从演示实践教学、基本技能实训教学和项目综合实训教学三个层面，为课程的实践教学提供保障。

虚拟仿真实训室需要符合以下要求：

①满足于综合性实践教学的要求

建成后的实训室采用模拟仿真的实训手段，实现由单一基础技术的虚拟仿真实训训练到各种技术综合应用的虚拟仿真实训训练。力求体现虚拟化、仿真化、行业技术特色和行业应用及发展的趋势，力求体现先进性、前瞻性、实用性、可操作性及示范性。切实提高学生的实际操作能力和分析解决问题的综合能力，使得纯知识性的教学与培训变得更加生动和形象，从而真正掌握现代工业技术。

图4 传统计算机建模仿真与虚拟现实结合仿真的区别

②布局符合职业教育的特点，贴近企业

教学互动区能满足虚拟仿真课程的理论与实际相结合的教学要求，满足老师与学生互动式教学的需要，以达到提高学生实训效率及效果、节约实训耗材的目的。学生的虚拟终端操作环境与生产实践接近，有利于行动导向的教学的实施，在这样的虚拟实训环境中学生的职业意识得到了提高，能够更快的融入到企业的生产中去。

③兼顾社会培训的要求

虚拟仿真CAD/CAM实训室既可满足我院敏捷制造专业群虚拟仿真实训教学的需求，也可以作为社会培训的场所。

CAD/CAM的建模(造型)是CAD/CAM的技术核心和基础。对CAD/CAM的整体技术水平及相关功能的发展至关重要。当今流行的商品化CAD/CAM系统主要基于2D平面或3D线架造型以及真3DNURBS曲面造型和参数化实体造型三种。CAD/CAM技术建立的多维信息感知模型，应用于仿真系统中，具有重大意义。

目前，国内外机械建模软件、运动学和动力学仿真软件较多，比如Siemens UG NX、Pro/E、Solidworks、CAXA、Adams、Matlab等，提供了相应的仿真环境。团队前期借助这些软件已经建立了一定量的机构模型、演示动画等，为虚拟仿真基地建设提供了一定的虚拟仿真资源。

图5  产品设计与仿真

2）建设目标

①建设规模

计划购置虚拟化服务器1台，产品概念设计与仿真软件60套，产品结构设计与仿真软件60套，VR 10套，共20个工位。

②面向专业及课程

CAD/CAM虚拟仿真实训室面向敏捷制造专业群。面向《零部件技术测绘与出图》、《CAD工程图绘制》、《机械零部件正向设计》、《零件加工工艺与工装设计》、《冲压工艺与模具设计》、《覆盖件模具设计》、《产品逆向设计》、《产品外观造型设计》、《产品结构设计》等课程。

③开发出具有创造性和高水平的产品结构设计虚拟仿真实训教学资源，提高学生的综合设计和创新能力，以及提高教师教学能力。

④借助虚拟仿真软件的强大功能，促进教学、科研、技术能力的提升，从而促进教学团队成员的成长和水平提升。

4）功能介绍

产品结构设计与仿真软件为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。产品结构设计与仿真软件针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求，提供了经过实践验证的解决方案。能够在开放型协同环境中的开发部门之间提供最高级集成，可用于产品设计、工程和制造全范围的开发过程，帮助用户改善产品质量，提高产品交付速度和效率。

①概念设计

产品概念设计与仿真软件为了应对基于文档的传统系统工程工作模式在复杂产品和系统研发时的面临的挑战，以逻辑连贯一致的多视角通用系统模型为桥梁和框架，实现跨领域模型的可追踪、可验证和全生命期内的动态关联，进而驱动贯穿于从概念方案、工程研制、乃至使用维护到报废更新的人工系统全生命期内的、以及从体系往下到系统组件各个层级内的系统工程过程和活动。

图6 产品概念设计

②方案验证优化

产品概念设计与仿真软件可以将工程部门、仿真部门、架构部门及设计部门等不同部门有机紧密的联系起来，实现产品协同开发。工程部门，模型管理与数据收集；系统仿真部门，数据检索；系统设计部门，下发的模型，目标及参数，接收对应指标结果及优化参数，形成闭环性能工程，完成系统设计指导。并在产品设计早期就可以评估动力总成架构不同属性，前置产品设计决策。

图7 方案验证工作流程

③结构设计

汽车市场竞争不断加剧，汽车多样化需求不断增多，主机厂设计压力日益增大。而结构设计是其重要一环，举足轻重。如何高效率、高质量、低成本地交付新车，是主机厂面临的挑战。

从V型图的左侧，我们可以看到，三维设计与虚拟仿真软件一方面提供了完整的设计能力，车辆的概念设计、车辆的总体布置设计到组件的详细设计，包括电气布线设计、焊接设计等；另一方面，从V型图的右侧可以看到，三维设计与虚拟仿真软件也提供了完整的验证能力，从组件的有限元仿真，到子系统的仿真，再到整车的数字样机验证。三维设计与虚拟仿真软件全方位的车辆设计与验证能力，让您从容应对挑战，帮助您缩短车辆设计周期，提升设计质量，降低研发成本。

图8 从设计到验证

④仿真分析

当前汽车产品正在朝着电气化、智能化、轻量化进行技术变革。三维设计与虚拟仿真工具组合为汽车性能预测性工程分析提供完整的解决方案。三维设计与虚拟仿真解决方案，提供了包括结构、车辆动力学、耐久性分析、电磁、振动、噪声等在内的多学科仿真平台。三维设计与虚拟能够对整车及各个子系统进行结构分析，动力学分析，疲劳分析以及NVH性能等方面进行多学科仿真，并且可以与试验相结合，来提高仿真结果的准确性，能够驱动产品设计，实现工程创新，保持产品竞争优势。

5）预期成效

①教学任务

《零部件技术测绘与出图》、《CAD工程图绘制》、《机械零部件正向设计》、《零件加工工艺与工装设计》、《冲压工艺与模具设计》、《覆盖件模具设计》、《产品逆向设计》、《产品外观造型设计》、《产品结构设计》等多门课程可利用虚拟仿真实训教学资源，把虚拟现实技术引入产品造型、产品结构、构件运动仿真等各个阶段，可使学生沉浸其中，对所需解决的问题有清晰的认识，而不再局限于从屏幕上观察仿真的结果，从而使产品模型的建立和产品设计验证更加方便。

②社会服务

不断提升虚拟仿真实训基地信息化建设水平，建立资源共享的网络技术交流平台，进一步加强与校内、校外、高校、科研院所和开发企业在系统研发和软件制作等方面合作共享。深化校企合作。以虚拟仿真实训教学资源建设为牵引，扩大与合作企业合作的深度和广度，建立起校企合作“互利互惠”的激励机制，推进校企合作可持续发展。

③预期教学改革、科学研究成果

在虚拟仿真实训教学网络平台基础上更好地整合实训资源、建设与传统教学相配套的数字化教育资源体系。随着研究工作的不断深入，逐步开展相关课程教学改革，不断完善实训内容和形式，结合“互联网+教育”，实现在线虚拟实训，提高学生的创新实践能力。

6）虚实结合

通过分析真实的客户需求，选定车型后，通过概念设计、方案验证、结构设计、仿真分析、样车虚拟评审等，到最后的产品试制，虚实结合，相互配合。

图9 产品设计虚实结合

图10 仿真协同设计虚实结合