【正文】 華麗的外形來吸引小孩那短暫的好奇心，沒有設(shè)身處地的為孩子們著想，很多小孩買了這些玩具后玩不到一會(huì)兒就開始膩，甚至有的玩不 到一個(gè)小時(shí)就開始丟棄以至于報(bào)廢，這是多么可悲的事情?？茖W(xué)玩具 定義 的目標(biāo)是 為兒童和青少年探索科學(xué)世界的一種媒介，通過挖掘 玩具中的科學(xué)原理， 外在的 以互動(dòng)玩具游戲?yàn)橹饕?的 形式，在 共同 玩樂中激發(fā) 他們 潛在 的 智慧，思考玩具 的內(nèi)在 科學(xué)知識(shí)，及科學(xué)原理 ,從而 使他們能更好的掌握科學(xué)知識(shí)，激發(fā)他們探索科學(xué)的興趣和成為 科學(xué)家、發(fā)明家的欲望。 但 在我國，占據(jù) 著絕大多數(shù)的市場(chǎng)份額的卻是 國外的卡通玩具產(chǎn)品 。國內(nèi)卡通玩具產(chǎn)品 的設(shè)計(jì)研發(fā)與之相比 ,相距甚遠(yuǎn)。加德納認(rèn)為孩子 與生俱來 應(yīng)該具備邁向未來的五種 基本的 思維能 力，這些能力基本上都 不能單純從上課 或者單純看書這樣的途徑中獲得的 ， 他還強(qiáng)調(diào)孩子動(dòng)手操作玩具無疑會(huì)在非常大的 程度上鍛煉他們的思維能力。最終結(jié)合自己所學(xué)的專業(yè)，以及掌握的知識(shí)水平， 我決定研究一架玩具飛機(jī)，不管 是 其外形，還是其結(jié)構(gòu)，所包含的內(nèi)容都是非常值得研究的 。通過研究 調(diào)查，本課題對(duì)我國當(dāng)前的這些現(xiàn)狀會(huì)起到很多積極的作用 ，因?yàn)槲?們都能看到 ,我 國的科技實(shí)力在不斷提高，我們 也 應(yīng)該盡力把我們的科技水平 展現(xiàn)出來 ,那就是應(yīng)用到玩具中去，同時(shí)我們還可以使 我們的玩具凝聚中國特色， 展現(xiàn)中國特色 ,因 有這樣才能越走越遠(yuǎn)，而本文 主要研究的是機(jī)動(dòng)玩具，這類玩具運(yùn)用的是把我們 課本里最重要的原理 并巧妙的展現(xiàn)出來供兒童玩樂 ,對(duì)培養(yǎng)我們下一代的智力，創(chuàng)造力是非常有幫助 的，也為我們?cè)O(shè)計(jì)制造更加高科技的玩具產(chǎn)品做 好了 鋪墊 。 玩具業(yè)在我國制造業(yè)中占有相當(dāng) 大 的 地位，對(duì)世界玩具行業(yè)具有相當(dāng)?shù)?影響。 通過調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，我國市面上的益智玩具已達(dá) 數(shù)千種， 這 其中比較暢銷的益智玩具 僅 有 200 多種， 同時(shí)伴隨著 當(dāng)代 科技的進(jìn)步使 得兒 童玩具的形式 、功能以及人們對(duì)兒童玩具的消費(fèi)需求都發(fā)生了巨大 的變化。近 些年來， 家長們 逐漸重視培養(yǎng) 孩子 的智商 、 情商，益智類玩具也因此正在逐步走向市場(chǎng)。 此外， 隨著人們生活水平的提高 人們的消費(fèi)需求 也逐漸隨之提高， 縱觀當(dāng)下我國的玩具行業(yè)， 玩具市場(chǎng)上銷 售的玩具大部分處于中低檔次，高檔次的玩具還未成為消費(fèi)主流，只能說 高檔次的玩具市場(chǎng)在我國 存在 著巨大的發(fā)展空間。我國兒童玩具消費(fèi)市場(chǎng)潛力驚人。綜合來看，玩具市場(chǎng)潛力還是非常大！研究玩具的 必要性也非常大！ 中國作為一個(gè)玩具生產(chǎn)大國卻不是一個(gè)生產(chǎn)強(qiáng)國，在消費(fèi)能力、擁有核心技術(shù)和知名品牌等方面與發(fā)達(dá)國家和地區(qū)還有一大段距離。拓寬玩具的品種和銷售渠道，提倡創(chuàng)新，走別人沒有走過的路，提高自我開發(fā)的能力，保證產(chǎn)品的質(zhì)量和售后服務(wù)，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。由加 工 型企業(yè)向自主設(shè)計(jì)型過渡，這是我國玩具工業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路，只有這樣，才能逐步縮小我們與發(fā)達(dá)國家之間的差距 。根據(jù)國際玩具協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示， 2022 年全球玩具市場(chǎng)銷售額約為 800 億美元，近一、二年來的年增長率達(dá)到約 5 個(gè)百分 點(diǎn)。 從劃分全球的玩具消費(fèi)市場(chǎng)的地域特點(diǎn)來看，最主要的市場(chǎng)仍然是北美一些發(fā)達(dá)國家 ,占有率高達(dá)約 30%,其中最大消費(fèi)市場(chǎng)又以美國為首；亞洲的地區(qū)約占26%，其中最大的消費(fèi)市場(chǎng)為日本；而以德法為主的西歐一些市場(chǎng)約占 25%；而非洲國家達(dá)到不足 1%，但近年來呈上升趨勢(shì)。而近年來新興的電視游戲玩具，雖僅有約 20%的市場(chǎng)占有率，其逐年增長之勢(shì)卻被業(yè)界所看好。一些發(fā)達(dá)的國家地區(qū)人均玩具消費(fèi)水平最高，高達(dá) 340 美元，歐洲國家的消費(fèi)水平則為 144 美元，亞洲國家最少，約為 13 美元。諸如像武器類的玩具，主要包括像玩具飛機(jī)、玩具戰(zhàn)船、玩具坦克、玩 具手槍，還有一些仿真類玩具如仿真手槍、仿真名牌汽車，在日本市場(chǎng)近幾年來甚為流行的電子寵物等這些高檔次的玩具都非常受人們的歡迎。現(xiàn)如今國外生產(chǎn)商每年生產(chǎn)的玩具種類多達(dá) 15 萬種，其中新產(chǎn)品就有 5000 至 6000 種不等，國外生產(chǎn)的玩具銷售到內(nèi)地市場(chǎng)時(shí)的售價(jià)普遍會(huì)比較昂貴，加上傳統(tǒng)的文化差異，進(jìn)口的玩具在國內(nèi)市場(chǎng)上的占據(jù)份額仍然非常少。 中國制造業(yè)發(fā)展很快，制造玩具方面相對(duì)于世界來說也是一個(gè)大國，但這并不意味著中國可以稱得上是一個(gè)生產(chǎn)強(qiáng)國。盡管說中國玩具的出口量非常大（全球有 75%以上的玩具是在中國生產(chǎn)的），但這些玩具出口的基本形式都是以 OEM 進(jìn)軍國際市場(chǎng)的。因此，我們應(yīng)該想盡辦法提高中國玩具產(chǎn) 業(yè)的生產(chǎn)制造過程，做好其中的每一步，努力提升中國玩具產(chǎn)業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，盡最快的速度最高的效率打造出中國的自有品牌。 課題的研究 內(nèi)容和方法 通過聯(lián)合使用 Solidworks 和 ADAMS，讓我學(xué)會(huì)對(duì)玩具進(jìn)行測(cè)繪的方法，因?yàn)橥婢咄庑伪容^復(fù)雜，建模難度大，所以我必須首先學(xué)習(xí)如何進(jìn)行曲面建模，熟練掌握 Solidworks 的零件建模，裝配，虛擬拆卸，虛擬裝配的方法并學(xué)會(huì)如何把外部 裝配體導(dǎo)入到 ADAMS 中的方法，學(xué)會(huì)在 ADAMS 中對(duì)零件施加約束，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析的方法。 2. 用三維軟件 Solidworks 繪制出玩具飛機(jī)的各個(gè)零件的三維圖及整機(jī)的裝配圖。 4. 將抽象的工作原理具體化為某類構(gòu)件或零部件，具體內(nèi)容為確定結(jié)構(gòu)件的形狀、尺寸、還須運(yùn)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)考慮一定的加工工藝、強(qiáng)度、剛度、 精度以及與其它零件相互之間關(guān)系等問題。 研究方案與工具 研究方案 本課題實(shí)現(xiàn)的是玩具飛機(jī)的建模 ,虛擬仿真，最終 的目的是 為了 實(shí)現(xiàn) 在Adams 軟件中對(duì)玩具飛機(jī) 的運(yùn)動(dòng)學(xué)虛擬仿真，為了得到最后 比較理想的效果 ，需要對(duì)玩具這個(gè)行業(yè)有足夠 的調(diào)研和考察， 并且能夠 分析 出 玩具的市場(chǎng)需求和研發(fā)方向 。達(dá)索公司主要 負(fù)責(zé) 的是系統(tǒng)性的軟件供應(yīng)，并 提供 給 制造廠商 具有 Inter 整合能力的支援服務(wù)。 圖 (2) 在 SolidWorks 這個(gè) 軟件里 我們可以看到 有 三個(gè)基本的模塊，包括 零件建模、裝配體、工程圖，因?yàn)?SolidWorks 軟件是一套基于特征的、參數(shù)化的三維設(shè)計(jì)軟件， 它的設(shè)計(jì)理念非常符合工程設(shè)計(jì)思維，還能 構(gòu)成一套設(shè)計(jì)與制造結(jié)合的 CAD/CAM/CAE 系統(tǒng) ，當(dāng)然這必須 與 CAMWorks 及 DesignWork 等模塊 結(jié)合起來 ， 使用 Solidworks 軟件最大的優(yōu)勢(shì)就是提高精度和工作效率 ；使用中我們還可以在內(nèi)部添 加 插件 ，通過這種 形式加進(jìn)其他專業(yè)模塊（如工業(yè)設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、管路設(shè)計(jì)等） ，使得設(shè)計(jì)更加快捷方便 。 而對(duì)于一個(gè)新產(chǎn)品的研制開發(fā)過程 ，需要經(jīng)歷三個(gè) 基本的階段，即方案設(shè)計(jì)階段 ?詳細(xì)設(shè)計(jì)階段 ?工程設(shè)計(jì)階段。 對(duì)于建立一個(gè)實(shí)際的 SolidWorks 零件過程，通俗的說 就是構(gòu)建許多個(gè)非常簡單 的特征， 然后對(duì)這些特征進(jìn)行相互疊加、切割或者重合 的過程 。 ?然后 分析零件，確定 出零件的創(chuàng)建順序 ?緊接著 畫出零件 的 草圖，創(chuàng)建和修改零件的基本特征?再 創(chuàng)建和修改零件的其他輔助特征 ?最后 完成零件所有的特征，保存零件的造型 成特定的格式 。 由于其功能的強(qiáng)大及能夠帶來的便利， 目前，全世界 不管是什么行業(yè)有近乎 數(shù)百家主要 零件 制造廠 商 都 采用 了 ADAMS 軟件 。 ADAMS 軟件采用的是交互式的圖形環(huán)境， ，它所運(yùn)用的求解器采用的是比較復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和力學(xué)模型，最主要的是運(yùn)用拉格朗日方程法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，從而對(duì)所建立的幾何模型進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的仿真分析，并且我們還可以導(dǎo)出其速度、位移、力等作用曲線。 在 ADAMS 軟件 里主要 由 五類模塊組成，包括 基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱。 Solidworks 的玩具飛機(jī)的 幾何建模 玩具飛機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析 在玩具飛機(jī)的虛擬仿真研究過程中，由于 要得到理想的結(jié)果 ,而 零件之間存在著各種相對(duì)關(guān)系， 因此我們首先 需要對(duì)玩具進(jìn)行拆卸， 然后分析出其拆卸零件與相連接零件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系 ,最后 測(cè)繪出其零件的尺寸 完成裝配 ,才會(huì)得到預(yù)期的效果 。 翻轉(zhuǎn)之后，由于連桿和飛機(jī)下半身之間有彈簧連接，連桿被拉回 彈簧原長位置，整個(gè)過程就這樣往復(fù) 。 玩具飛機(jī)零件 尺寸測(cè)繪 測(cè)繪時(shí) 所使用的工具為游標(biāo)卡尺和毫米刻度尺，以下為部分零部件的測(cè)繪尺寸： 圖 (6)飛機(jī)下半身尺寸 圖 (7)飛機(jī)上半身尺寸 圖 (8)齒輪箱尺寸 圖 (9)底板尺寸 圖 (10)底 板側(cè)視圖尺寸 圖 (11)車胎尺寸 圖 (12)連桿尺寸 玩具 飛機(jī) 的建模 玩具飛機(jī)的零件建模 玩具飛機(jī)的 下 半部分 建模步驟： 1) 使用 Solidworks 創(chuàng)建草圖截面， 對(duì)玩具飛機(jī)實(shí)體測(cè)量，每隔 6mm 測(cè)量一次截面。 3) 進(jìn)行 Solidworks 中的【放樣】操作。 5) 下圖即為中間身體的放樣草圖及下半身抽殼后的效果 圖 。特別是其窗戶、頭部、 尾巴 的創(chuàng)建， 因其顏色不同于主體部分，故不能采用布爾求和運(yùn)算。 2) 還是在飛機(jī)最高相切處建立草圖， 在挖切得最低處也建立一個(gè)形狀與之前相同大小不同的草圖，彈簧進(jìn)行放樣或掃描均可。 4) 打開【編輯】中的【對(duì)象顯示】，編輯眼睛的顏色，使其達(dá)到 如下圖 效果即可 圖 (15)飛機(jī)下半身模型圖 其他一些零件模型圖如下： 圖 (16)a 圖 (16)b 圖（ 16） c 圖（ 16） d 圖（ 16） e 圖（ 16） f 玩具飛機(jī)的實(shí)體模型的翅膀是迷彩顏色的 ,而 Solidworks 最方便的是對(duì)面進(jìn)行上色 ,Adams 只能對(duì)實(shí)體零件進(jìn)行上色 ,不管是哪一種方式 ,要想使得飛機(jī)翅膀顏色接近實(shí)際顏色 ,必須對(duì)飛機(jī)翅膀進(jìn)行分割處理 ,我采用的方式是 :把飛機(jī)翅膀進(jìn)行曲面挖切 ,然后再進(jìn)行曲面拉伸 ,保存成不同的零件 ,這種方法雖然比較復(fù)雜 ,但也是我認(rèn)為要達(dá)到效果的最好方法，如下： 圖（ 17） 玩具飛機(jī)的頭部建模 實(shí)體飛機(jī)的頭部是光滑的圓弧，但建模過程中，曲面上畫圖是比較復(fù)雜的，并且很難得到理想的效果，因此，為了使得模型更加逼真，我對(duì)之前的身體又重新繪制了一遍，這一次，頭部和之前一次不一樣，我在頭部畫的是一個(gè)直徑為 17mm 的圓，便于后面的上色和美觀。如下圖。 自底向上裝配指的是首先創(chuàng)建零部件模型，再組合成子裝配，最后生成裝配部件的一種簡潔高效裝配方法。例如， 我們經(jīng)常見到首先創(chuàng)建幾個(gè)主要部件模型，再將這幾個(gè)零部件 裝配在一起，然后在裝配 體 中設(shè)計(jì)其他部件， 打開單個(gè)零件進(jìn)行創(chuàng)建，這種過程 即為混合裝配。 添加 玩具飛機(jī) 各個(gè)單獨(dú)的零件到裝配體后，還要確定各零件之間的約束關(guān)系，以確定其零件 的裝配位置。 在 裝配時(shí)，添加配合的過程中，選取配合對(duì)象的順序不同，其配合的結(jié)果一般也有很大區(qū)別。 圖（ 19） 飛機(jī)的裝配過程： 為了使得在后面導(dǎo)入 Adams 過程中坐標(biāo)系重合，在裝配之前，創(chuàng)建一個(gè)薄板以表示地面，并插入到 Solidworks 中與 XY 平面水平放置，這樣在接下來的裝配中全部以此為參考。 在配合的過程中，需注意順序的先后。 即便如此，裝配起來還是不方便，所以我最終采用的方式是，把挖去的六塊不規(guī)則的零件全部插入裝配圖中， 每個(gè)零件僅使用一個(gè)配合約束，當(dāng)然這樣的約束是不夠的，所以我計(jì)劃到 ADAMS 中再使用布爾操作，把這些零件合成一體。 4． 基于 Adams 的 玩具飛機(jī) 的仿真 模型導(dǎo)入 裝配圖導(dǎo)入 Adams 的 步驟： 在 Solidworks 總裝配圖中單擊【文件】 /【另存為】 /【 Parasolid】命令，如下圖出現(xiàn)保存對(duì)話框，選中 Parasolid 格式后單擊【保存】 圖（ 22） Parasolid 格式保存好后，就進(jìn)行模型的導(dǎo)入，在導(dǎo)入的過程中，我遇到了一個(gè)問題，模型導(dǎo)入進(jìn)去后，無法重命名，并且所有的 Part 全部以橫線的形顯示，如下圖所示： 圖（ 23） 圖（ 24） 經(jīng)過與 曹 老師 及同學(xué)的討論，一致認(rèn)為問題出在了 模型的命名和裝配上，于是我所有的步驟重新操作了一遍，并且所有的零件名稱全部以英文名稱出現(xiàn)，最終達(dá)到了如下圖所示的效果： 進(jìn)入 Adams 界面后，單擊【 file】 /【 import】出現(xiàn) file import 對(duì)話框，如下圖，選中 file type 中的 Parasolid 文件格式， 在 file to read 中選中裝配圖中生成的 .xt 文件，最后單擊【 ok】 圖（ 25） a 圖（ 25） b 圖（ 25） a 正確的方式導(dǎo)入之后， 由于在之前注意到了坐標(biāo)的問題，并且我使用的是 Adams 2022 版本，所以名稱的修改以及柵格的對(duì)齊非常方便，名稱全部以我自己零件命名的方式顯示，柵格與我在 Solidworks 中的坐標(biāo)完全對(duì)齊，到此模型導(dǎo)入成功。 Adams 中的約束具有限制零件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和代表“理想化”的聯(lián)接等特點(diǎn)。如圖： 圖（ 26） 玩具飛機(jī)中固定副 的創(chuàng)建 玩具飛機(jī)的零件個(gè)數(shù)比較多，全部顯示添加約束，不僅速度慢而且非常不準(zhǔn)確，這將會(huì)嚴(yán)重影響后面的仿真效果，所以我才用的方法是添加一個(gè)約束需要幾個(gè)零件