本文以发动机子系统的零部件设计为研究对象，主要探讨虚拟样机技术在从事上述设计任务的过程中所发挥的作用。将课题研究阶段的具体工作按照一个宏观体系逐层展开。对虚拟样机的功能展开全面的研究，并结合基金项目、工程项目等，将本文对虚拟样机功能的认识应用到研究工作中，制定技术流程。并在实践中检验本文设计方法的可行性与有效性。本文在实践中总结，将虚拟样机的主要功能归纳为：①性能评估和预测工具；②优化设计开发平台；③辅助其他分析工具。本文将上述认识转化为设计方法，包括：动态优化方法、动态拓扑优化方法、动态轻量化设计方法、多轴疲劳寿命预测方法和动态平衡设计方法。与此同时，将上述各种方法应用于：动态特性分析、性能优化设计、轻量化设计、强度／寿命预测、平衡特性优化等诸多方面。对两个发动机主要的子系统——曲轴系和配气系展开应用研究，研究对象涉及：凸轮型线、气门摇臂支架、气缸体、曲轴及平衡重等。在从事上述设计任务时，本文在以下几个方面进行了一些尝试性的创新研究工作：1)针对气门弹簧动力学参数的获取方法展开讨论。基于非线性有限元方法分别对各个簧圈的刚度特性进行模拟；2)提出“面向参数化样机的凸轮动态优化方法”。将虚拟样机的功能从单纯的预测或验证工具转变为动态优化设计工具；3)提出一种以虚拟样机为基础，以拓扑优化为核心的动态拓扑优化设计方案。避免了只针对单一工作时刻进行零件拓扑优化设计的风险；4)针对轻量化设计中的单工况静态条件导致的精度低和自动化程度低的问题，提出“基于虚拟样机的动态轻量化设计方法”作为解决方案；5)在介绍轻量化设计的有限元模型的过程中，提出利用复合多点约束单元建立上述虚拟样机和有限元模型之间的对应关系；6)针对零部件多轴疲劳分析过程中，载荷规律提取等若干问题，基于虚拟样机技术进行多轴疲劳寿命预测。该方法还可以作为采用工艺强化措施的依据；7)针对多缸发动机曲轴平衡重设计中的一些问题，基于虚拟样机对曲轴平衡重进行动态优化设计；解决了平衡重设计的优化目标的选取问题。