随着虚拟现实技术的日趋完善和在设计领域的广泛运用，基于产品虚拟原型的设计思想和方法得到越来越广泛的认同。虚拟原型是根据产品设计信息或产品概念描述产生的在功能、行为以及感官特性方面与实际产品尽可能相似的可仿真数字模型。本文着重研究虚拟原型技术中的两个关键问题：产品概念设计建模、虚拟特征生成及其主要实现技术。 传统的计算机辅助概念设计系统主要采用专业化符号、图表和简单图形系统，不能以真实感很强的方式表现概念设计阶段的产品，设计者无法直观地对产品的整体功能、性能进行验证，及时发现设计中可能存在的不合理因素，用户也难以参与设计方案的制定评价，从而使得所设计产品很难完全符合应用需求。而基于虚拟原型的概念设计能有效解决这些问题。本文给出了相关概念的定义与解释，深入分析了基于虚拟原型的概念设计需求和特点，介绍了基于虚拟原型的概念设计描述方法和设计过程。 概念设计建模一直是计算机辅助概念设计系统的核心与关键技术，本文在分析虚拟原型的特征分类以及概念设计过程特点的基础上，提出一种基于虚拟原型的概念设计描述模型V-desModel，其核心特点是采用产品视图模型描述设计对象，将虚拟特征概念融入视图模型中，并采用可扩展“三维实体—约束图”描述设计对象之间的约束关系。V-desModel能有效地支持基于虚拟原型的概念设计过程，较好地解决概念设计中产品虚拟原型的逼真性要求和设计信息不完备之间的矛盾。 现有的产品建模语言难以满足基于虚拟原型的概念设计建模需求，本文在吸取现有建模语言优点基础上，基于扩充连接图思想和V-desModel模型，提出了一种基于虚拟原型的概念设计模型描述语言—VPML。VPML是一种独立于领域与过程的面向机电产品概念设计的虚拟原型模型描述语言，具有较强的几何和行为建模能力，为多领域系统在概念设计阶段的协同设计、并行设计及联合仿真过程提供一致的模型描述。 根据概念设计需求，本文提出了虚拟特征生成概念，虚拟特征生成是概念设计阶段构造产品虚拟原型时必不可少的手段。本文详细阐述了特征生成方法和过程，介绍了特征生成在基于虚拟原型的设计与仿真过程中的作用，提出了基于知识的虚拟特征生成方法和基于Agent的特征服务机制，并结合应用需求，具体讨论了虚拟特征生成的实现。 作为虚拟特征生成实例，本文以电子设备概念设计为例，详细介绍了系统级和芯片级的虚拟特征生成方法。系统级虚拟特征生成主要是根据用户对设计意图的描述及元件信息，在并行设计规划器提供的约束条件下，快速产生三维环境中的元件国防科学技术人学研究生院学位论文布局信息，并从中提取系统中其它如分析、仿真、规划等工具所需的物理特征。本文提出了一种新的面向系统级并行设计规划的快速布局模型与算法。.该算法是基于有向图分解模型的分级布局算法，将定时驱动布局思想引入结群过程，是集定时驱动布局、基于结群的布局、基于划分的布局和有向图分解思想为一体的快速布局算法。结合并行设计规划，能有效解决系统级特征生成问题。 芯片级虚拟特征生成主要是根据设计者提供的ASIC高层描述，采取一定的高层功耗和面积估算方法，估算出芯片的功耗与面积，从而根据设计要求选择合适的封装形式，并对关键信号进行引脚分配，最终产生一个具有行为、功能及物理特征的AsIC虚拟原型。结合电子设备芯片级特征生成需求，本文详细介绍了虚拟AslC生成的流程以及其中的关键技术，包括高层功耗与面积估算、封装自动选择以及引脚信号自动分配等。 最后，本文介绍了一个自主开发的基于虚拟原型的概念设计环境YH一CVPE，作为实例，还介绍了基于YH一CVPE完成的并行计算机、作业机械手以及手持式电子地图等概念设计实例。 本文的研究成果，对于丰富并行设计方法学理论和推动虚拟原型技术的广泛应用，都具有重要的理论和实践意义。