淺談虛擬樣機技術在機械設計中的應用

虛擬樣機(virtual prototyping)技術是在產品設計開發過程中，把虛擬建模技術(CAD)與分析技術(CAE)相結合，針對產品在投入使用后的各種工況進行動態仿真，預測產品整體性能，從而改進產品設計，提高產品性能，目前已被廣泛應用于制造業中。

一、虛擬樣機技術的優點

虛擬樣機是實際產品在計算機上的表示，又稱為數字化樣機。虛擬樣機技術本質上是一種模擬仿真技術，設計多體系統運動學、動力學建模理論及其技術實現，是基于先進的建模技術、多領域仿真技術、信息管理就是、交互式用戶界面介紹和虛擬現實技術的綜合應用技術。虛擬樣機的智能性并不是指完全由計算機程式化的進行產品設計分析，而是能夠實現人機交互。虛擬樣機在一定程度上擁有與物力樣機相似的功能真實度，利用分析軟件，結合相關知識，可通過分析產品虛擬模型，預測產品性能(包括運動學特性、動力學特性、強度分析、疲勞壽命等)，為產品優化提供依據(圖1)。

圖1 虛擬樣機技術的優點

二、虛擬樣機技術相關軟件

1. Pro/Engineer(Pro/E)

三維建模工具由于有著二維繪圖軟件所無法比擬的許多優點，正越來越多地得到應用。就目前市場上存在的各種三維建模軟件來說，Pro/E軟件，尤其是第三代產品Pro/E wildfire版本，由于具有強大的參數化特征造型功能而受到企業界的一致認同。參數化設計是現代CAD技術的一個主要發展方向。它改變了傳統的設計方法和過程。通過Pro/E設計出來的與物理樣機完全相同的數字化產品，零部件之間的裝配和干涉一目了然，而且Pro/E還具有運動仿真分析功能，通過這些功能可以把設計錯誤消滅在設計的初始階段，把設計人員從繁瑣的工作中解放出來，把設計的重點放在結構的優化和創新上。

2.ADAMS

機械系統動力學自動分析(automatic dynamc analysis of mechanidal systems，ADAMS)是美國Mechanical Dynamics Inc公司開發的虛擬樣機分析軟件，使用交互式圖形環境和零件庫、約束庫、力庫，創建完全參數化的機械系統幾何模型，其求解器采用多剛體系統動力學理論中的拉格郎日方程方法，建立系統動力學方程，對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷及計算有限元的輸入載荷等。ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統進行靜力學、運動學和動力學分析。另外，又是虛擬樣機分析開發工具，其開放性的程序結構和多種接口，可以成為特殊行業用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發工具平臺。

三、虛擬樣機在機械設計中的應用

虛擬樣機技術的興起，也為機械設計提供了全新的設計理念。設計初期直接在計算機環境中創建虛擬樣機，并進行各項仿真實驗和分析，不僅可以使機械的結構和功能得到模擬，還能使其缺陷在最初的設計階段就能及時發現并加以改進，實現設計與完善同步進行。

以機械中的減速器為例。設計者可以使用虛擬樣機技術，通過三維建模、動力學仿真分析和優化設計等過程，研究零部件參數對減速器性能的影響并進行優化。減速器中的零件一般包括上、下箱體、齒輪、齒輪軸、鍵、軸承、套筒、端蓋等主要零件。在建模過程中，首先應用Pro/E 軟件建立減速器的帶有質量、轉動慣量等物理特征的各個部件，并完成零部件的裝配。當減速器Pro/E 模型完成后，利用IGES接口輸入實體模型ADAMS 軟件中，添加相應的約束與驅動后，設置仿真平臺相應的輸入輸出參數，即可進行減速器動力學性能參數的分析與求解。在仿真的基礎上就可以進一步對所設計的機構進行結構參數優化。

(作者單位:山東理工職業學院)