農業機械設計中虛擬樣機技術的應用與發展

摘要：

現如今有—種先進的產品開發方法叫做虛擬樣機技術，它對農機產品的研發有重要的作用，開辟了一條新的發展道路。本文講述了虛擬樣技術的特點以及其概念內容，并且聯系農業機械設計的相關內容，研究了一下如何在農業機械設計中加入虛擬樣機技術。又介紹了現在一些在農業機械中的虛擬樣機技術，提出了一種聯合仿真的方案。最后分析了虛擬樣機技術在農業機械設計中的發展前景，展望了虛擬樣機技術在農業機械設計上的發展方向。

農業機械化是我國建設農業現代化強國的必由之路，農業機械要實現現代化需要先進的農業機械，好的產品需要先進的設計理念和方法，隨著計算機技術的應用，機械設計方法和理念發生著巨大的轉變，過去靠筆和紙繪圖設計機械的過程：用紙筆設計、做模型、生產樣機、反復試驗、修改設計、定型后生產成品，如此的設計制造過程的規律正在改變，農機的設計緊跟其后，先進的設計思想理念正在不斷的應用和實施，目前多種現代機械設計方法論正被采用。如技術預測法、創造性設計法、系統設計法信號分析法、相似設計法、模糊設計法、動態分析設計法、有限元和邊界元分析設計法、優化設計法、可靠性設計法、計算機輔助設計CAD法和藝術造型設計法。這些方法為我國的農機設計制造快速發展，起到了十分重要的作用，為我國在2012年成為世界的農機制造大國，起到了技術支撐和保障。

1.對虛擬樣機的認識

1.1虛擬樣機的概念

在機械產品研發的過程中，機械設計是至關重要的一個環節，是進行機械生產的前提和基礎，并且決定了機械性能的高低。科學技術不斷發展的過程中，各種試驗方法也隨之得到迅速的發展，新興的學科、技術不斷地涌現出來，各學科之間開始進行交叉、融合。而虛擬樣機技術就是在這種技術背景下發展起來的試驗手段。虛擬樣機技術也可以稱之為機械系統動態仿真技術，它是指機械設計師在計算機上設計出樣機模型，然后針對模型作出各種動態性能的分析，將傳統的實物樣機試驗利用數字形式取而代之，然后針對性能欠缺的地方作出改進，對設計方案作進一步優化，最終設計出性能優良的機械產品。

1.2虛擬樣機的優勢

和傳統的物理樣機設計方法相比，虛擬樣機技術具有明顯的優越性，其具體表現在以下幾個方面：①就虛擬樣機技術的本質而言，其屬于模擬仿真技術的范疇，因此與多體運動學、動力學建模理論及技術實現等多個領域均有密切的相關性，是一項以先進的建模技術、信息管理技術、仿真技術以及虛擬現實技術和交互式用戶界面介紹為基礎的綜合性應用技術。②虛擬樣機具備智能性的特點，因此可以實現人機交互，嚴格說來它是起到輔助設計的作用，而非由計算機對產品設計做出程式化的分析。③盡管虛擬樣機是虛擬的，但是在功能方面和物理樣機的作用并沒有太大差別，它在特定的范圍內和物理樣機的功能是相似的，因此利用該技術進行檢測的真實度具備可信性。④虛擬樣機技術通過相關的分析軟件，與機械設計的知識相結合，對虛擬模型進行分析就可以對產品的性能作出預測，為產品的進一步優化提供可靠依據。

2.虛擬樣機技術在農業機械中應用現狀特點

2.1農機企業發展存在滯后性虛擬樣機技術

依托計算機技術而存在和發展，因此我國的農機設計行業計算機技術應用相對于其他如航空和汽車等設計制造業有一定的滯后性，原因有以下幾點：由于行業的資金實力不夠，農業機械類院校發展重視不夠，學習農業機械專業的積極性不高，導致農業機械專業院校投入不足、發展緩慢，因而高技術農機設計開發人才規模小，農機企業的銷售方式單一，銷售量及利潤低，技術人員待遇低，導致企業壯大困難，缺少足夠的資金投入研發，引進、留住人才困難。農機企業上市較少，目前一拖股份，吉峰農機等十余家上市公司，很多農機企業還是作坊式企業，科研和先進制造技術運用較少。因此制約了虛擬樣機技術的應用和推廣實踐。

2.2在農業機械裝備中的應用

在高校研究機構中逐漸形成團隊化，對農業機械裝備的研究成果轉化步伐加快。如中國農業大學，華南農業大學，廣西大學，分別在不同的應用方向取得了顯著的效果，華南農業大學首次把虛擬樣機技術應用到機械手的研究中，并相繼開展機械手在水稻拋秧機和水果采摘機器人等方面的應用，實現了整體設計方案的優化：廣西大學對甘蔗收獲機整機及關鍵部件的虛擬樣機模型進行了一系列連續深入的研究后，建立了基于產品數據管理（PDM）的甘蔗收獲機可視化虛擬設計平臺，涉及整個產品生命周期的描述、控制和管理，基于虛擬樣機技術的農業機械裝備正逐漸從對虛擬樣機模型的理論研究指導物理樣機試制階段發展到產品化生產階段，并取得了一定的經濟效益。

3.虛擬樣機技術對農業機械設計的助推作用

隨著我國現代化進程加快，應用的科研機構、企業不斷增多，領域日益廣泛，正是由于科研機構的應用，培養出了大量的相關技術人才，企業的實踐已不再限于實驗室。我國近幾年農機企業和研發機構發展也在提速，國家的農機補貼政策落實，勞動強度減少，我國社會財富積累增加，使農機的購買力增強：航空、汽車行業的發展帶動，給農機企業的擴張提供了動力：企業競爭加劇，因此運用新技術新工藝的欲望和可行性也在提升，這推動了虛擬樣機技術在農機設計中的運用和推廣。這種推動作用會促使農機的設計制造更快更好的發展，由我國現階段的農機制造大國成為農機設計制造強國邁進早日變為現實，真正實現農機設計制造的現代化。推動作用會使農機的設計呈現以下特點：①發展和創新設計速度更快：②規模增大，應用程度更深：③由單個的設計變為多個設計同時進行的協同設計：④單機的模擬仿真變為多機的系統仿真：

4.結束語，綜上所述，農業機械設計中虛擬樣機技術的應用越來越廣泛了，虛擬樣機技術作為新興的新產品開發設計方法，融合了面向對象技術、多體動力學理論和計算機圖形學等許多先進的方法。隨著我國農業機械化水平的提高，各種大型復雜聯合機械需求的增加，農業機械設計研發步伐的加快，虛擬樣機技術將在農業機械設計研發中扮演越來越重要的角色。