虛擬樣機技術在機械設計過程中的應用

盧建湘（龍巖學院　機電工程學院，福建　龍巖　364012）

虛擬樣機技術在機械設計過程中的應用

盧建湘
（龍巖學院機電工程學院，福建龍巖364012）

摘要：隨著計算機技術和信息技術的快速發(fā)展，虛擬樣機技術得到了廣泛的應用和發(fā)展，尤其是在機械設計中，它更是得到了迅猛的發(fā)展.虛擬樣機技術在機械設計中的應用可以大大降低前期的成本投入，提高機械設計的效率，縮短工期，同時機械設計的性能也比較優(yōu)越，所以它被廣泛應用于制造業(yè)、印刷工業(yè)、包裝工業(yè)以及國防工業(yè)等領域.本文從虛擬樣機的概述入手，就其在機械設計中的應用進行了探究，并以該技術在農業(yè)機械和煤礦機械等中的具體應用進行了研究，以期給后續(xù)相關研究提供借鑒.

關鍵詞：虛擬樣機；機械設計；應用

隨著全球化經濟的快速發(fā)展，我國對外交往的頻率越發(fā)頻繁，同時國際市場競爭也越發(fā)的激烈.如何才能在激烈的國際競爭中立于不敗之地，已經成為我國經濟和社會發(fā)展所亟待解決的難題之一.傳統(tǒng)的物理樣機不僅工作效率高，且需要投入大量的前期成本，并且具有施工長、工作性能不穩(wěn)定等缺點，這大大制約了我國經濟的發(fā)展.而隨著科學技術的迅猛發(fā)展，虛擬樣機技術的不斷提高為解決上述存在的問題提供了極大的幫助，它可以大大省去前期物理樣機的資本投入，且具有工作效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，所以它被廣泛應用于各行各業(yè)中，并均取得了優(yōu)異的成績.下面就其在機械設計中的具體應用進行分析和研究.

1　虛擬樣機概述

1.1虛擬樣機的定義

顧名思義，虛擬樣機技術就是一種虛擬的技術，它是相對于傳統(tǒng)的制造物理實體樣機而言的，主要借助計算機軟硬件平臺來幫助工程師構建相關的三維模型，然后依靠相關的仿真模擬系統(tǒng)來進行仿真模擬實驗，從而幫助工程師驗證該機械在實際中的運行情況，有助于及時發(fā)現(xiàn)設計方案中存在的各種問題和不足，以及時讓設計人員加以改正，這樣將大大提高機械設計的效率.簡言之，該技術是以計算機為平臺，借助CAD模型制圖等為基礎，采用仿真模擬技術的一種機械設計技術.

1.2虛擬樣機的優(yōu)點

虛擬樣機作為一種新型的機械設計方法，它可以借助先進的設計技術和管理技術，來實現(xiàn)對機械設計的全過程進行開發(fā)、分析和設計，可以大大提高機械設計的效率，縮短工期，提高產品設計的質量，同時也可以大大降低產品設計所需的整體成本，有利于企業(yè)市場競爭力的提高.

1.3虛擬樣機的特點

在十九世紀八十年代，CAD/CAM/CAE等技術逐漸得到普及和應用，經過數(shù)十年的發(fā)展，其在眾多領域得到了應用，且均取得了顯著的成效.他們在設計的過程中，通常將零部件的性能和質量作為設計的重點，但是在設計產品的整體質量與其零部件之間的聯(lián)系性較差，這在一定程度上制約了產品整體性能和質量的進一步提升.而虛擬樣機技術則是面向系統(tǒng)的設計方法，涵蓋了機械設計的設計、分析和制造等整個流程，它可以實現(xiàn)產品性能和質量的不斷提高，與傳統(tǒng)的CAD/CAM/CAE等技術不同，虛擬樣機技術具有以下特點：（1）面向系統(tǒng)設計，該系統(tǒng)不僅可以面向單獨的零部件，同時也可以在整體上進行機械的分析和仿真模擬；（2）涉及貫穿于產品的整個流程，而不僅僅局限于產品生命周期中的一個階段；（3）可以實現(xiàn)對產品的全方位分析、測試和評估.

2虛擬樣機技術在機械設計中的應用

2.1建模

（1）建立三維模型.三維實體模型的建立使虛擬樣機得以建立的前提和基礎，所有的后續(xù)仿真實驗也均是在此基礎上開展的.數(shù)字化三維模型的建立是一個繁雜的過程，不僅需要詳細設計哪些機械中外形比較復雜的零部件，如扇葉、齒輪等等，同時也需要考慮各種機械中各種部件的驅動關系，在此基礎上還要借助CAD軟件來構建一個完整的機械系統(tǒng)虛擬樣機.最初的CAD主要是二維的，這種方式過程比較復雜，且不易控制，所以不具備生產的優(yōu)勢，隨著技術的發(fā)展，當下的三維CAD技術得到了普及和推廣，其可以實現(xiàn)對機械產品各部件的質心位置、轉動慣量以及搭接細節(jié)等信息進行詳細地表述，所以效率更高，使用也更加便捷.

（2）添加約束.在三維數(shù)字模型建成后，為了實現(xiàn)對物體間發(fā)生的相對運動進行規(guī)范，我們需要建立適當?shù)募s束來連接各個部件.在具體添加約束的過程中，我們需要根據(jù)實際的情況來選取恰當?shù)募s束添設條件.目前，我國現(xiàn)階段所用的三維CAD軟件大都配有動力學相關插件，所以可以借助這些插件來實現(xiàn)對裝配和約束關系進行映射，進而統(tǒng)一添加約束和虛擬裝配過程.此外，還有一種方式就是先借著三維CAD完成預裝配，然后將所完成的數(shù)據(jù)模型導入到ADAMS軟件中，借助該運動分析軟件來對產品的運動情況進行分析.

（3）施加模型驅動.在模型中各個零部件借助合理的約束實現(xiàn)了連接，并在各種機械的運動情況進行確定后，我們需要對模型添加驅動轉矩和驅動力，即讓模型可以按照預先的設計運動情況來進行運行.

（4）虛擬樣機的方針.在模型驅動施加完畢后，這時的模型已經基本建立完成，其已經具備了完成相關的各種操作.接下來我們就需要對產品模型的機械運動做仿真模擬實驗，并對產品的具體物理量進行計算，如作用力和反作用力、速度、加速度以及位移量等等，并且還要為后續(xù)的有限元分析提供必要的邊界條件.

2.2有限元分析

有限元分析是一種全面的動力分析方法，其可以對機械各結構部件的強度、運動特性等進行精確的分析，其中通用性強是其最為顯著的一個特點.另外，涉及結構形狀和邊界條件等相關力學的問題的求解均可以借助其來實現(xiàn)，其現(xiàn)階段已經被廣泛應用于機械設計中.而對于虛擬樣機技術設計而

言，它的計算方法效率和可靠性均較高，所以是一個不可或缺的設計工具.

2.3優(yōu)化

在機械模型校驗完成后，還需要對其進行優(yōu)化處理，以使其保持更為高效的工作效率.現(xiàn)階段我國所用的機械模型優(yōu)化方法主要包括以下幾步：在各種機械設計條件均滿足和變量變化范圍適宜的前提下，借助自動選擇系統(tǒng)來對機械模型設計的變量進行選擇；也可以借助分析函數(shù)來對目標的函數(shù)最大值進行求解；借助計算機的計算系統(tǒng)來對設計變量的參數(shù)范圍進行改變，并進行求解，以達到多次仿真的目的.另外，每次仿真模擬結束后，均需要對機械設計模型的變量參數(shù)進行更改，直到求出待求物理量的最優(yōu)化解為止.

2.4控制、機械系統(tǒng)聯(lián)合仿真

在傳統(tǒng)的機械開發(fā)中，機械系統(tǒng)與其控制系統(tǒng)是兩個相互獨立的部分，二者之間無論是在設計上，還是在測試上均是相互獨立的.因此，傳統(tǒng)的機械設計中，二者沒有形成有效的互動，所以實際的機械設計效果可能不太理想.然而，虛擬樣機技術則可以將機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)統(tǒng)一到一體，實現(xiàn)二者的有效融合，即虛擬樣本技術具有機構控制一體化的特點.這樣一來，傳統(tǒng)機械開發(fā)過程中存在的控制規(guī)律不合理，控制不高效等問題均可以得到有效的解決.在虛擬樣機技術下，控制和機械系統(tǒng)的聯(lián)合仿真具體的思路如下：借助ADAMS等仿真軟件來對機械三維模型的動力特性、力學特性等進行分析，然后再借助MATLAB等控制軟件來進行必要的控制計算.在這種設計思路下，運動學仿真軟件接受控制軟件生成的相關控制命令，并將結果反饋給虛擬位置傳感器以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的控制，這樣就形成了機械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的聯(lián)合控制.

3虛擬樣機技術在具體機械設計中的應用

3.1虛擬樣機在包裝機械設計中的應用

包裝機械是一種典型的機電產品，它具有自動化程度高等特征.在對其進行設計的過程中，它對控制性能、動力學、運動學、機械結構以及構件聯(lián)系性等方面的要求和標準均較高，所以單純的依靠傳統(tǒng)的實體樣機已經不能滿足生產的要求，而虛擬樣機的應用則可以很好地解決上述存在的問題.虛擬樣機技術在包裝機械設計中的應用可以大大提高設計的質量和效率，增強設計產品的穩(wěn)定性和工作性能，同時也可以節(jié)省生產成本，增加企業(yè)效益.在國外，虛擬樣機在包裝機械設計中已經得到了快速的普及和應用，其設計技術已經逐漸成熟，尤其是德國，他們率先采用虛擬樣機技術，將各種數(shù)據(jù)借助計算機來進行三維模型的構建，并結合生產的實際情況來對包裝機械進行設計，同時對于設計中可能產生的各種故障等問題進行了及時的更正處理，大大提高了產品的質量，同時也降低了生產成本，為客戶提供了更優(yōu)質的服務.然而，我國在該方面的研究和應用還非常欠缺，下面就包裝機械中應用虛擬樣機技術需要注意的一些問題進行探究.

我們在包裝機械中應用虛擬樣機技術需要從機械的引進、消化、吸收和改進等方面入手.自改革開放以來，我國從國外引進了大量機械設備，以期望通過對這些機械設別進行分析和研究來提高我國的生產水平，但是結果卻不盡人意.其中最重要的一個原因就是缺乏創(chuàng)新性，只是一味的進行仿制，沒有對機械設備零件的相關設計和工作原理進行分析，所以導致仿造的效果不好.基于此，在包裝機械設計中，我們需要向西方學習先進的虛擬樣機技術，而不應單純的引進先進的包裝機械成品，充分利用國內外在虛擬樣機技術應用方面的經驗來為我國的包裝機械設計服務，從而不斷提升我國相關機械的生產質量.另外，我國國內虛擬樣機在農用機械、航天以及武器制造等領域取得的一些研究成果也均可以應用于包裝機械的生產和設計中.為了進一步提高虛擬樣機技術在包裝機械設計應用中的適用性，我們需要結合我國的包裝機械設計的實際情況，不斷創(chuàng)新設計方法和手段.只有不斷創(chuàng)新設計費方法，才能夠提高我國包裝機械設計的能力，才能在激烈的國際競爭中立于不敗之地.

3.2虛擬樣機在農業(yè)機械設計中的應用

目前，虛擬樣機技術在武器制造、船舶加工、包裝機械以及煤炭制造業(yè)等領域得到了普遍的應用，農業(yè)機械制造也不例外，企業(yè)得到了很好地應用.下面就虛擬樣機技術在農業(yè)機械設計中的發(fā)展方向進行探究.

（1）多柔體系統(tǒng)的建模與仿真技術相互結合.多柔體系統(tǒng)動力學是以研究彈性變形和剛體運動之間耦合性的一種運動，由于其涉及的運動比較復雜，動力學計算的難度較大，所以如何借助虛擬樣機模型來對其進行仿真使當下虛擬樣機的一個研究重點.例如，在聯(lián)合收割機中，對于各種零部件等剛體的建模與仿真技術比較成熟，但是對于如何將水稻、玉米和小麥等柔體作物建立一個完整的模型，并與收割機各部件進行綜合性的仿真模擬則比較困難.

（2）協(xié)同仿真技術.協(xié)同仿真技術是指將不同學科的仿真工具進行相互結合，從而構成一種多樣性的仿真系統(tǒng)，它可以從分發(fā)揮各仿真系統(tǒng)的單獨特點，同時也可以實現(xiàn)對不同領域開發(fā)人員進行協(xié)調，進而可以實現(xiàn)不同領域開發(fā)人員的有效合作.現(xiàn)代化的農業(yè)機械是一種比較復雜的機械產品，它的設計中涵蓋了眾多的學科和領域.比如在農用拖拉機中如何將控制系統(tǒng)與機械系統(tǒng)進行有效的系統(tǒng)仿真模擬等等.

綜上所述，虛擬樣機技術作為一種先進的仿真模擬技術，其具有物理樣機所不具備的特點，如設計效率高、周期短，產品質量高、性能穩(wěn)定等，同時也可以大大降低設計所需的成本投入，提高企業(yè)的經濟效益，一舉多得.經過多年的研究和應用，虛擬樣機技術在我國眾多領域得到了普及和應用，并均取得了優(yōu)異的成績.為了進一步提高我國的機械設計質量，我們必須要不斷地完善、改進和創(chuàng)新虛擬樣機技術.

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中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

文章編號：1673-260X（2015）09-0045-03