基于虛擬樣機技術的工程機械仿真分析與應用研究

黃愛文

摘要：近年來，機械領域的虛擬樣機技術發展迅速，并將以迅猛的勢頭逐漸取代傳統的機械設計、試驗和研究方法。本文首先簡單闡述了虛擬樣機技術，以及一款虛擬仿真軟件，然后重點闡述了這款應用仿真軟件對工程機械進行優化設計的內容，以及一些機械產品設計中的具體應用，其中，用真實的例子說明了具體方法，希望能夠為基于虛擬樣機技術的工程機械研究設計提供有價值的參考和借鑒。

關鍵詞：虛擬樣機技術;工程機械仿真;應用

1.虛擬樣機技術

所謂虛擬樣機技術，就是在制造真實樣機之前，以計算機虛擬現實的研究平臺為基礎進行工程機械產品的設計研發，其依托的核心理論基礎是多體動力學、現代控制理論等等，同時利用計算機、三維圖形處理、信息集成等技術，把需要設計的工程機械產品的分散的零部件的有關分析信息結合在一起，從而建立起工程接卸產品的數學模型，并且針對產品應用中的工況開展仿真分析，從而對該產品的整體性能、使用性能等進行科學的預測，再進行系統的細節上的整改優化[1]。

虛擬樣機技術已經被應用于工程機械產品仿真設計開發的整個過程，是一個面向系統的技術設計，其中包括數字樣機，包括功能虛擬樣機，還包括虛擬工廠仿真，這三個方面有效地結合，從而實現了工程機械產品樣機從實體向虛擬的有效轉化。虛擬樣機技術為虛擬工程機械產品的開發提供了非常強大的技術支撐。

基于虛擬樣機技術設計開發工程機械產品的基本流程可以分為以下四個步驟：第一步是，先建立起工程機械產品的開發模型，利用現有的知識對開發過程進行分析改進;第二步是，利用上一環節得到的模型，建立起產品的數字化、仿真和分析模型;第三步是，運用仿真和分析工具對產品模型進行功能和性能分析;第四步是，根據仿真和分析得出的結果，對虛擬樣機產品的各方面性能進行綜合評估改進[2]。與傳統的基于物理樣機的方法比，它具有更多的優點。

2.虛擬樣機技術依托的幾款常用軟件

虛擬樣機技術的應用需要借助一些虛擬樣機軟件來實現，這些軟件要求界面比較友好，要求功能比較強大，要求性能比較穩定。當前市場上存在的軟件比較繁多，二十幾家家公司進行激烈的競爭。其中，被廣泛應用、口碑比較好的，有美國的機械系統動力學自動分析軟件，德國的SIM PACK，Phoenics等等，而美國的機械系統動力學自動分析軟件占據的市場份額最大，也是其中最受歡迎的一款虛擬樣機軟件。

機械系統動力學自動分析軟件可用于虛擬樣機分析，用戶用來對樣機進行靜力、動力和運動學方面的有效分析。同時，機械系統動力學自動分析軟件也可以用于虛擬樣機開發，它開放性的程序結構以及多種接口，能夠被特殊用戶開展特殊樣機分析開發提供一個非常良好的開發平臺。機械系統動力學自動分析軟件一般運用部件庫、交互圖形環境、約束庫等，建立起來參數化的幾何模型，求解器構建動力學方程，對虛擬系統開展分析，從而輸出速度、加速度以及位移和反作用的曲線。這款軟件的仿真能夠用來測試工程機械產品的運動范圍、峰值載荷，也能夠用來進行碰撞監測等等[3]。

3.機械系統動力學自動分析軟件的應用

機械系統動力學自動分析軟件能夠有效地解決挖掘機等的研究設計中的許多問題。比如，挖掘機是由斗桿、動臂、鏟斗和液壓缸構成。（如圖2）

1：動臂;2：斗桿;3：鏟斗;4：動臂液壓缸;5：斗桿液壓缸;

6：鏟斗液壓缸;7：連桿;8：回轉平臺

圖2 挖掘機的裝置

目前挖掘機出現了幾個問題，我們可以用仿真分析分析挖掘機不工作了、斗桿、動臂、鏟斗轉動圍繞F、C、Q轉動時候的情況下，F、C、Q三點的力矩和角速度變化情況。我們在建立仿真模型的時候可以忽略油缸，因為它所產生的力矩能夠轉移至關節。我們可以先創建二百七十八千克重、四米長、十毫米厚的大臂，二百四十五千克重、三米長、十毫米厚的小臂以及重達三百八十一千克的鏟斗，然后再增加約束力，再增加驅動力。我們可以假設在上述情況下，三點的運動函數，Function=sin（ - 100d* tmie），仿真的時間為五秒，步數是二百步，結果就是，F在時間為1.975秒時扭矩最大為1.234×104Nm，C在時間為0.625秒時扭矩最大時為3670×104Nm，Q在時間為2.525秒時扭矩最大為1.58×103Nm，可以得出F、C、Q三點的角速度的變化是一樣的。由此可以看出，機械系統動力學自動分析軟件能夠得出關節力矩圖，甚至還能夠計算其數值。機械系統動力學自動分析軟件還能夠在得知運動軌跡的情況下，計算出關節需要的力矩等等，具有非常強大的仿真計算的能力[4]。

4.虛擬樣機技術的意義

虛擬樣機技術的發展，可以說充分體現了全新的研發模式，它使工程機械產品的設計開發能夠擺脫對實物樣機依賴，能夠為企業的發展帶來非常大的作用，主要體現在：

一是能夠大大地降低工程機械產品更新換代情況下產品開發的風險，從而有效的提高企業的生產效率，從而在激烈的競爭中得以健康發展。二是虛擬樣機技術的發展能夠使之前無法想象的銷售虛擬產品成為一種現實，企業能夠事先憑借設計開發出來的虛擬樣機尋找合適的客戶，然后在充分吸收客戶的意見的基礎上，再投入實體生產，在工程機械產品的開發中更加靈活，在市場競爭中也更能夠掌握主動權[5]。三是工程機械產品的虛擬化和數字化能夠使企業能夠通過互聯網優先進行相關產品信息的無障礙交流，通過共享來學習借鑒其他企業的先進技術，從而克服了資源獲取的局限性，在這個過程中可以尋找一些企業組成聯盟，來共同開發和獲取所需要的知識技術，從而借助團體的力量來增強對變化莫測的市場的適應性。四是基于虛擬樣機技術工程機械產品的設計研發，要求設計開發人員必須具有雄厚的虛擬樣機技術理論基礎，專業分析員最后也就成為產品的設計者，這對技術人員的業務素質技能以及協同工作的能力都帶來了更高的要求。

5.結語

綜上所述，本文認為，隨著科學技術的迅猛發展，以及市場競爭的日益加劇，在工程機械領域，虛擬樣機技術已經越來越成為工程機械產品設計研發的主流支撐技術。各大企業應當加強對虛擬樣機技術的深入了解，招聘更多的高技能專業技術人員強化對虛擬樣機技術的應用，從而降低產品生產成本、提高產品生產效率、優化產品質量、提升企業的經濟效益，不斷增強在激勵的市場競爭中持續健康發展的能力。

參考文獻：

[1]王洪倫，龔烈航，肖斌安.基于虛擬樣機技術的工程機械仿真分析與應用研究[J].機床與液壓，2008.07：140-142+163.

[2]郭俊英.基于虛擬樣機技術的機械仿真分析與結構設計[J].新技術新工藝，2009，11：43-45.

[3]李寒杰.虛擬樣機技術及其在工程機械領域的應用[J].裝備制造技術，2012，06：302-304.