基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)及建模方法分析

馬 骉

（呂梁學(xué)院，呂梁 033000）

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)及建模方法分析

馬 骉

（呂梁學(xué)院，呂梁 033000）

本文主要針對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)及建模方法進(jìn)行分析。

虛擬樣機(jī)技術(shù) 機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì) 建模方法

20世紀(jì)90年代，世界范圍內(nèi)計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)入高速發(fā)展階段，帶來了生產(chǎn)和生活的重大變革，機(jī)械生產(chǎn)方面也不例外。虛擬樣機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，直接將機(jī)械設(shè)計(jì)提升到智能化程度。在保證機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)不斷創(chuàng)新的條件下，節(jié)約機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)過程中的成本，直觀形象地對(duì)虛擬樣機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測(cè)試，減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，創(chuàng)新設(shè)計(jì)途徑。

1 虛擬樣機(jī)的含義

虛擬樣機(jī)主要是利用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)，將原本需要經(jīng)過物理技術(shù)才能完成的機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品從設(shè)計(jì)合理性測(cè)試到設(shè)計(jì)性能的檢驗(yàn)等功能的檢驗(yàn)，提升機(jī)械的虛擬化測(cè)試水平，減少物理測(cè)試耗費(fèi)的時(shí)間和成本，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)的創(chuàng)新。同時(shí)，虛擬樣機(jī)可以依據(jù)改造方式的不同，進(jìn)行循環(huán)分析、測(cè)試和實(shí)驗(yàn)，提升機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

2 有關(guān)虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

虛擬樣機(jī)技術(shù)為機(jī)械設(shè)計(jì)提供了更加便捷的技術(shù)和工作條件，可以利用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)模擬機(jī)械工作的各種狀態(tài)。將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)和管理中，節(jié)省機(jī)械設(shè)計(jì)試驗(yàn)階段需要花費(fèi)的時(shí)間，及時(shí)找到設(shè)計(jì)中的漏洞，并進(jìn)行后期的完善，防止了因?yàn)槲锢頇C(jī)械設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問題造成返修時(shí)間過長(zhǎng)的問題，完善成本設(shè)計(jì)。同時(shí)，可以及時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)理念進(jìn)行調(diào)整，將設(shè)計(jì)理念應(yīng)用到實(shí)際使用中，促進(jìn)產(chǎn)品創(chuàng)新，提升產(chǎn)品創(chuàng)造的有效性。

3 關(guān)于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)及建模方法

3.1 有效利用CAD軟件建模仿真

3.1 .1 CAD軟件建模仿真在裝配環(huán)節(jié)的使用

在裝配環(huán)節(jié)，可以使用CAD仿真技術(shù)，將已經(jīng)設(shè)計(jì)好的各項(xiàng)模型應(yīng)用到裝配模型中。對(duì)模型進(jìn)行組合，然后通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)整體性能的模擬，實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的仿真，從而及時(shí)針對(duì)一些出現(xiàn)漏洞的零件進(jìn)行管理、測(cè)試和調(diào)整。采用這種方式可以先建立裝配模型，然后根據(jù)模具不同的分配特點(diǎn)，單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，從而增加各個(gè)零部件單獨(dú)的性能管理。

3.1 .2 CAD軟件建模仿真在成像環(huán)節(jié)的使用

三維CAD系統(tǒng)利用投影生成二維圖像，減少了設(shè)計(jì)人員進(jìn)行人工繪制的程序步驟，且在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，可以將一些特殊的符號(hào)、公式、尺寸等進(jìn)行標(biāo)注，保證在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中將國家的各項(xiàng)政策應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)整體虛擬化管理的科學(xué)性，直接完成各項(xiàng)技術(shù)的更新。

3.1 .3 CAD軟件建模仿真在數(shù)據(jù)庫環(huán)節(jié)的使用

數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是進(jìn)行創(chuàng)新的基礎(chǔ)。它對(duì)自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)進(jìn)行管理，提高對(duì)知識(shí)的理解能力。其中，在設(shè)計(jì)中較為關(guān)鍵的部分就是在CAD設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)對(duì)知識(shí)的正常使用。將基本的信息收集匯總，讓信息之間實(shí)現(xiàn)資源共享，完成基本資源的管理和創(chuàng)新。然后，將這些輔助知識(shí)的參數(shù)運(yùn)用到實(shí)際工作中，并嵌入到CA系統(tǒng)管理中，創(chuàng)造相關(guān)的引擎，實(shí)現(xiàn)知識(shí)資源歸納匯總，將設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行智能化升級(jí)，促進(jìn)知識(shí)的合理化使用。

因此，進(jìn)行CAD軟件的開發(fā)是計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)發(fā)展的重要方面，增加了概念設(shè)計(jì)的使用效率，可以利用計(jì)算機(jī)作為重要的輔助設(shè)計(jì)工具，將機(jī)械設(shè)計(jì)和軟件進(jìn)行系統(tǒng)管理和開發(fā)，實(shí)現(xiàn)資源的整體性管理，將資源進(jìn)行全面使用。此外，使用CAD軟件設(shè)計(jì)技術(shù)，可以根據(jù)產(chǎn)品不同的周期進(jìn)行測(cè)試設(shè)計(jì)，基本上實(shí)現(xiàn)了從產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)為一體的設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了相互之間的轉(zhuǎn)換，加強(qiáng)了各個(gè)步驟之間的聯(lián)系。

3.2 針對(duì)產(chǎn)品構(gòu)件分析和仿真

機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化是機(jī)械設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)，可以減少機(jī)械設(shè)計(jì)中的固有缺陷，快速找到機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的問題，及時(shí)調(diào)整，防止機(jī)械設(shè)計(jì)在使用中出現(xiàn)不合理現(xiàn)象。一般來講，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，首先需要對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分析，然后進(jìn)行相應(yīng)仿真，增加機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

3.2 .1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)軟件的優(yōu)化

在進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的分析中，較常出現(xiàn)的技術(shù)就是ANSYS軟件。這項(xiàng)技術(shù)可以將機(jī)械設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)、流體以及電、磁場(chǎng)等進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)CAD與其的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，將設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和方針進(jìn)行關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)軟件結(jié)構(gòu)和仿真的結(jié)合，從而將各項(xiàng)資源整合，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化管理。ANSYS軟件通過對(duì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的分析，對(duì)數(shù)據(jù)模塊進(jìn)行處理，并根據(jù)情況進(jìn)行分層，計(jì)算不同情況下數(shù)據(jù)的情況，提升機(jī)械產(chǎn)品構(gòu)件的分析準(zhǔn)確性。結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型的建立，可以解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)變量計(jì)算的問題。在分析中設(shè)置相應(yīng)的變量數(shù)量，在這個(gè)期間對(duì)變量進(jìn)行測(cè)試，通過多個(gè)函數(shù)之間不同目標(biāo)的管理，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)的優(yōu)化分析。

3.2 .2 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

用戶需要針對(duì)實(shí)際掌握情況和軟件的熟悉程度，對(duì)圖形和設(shè)計(jì)方案進(jìn)行選擇。采用數(shù)據(jù)批量整理的方式和圖形交互兩種方式，對(duì)產(chǎn)品構(gòu)件進(jìn)行分析，提升產(chǎn)品判斷的效率。對(duì)于一般的用戶來講，進(jìn)行圖文交互的方式可以滿足機(jī)械設(shè)計(jì)更多的需求。對(duì)構(gòu)件進(jìn)行詳細(xì)分析，如可任意采用零階方法和一階方法，在尋找到最接近優(yōu)化方案的前提下，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試。結(jié)合曲線擬合的方式，找出最優(yōu)方案，接近變量函數(shù)的需要，測(cè)試發(fā)現(xiàn)最優(yōu)值，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品構(gòu)件的優(yōu)化，保證整體結(jié)構(gòu)的合理性。

3.2 .3 產(chǎn)品構(gòu)件分析與仿真聯(lián)系

產(chǎn)品構(gòu)件通過分析，在計(jì)算機(jī)中將各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行優(yōu)化實(shí)驗(yàn)，以增加仿真技術(shù)的真實(shí)性，提升仿真效果。各個(gè)構(gòu)件性能的分析，可以將構(gòu)件中的一些問題集中反映，然后進(jìn)行整體調(diào)整，以節(jié)省時(shí)間，不必等到仿真技術(shù)完成后再進(jìn)行測(cè)試，簡(jiǎn)化工作步驟。同樣，仿真技術(shù)的使用也提升了構(gòu)件分析的準(zhǔn)確性，將構(gòu)件分析中發(fā)現(xiàn)不了的問題反饋出來進(jìn)行修正，增加了機(jī)械設(shè)計(jì)整體的協(xié)調(diào)性。

3.3 針對(duì)行星架分析

3.3 .1 行星架作用分析

行星架作為機(jī)械設(shè)計(jì)的基本構(gòu)件，在運(yùn)行過程中需要承受較大的壓力，是整體設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn)的設(shè)備。如果處理不當(dāng)，設(shè)計(jì)不合理，造成使用中承受不住壓力的狀況，進(jìn)而造成設(shè)備在運(yùn)行中出現(xiàn)噪音和不規(guī)則的振動(dòng)，直接影響機(jī)械設(shè)備的日常使用。因此，需對(duì)星架進(jìn)行設(shè)計(jì)，選擇合理的結(jié)構(gòu)，將一些重量輕、剛性好的材料應(yīng)用到加工和裝配中，同時(shí)利用一些先進(jìn)的鑄造手段。例如，使用雙側(cè)整體式的設(shè)計(jì)，可以對(duì)材料進(jìn)行整體切割，然后進(jìn)行后續(xù)鍛造，實(shí)現(xiàn)機(jī)械的生產(chǎn)。但是，這個(gè)過程中需要關(guān)注內(nèi)應(yīng)力和焊接中出現(xiàn)的問題，防止出現(xiàn)質(zhì)量問題。而雙側(cè)分開式的方法，可以將整體的材料進(jìn)行分割，減少整體開板中應(yīng)力的影響，增加機(jī)械制造的靈活性，節(jié)省制造時(shí)間，提升制造準(zhǔn)確性。

3.3 .2 行星架使用路線分析

如圖1所示，為行星架制造過程。首先需要對(duì)毛坯進(jìn)行鑄造，然后根據(jù)設(shè)計(jì)的需要對(duì)零件進(jìn)行劃線。但是，在劃線工程中，需要留足一定的更改空間，以防后期的修改。在準(zhǔn)備工作完成后進(jìn)行初始加工?，F(xiàn)階段，多使用雙龍門立體式車床進(jìn)行加工處理，節(jié)省成本。在初始加工完成后進(jìn)行精細(xì)加工，注意對(duì)應(yīng)力的控制，在預(yù)留的加工余量上進(jìn)行細(xì)致測(cè)算，保證合理的半精車余量，關(guān)注質(zhì)量。在基本加工完成后，需要進(jìn)行關(guān)鍵部位的加工。按照設(shè)計(jì)圖紙進(jìn)行精確設(shè)計(jì)施工，在制作中可以使用裝夾等設(shè)備。

圖1 工藝流程圖

4 虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的實(shí)踐應(yīng)用

虛擬樣機(jī)技術(shù)的不斷進(jìn)步，在機(jī)械制造的各行各業(yè)使用廣泛。例如，世界最大的飛機(jī)制造商波音公司，在進(jìn)行飛機(jī)設(shè)計(jì)、裝配和性能測(cè)試的過程中，就是使用虛擬樣機(jī)技術(shù)，仿真真實(shí)飛機(jī)起飛、降落和遇到不同天氣的反映情況，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)步驟和設(shè)計(jì)過程，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量的提升，節(jié)約成本。再如，同樣身為世界著名機(jī)械制造商的Caterpillar公司，主要生產(chǎn)拖拉機(jī)、裝卸機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備。但是，生產(chǎn)這些大型設(shè)備的實(shí)物需要耗費(fèi)大量時(shí)間，如果出現(xiàn)設(shè)計(jì)不合理的情況再進(jìn)行改動(dòng)，其資金投入不可估量。因此，該公司引進(jìn)虛擬樣機(jī)技術(shù)，不用在實(shí)物整體生產(chǎn)完成后再進(jìn)行性能測(cè)試，而是將構(gòu)件進(jìn)行最優(yōu)化配置后進(jìn)行仿真測(cè)試，不僅節(jié)省測(cè)試時(shí)間，也大大節(jié)約了成本。

虛擬樣機(jī)技術(shù)的使用是機(jī)械設(shè)計(jì)方面重要的變革，可以將一些成本較高、系統(tǒng)較為復(fù)雜的物理樣機(jī)進(jìn)行仿真虛擬化的測(cè)試，在機(jī)械加工中占據(jù)重要位置，節(jié)省了物理樣機(jī)檢驗(yàn)成本。通過虛擬技術(shù)模仿機(jī)械真實(shí)工作狀態(tài)，提升機(jī)械設(shè)計(jì)的有效性，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題及時(shí)進(jìn)行修正，避免出現(xiàn)更加嚴(yán)重的問題，對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)來講優(yōu)勢(shì)明顯。可見，通過虛擬樣機(jī)技術(shù)可以幫助企業(yè)更好地做出判斷，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)整體目標(biāo)的優(yōu)化管理，為企業(yè)的發(fā)展贏得更好的市場(chǎng)，使中國在機(jī)械行業(yè)的發(fā)展前景更加廣闊。

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Analysis of Mechanical Product Fesign and Modeling Method based on Virtual Prototyping Technology

MA Biao
(Luliang University, Lvliang 033000)

In this paper, the virtual prototyping technology for mechanical product design and modeling methods are analyzed.

virtual prototyping technology, mechanical product design, modeling method