虛擬樣機技術的應用

機械制造業(yè)作為我國的傳統(tǒng)工業(yè)，是我國工業(yè)發(fā)展的重要組成部分。伴隨著社會經(jīng)濟的騰飛發(fā)展，行業(yè)內(nèi)部的競爭日益激烈。新產(chǎn)品的開發(fā)設計技術作為競爭的核心內(nèi)容，虛擬樣機技術的產(chǎn)生，推動了新產(chǎn)品設計開發(fā)的速度，同時降低了設計成本，縮短了設計周期，提高了產(chǎn)品的市場競爭力[1]。

標簽：虛擬樣機技術；仿真；發(fā)展

1 虛擬樣機技術概述

虛擬樣機技術是一種新產(chǎn)品設計技術，設計師可以利用CAD/CAE以及二次開發(fā)軟件在計算機上建立產(chǎn)品機械系統(tǒng)的三維實體模型和力學模型，利用有限元分析、邊界元分析、matlab以及C語言等軟件程序的綜合應用模擬分析在真實環(huán)境下對機械產(chǎn)品進行運動學、動力學分析。為物理樣機提供有力的參數(shù)依據(jù)。借助于這項技術，它能夠反映新產(chǎn)品的各項特性，包括外觀、功能以及運動學和動力學特性[1]。虛擬樣機技術對制造業(yè)產(chǎn)生了巨大沖擊。

2 虛擬樣機技術的發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬樣機技術起源于上世紀80年代，最早應用在軍事、航天部門[3]。近年來，虛擬樣機技術被應用到更廣泛的領域，如汽車制造、飛機制造、印刷機制造、農(nóng)業(yè)機械制造等。美國、日本等國家先后在汽車、飛機、數(shù)字化機車、火星探測器、反鏟裝載機以及虛擬廚房設備系統(tǒng)中采用虛擬樣機技術優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，成功的縮短了研發(fā)周期。[1]在我國，遼寧工程技術大學、武漢理工大學、西北機電研究所、等在采煤機、掘進機和刨煤機的剛?cè)狁詈夏Ｐ?、船用起重機、發(fā)射藥協(xié)調(diào)器等的設計研發(fā)中運用了虛擬樣機技術[4]。虛擬樣機技術在我國起步較晚，關鍵技術還在進一步拓展階段

3 虛擬樣機技術的特點

利用傳統(tǒng)的設計方法設計新產(chǎn)品，首先要確立設計方案、分析機構(gòu)原理，繪制機構(gòu)原理圖以及所有零件的零件圖和總裝圖，確定加工技術和方案，制造物理樣機進行運行試驗，通過暴漏出的缺陷與弊端，提出改進方案，重新設計并制造物理樣機，再試運行。整個過程持續(xù)時間長，任務繁重，成本高。虛擬樣機技術在制造物理樣機之前，通過模型的仿真分析，在計算機虛擬環(huán)境下模擬產(chǎn)品運行的真實環(huán)境，觀察機構(gòu)各部分的運動，通過數(shù)字和圖表顯示系統(tǒng)缺陷，在虛擬樣機三維模型中修改參數(shù)即可完成系統(tǒng)優(yōu)化[2]。

與傳統(tǒng)的新產(chǎn)品研發(fā)相比，虛擬樣機技術具有很大的優(yōu)勢。包括以下幾個方面：（1）通過軟件的仿真分析功能，在虛擬的環(huán)境中模擬產(chǎn)品運行的真實環(huán)境，為物理樣機的制造提供參數(shù)依據(jù)。（2）縮短了新產(chǎn)品的研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，促使新產(chǎn)品盡早上市。（3）通過部分參數(shù)的修改，便能達到系統(tǒng)的優(yōu)化設計。（4）

與傳統(tǒng)的仿真軟件相比，應用領域更加廣泛，對產(chǎn)品性能等的分析更加周全，有助于提高產(chǎn)品的質(zhì)量[5]。

4 虛擬樣機技術在機械設計中的應用

虛擬樣機技術作為一種新興的設計理念，使復雜的設計程序簡單化。本文以農(nóng)業(yè)耕作機械小型旋耕機為例，闡述虛擬樣機技術在機械設計領域的應用。小型旋耕機的虛擬樣機的建立主要要涉及Solidworks和Adams兩個軟件。旋耕機的設計分為三維建模，動力學、運動學分析和優(yōu)化設計三個階段。 第一階段，利用Solidworks初步建立旋耕機的結(jié)構(gòu)原理簡圖（圖3，其中1齒輪箱、2主梁、3傳動箱、4刀軸、5右刀片、6左刀片、7左支架、8右支架、9右支架），繪制個零件的三維實體圖（圖4）[6]，并裝配。第二階段，將文件另存為parasolid（.x_t）格式，導入邊界元分析軟件Adams中，定義材料屬性、彈性模量、泊松比等參數(shù)，并添加不同的約束和驅(qū)動力，創(chuàng)建與旋耕機實際運行環(huán)境一致的虛擬環(huán)境，進行動力學分析。第三階段，通過仿真獲取相關數(shù)據(jù)，評估旋耕機設計方案的優(yōu)劣性，對存在的不足之處及時優(yōu)化改進。

參考文獻：

[1]熊光楞.虛擬樣機技術[J].系統(tǒng)仿真學報，2001（01）.

[2]席俊杰.虛擬樣機技術的發(fā)展及應用[J].制造業(yè)自動化，2006（11）.

[3]彭立彬.虛擬樣機在防空武器研發(fā)中的應用[J].飛航導彈，2005（08）.

[4]徐蕾.淺談虛擬樣機技術應用與發(fā)展[J].科技創(chuàng)新與應用，2014（03）.

[5]祖旭.虛擬樣機技術及其發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)機械學報，2004（02）.

[6]鄭智榮，楊堅，梁忠山，周仕城，范雨杭，劉增漢.小型旋耕機虛擬樣機模型建立[J].廣西：農(nóng)業(yè)機械化，2010（03）.

[7]王凱湛.虛擬樣機技術在農(nóng)業(yè)機械設計上的應用和發(fā)展[J].農(nóng)機化研究，2008（04）.