虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

徐金蘇 浙江省臺州學(xué)院，浙江省臺州市 318000

虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用分析

徐金蘇 浙江省臺州學(xué)院，浙江省臺州市 318000

文章通過介紹虛擬樣機(jī)技術(shù)的基本情況，對虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了分析。隨著技術(shù)進(jìn)步和成本降低，虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的全面應(yīng)用將勢不可擋。

虛擬樣機(jī)技術(shù)；農(nóng)業(yè)領(lǐng)域

引言

傳統(tǒng)的物理樣機(jī)設(shè)計由于要考慮研制成本、周期等因素，只能進(jìn)行有限范圍、有限次數(shù)的試驗(yàn)，而虛擬樣機(jī)技術(shù)則可實(shí)現(xiàn)對虛擬樣機(jī)無數(shù)次的仿真測試，便于及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品在設(shè)計、制造和使用中的各種缺陷并采取有效措施并修正之。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介

1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的定義

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門綜合多學(xué)科的技術(shù)，源于對多體系統(tǒng)動力學(xué)的研究。虛擬樣機(jī)技術(shù)就不同的領(lǐng)域，有著不同的定義。機(jī)械工程中的虛擬樣機(jī)技術(shù)稱為機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，是20世紀(jì)80年代隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)計算機(jī)輔助工程技術(shù)。多體系統(tǒng)動力學(xué)是虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心理論。

1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

虛擬樣機(jī)技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：①全新的研發(fā)模式；②更低的研發(fā)成本、更短的研發(fā)周期、更高的產(chǎn)品質(zhì)量；③實(shí)現(xiàn)動態(tài)聯(lián)盟的重要手段等。它是許多技術(shù)的綜合。目前，最先進(jìn)的虛擬樣機(jī)技術(shù)及其分析軟件包含以下技術(shù)：幾何形體的計算機(jī)輔助設(shè)計（CAD）軟件和技術(shù)；動態(tài)仿真；有限元分析（FEA）軟件和技術(shù)；模擬各種各樣作用力的軟件編程技術(shù)；利用試驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行某些構(gòu)件的建模；控制系統(tǒng)設(shè)計與分析軟件和技術(shù)和優(yōu)化分析軟件和技術(shù)等。

1.3 虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究范圍

虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究范圍主要是機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，其核心是利用計算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)及其各構(gòu)件在任意時間的位置、速度和加速度，同時，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構(gòu)件運(yùn)動所需的作用力和其反作用力。

1.4 虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

目前，虛擬樣機(jī)技術(shù)已在我國得到了應(yīng)用與推廣，主要在汽車、航天航空、武器制造、機(jī)械工程等。

1.4.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用。中航第一飛機(jī)研究院成功推出了國內(nèi)首架飛機(jī)全機(jī)規(guī)模電子樣機(jī)；在863項(xiàng)目“月球表面探測機(jī)器人方案研究”中運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)構(gòu)造虛擬月球面計算仿真環(huán)境，并對涉及的多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究，取得了很好的成果。但從我國目前的情況來看，虛擬樣機(jī)技術(shù)只停留在初步應(yīng)用階段，有很大的提升空間。

1.4.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)在國外的應(yīng)用。虛擬樣機(jī)技術(shù)最早在一些發(fā)達(dá)國家，如美國、德國、日本等。在各領(lǐng)域，針對各種產(chǎn)品，虛擬樣機(jī)技術(shù)都為用戶節(jié)約開支、時間并提供滿意的設(shè)計方案。

約翰·迪爾（John Deere）利用虛擬樣機(jī)技術(shù)解決工程機(jī)械在高速行駛時的蛇行現(xiàn)象及在重載下的自激振動問題；福特汽車公司在某一款新車的開發(fā)中也采用了虛擬樣機(jī)技術(shù)，縮短設(shè)計周期70天；美國海軍的NAVAIR/APL項(xiàng)目，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域多學(xué)科的設(shè)計并行和協(xié)同，形成了協(xié)同虛擬樣機(jī)技術(shù)；當(dāng)然最為熟悉的是，美國波音飛機(jī)公司的波音777飛機(jī)是世界上首家以無圖紙方式研發(fā)并制造的飛機(jī)。

綜上，從產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計到工程咨詢，虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用無處不在。

2 虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，虛擬樣機(jī)技術(shù)在我國正被引起重視，但在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計開發(fā)上的應(yīng)用還不是很普遍。今后，應(yīng)該進(jìn)一步加強(qiáng)虛擬樣機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計開發(fā)中的推廣應(yīng)用，增強(qiáng)我國農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)能力。

2.2 農(nóng)業(yè)機(jī)械虛擬研究的必要性

由于我國多樣性的地形和作物以及農(nóng)業(yè)機(jī)械對季節(jié)性的高要求，決定了農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計研發(fā)過程周期長，成本高，加上有些理論的分析和綜合計算過程復(fù)雜，計算量相當(dāng)大，農(nóng)業(yè)機(jī)械的研制存在較大的困難。而傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計對于相對復(fù)雜的機(jī)構(gòu)分析和綜合問題，往往借助于作圖法和經(jīng)驗(yàn)的拼湊。由于這些原因，傳統(tǒng)的理論分析，很多只是定性地說明問題，缺乏精確的計算和驗(yàn)證。同時，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中很多設(shè)計參數(shù)靠設(shè)計人員的經(jīng)驗(yàn)決定，并且常常只是對產(chǎn)品進(jìn)行靜態(tài)分析而不注重動態(tài)特征分析，這些都嚴(yán)重制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提高。

2.3 農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵部件虛擬研究的意義

對農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行虛擬研究可克服傳統(tǒng)物理樣機(jī)設(shè)計中的不足之處，可降低成本，提高效益，實(shí)現(xiàn)信息資源共享等。同時，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵部件的虛擬研究具有如下意義：①對農(nóng)業(yè)機(jī)械關(guān)鍵部件的工作性能好壞嚴(yán)重影響到整機(jī)的工作性能。利用虛擬樣機(jī)對其關(guān)鍵部件的參數(shù)進(jìn)行動態(tài)仿真分析，并進(jìn)行有效結(jié)構(gòu)優(yōu)化是必要的；②利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，對農(nóng)業(yè)機(jī)械的關(guān)鍵部件進(jìn)行動力學(xué)仿真研究，可以在較短的時間內(nèi)，以較小的成本分析確定影響整機(jī)工作性能的主要因素。

3 結(jié)束語

根據(jù)農(nóng)藝要求，利用虛擬樣機(jī)創(chuàng)新性地設(shè)計制作農(nóng)業(yè)機(jī)械，并嘗試?yán)孟嚓P(guān)CAD技術(shù)對關(guān)鍵機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化、二維草圖設(shè)計、三維建模、虛擬樣機(jī)仿真和有限元強(qiáng)度分析。通過虛擬樣機(jī)的制作及相關(guān)CAD技術(shù)的使用，對農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行不斷改進(jìn)，最后設(shè)計出結(jié)構(gòu)簡單、工作性能可靠、成本可行的農(nóng)業(yè)機(jī)械，這為物理樣機(jī)的制造及其使用提供了理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

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徐金蘇（1983-），女，浙江臺州，工學(xué)碩士，機(jī)構(gòu)學(xué)與機(jī)械動力學(xué)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.056