仿真技術(shù)在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

王保愛

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

1 仿真技術(shù)的介紹

仿真技術(shù)一般又稱為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，仿真技術(shù)就是為了適于對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)技術(shù)要求，利用設(shè)計(jì)好的軟件，進(jìn)行計(jì)算機(jī)形象的模仿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，并利用計(jì)算程序通過組合 給原動(dòng)件加以動(dòng)力，再給各個(gè)零件賦上不同的材質(zhì)參數(shù)，則整個(gè)機(jī)構(gòu)就可以按預(yù)定的方式運(yùn)動(dòng)，這種技術(shù)就稱為仿真技術(shù)。這種技術(shù)綜合了計(jì)算機(jī)三維圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多傳感交互技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種高新技術(shù)的成果，仿真技術(shù)主要體現(xiàn)在仿真的軟件的應(yīng)用上，首先在三維造型軟件上現(xiàn)在運(yùn)用比較廣泛的有MDT、UG Pro/ENGINEER、SolidWorks、SolidEdge等；在有限元分析軟件上主要有WorkingModel FEA ANSYS等；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析仿真軟件主要有ADAMS、WorkingModelMotion等；三維動(dòng)畫設(shè)計(jì)軟件主要有3D Studio MAX IPA等。三維設(shè)計(jì)軟件MDT是由美國(guó)Autodesk公司開發(fā)并研制的將高級(jí)三維建模功能和二維繪圖功能融于一體的集成軟件包，它含AutoCAD2000的全部功能，可創(chuàng)建零件的三維模型，也可使用三維零件創(chuàng)建二維工程圖，因此具有強(qiáng)大的三維立體建模和裝配功能。MSC Working knowledge所提供的 Working model系列軟件是對(duì)產(chǎn)品功能的設(shè)計(jì)、仿真、驗(yàn)證和優(yōu)化，仿真是個(gè)設(shè)計(jì)過程中的基本部分。ANSYS軟件是目前世界上最著名的幾大有限元分析軟件之一，他融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁及聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、造船、機(jī)械制造、能源及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域；3D Studio MAX軟件是由美國(guó)開發(fā)的世界上最著名的三維動(dòng)畫軟件之一。

2 仿真技術(shù)的在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中的重要意義

隨著科技水平的不斷提高和機(jī)械運(yùn)行環(huán)境的復(fù)雜程度越來越高，對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)與開發(fā)技術(shù)的要求也是越來越高。由于機(jī)械工作環(huán)境的復(fù)雜性很難對(duì)其模仿，在機(jī)械設(shè)計(jì)之前很難對(duì)系統(tǒng)做出合適的評(píng)估，所以需要通過計(jì)算機(jī)的仿真在對(duì)機(jī)械部件和系統(tǒng)加工前對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)方案以及各類傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，之后進(jìn)行綜合分析從而對(duì)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行判斷找出不合適的設(shè)計(jì)從而能夠更快、更準(zhǔn)確、成本更低的找出改進(jìn)的方案。

在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方面，我國(guó)傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)很大一部分是憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行類比設(shè)計(jì)，一般只進(jìn)行靜態(tài)分析而不注重動(dòng)態(tài)特征的分析。但是隨著用戶需求多樣化、個(gè)性化和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈化，能否對(duì)市場(chǎng)做出迅速的響應(yīng)，生產(chǎn)出最大程度滿足顧客要求的高質(zhì)量低成本的產(chǎn)品是生產(chǎn)廠家要解決的問題，在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)方面縮短研發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械化的一個(gè)關(guān)鍵要素。同時(shí)，由于我國(guó)地形以及作物的多樣性，不同的作物需要不同的機(jī)械，同一作物在不同生長(zhǎng)階段也需要不同的機(jī)械，甚至同一作物在不同的地域、氣候等條件下對(duì)機(jī)械的要求也不盡相同。因此，需要為每一特定的情況制造出與之相適應(yīng)的機(jī)械。因?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械的試驗(yàn)季節(jié)性強(qiáng)，開發(fā)周期長(zhǎng)，如果用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)模式，這無疑是一項(xiàng)巨大的工程。而使用仿真技術(shù)可以解決上述兩個(gè)問題。

在農(nóng)業(yè)設(shè)計(jì)上，軟件的作用主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①設(shè)計(jì)人員可利三維設(shè)計(jì)軟件 MDT構(gòu)思和設(shè)計(jì)自己的機(jī)械，創(chuàng)建各種復(fù)雜的表面，還可以利用曲面在零件上增減材料來創(chuàng)建模型，這樣就解決了農(nóng)業(yè)機(jī)械中不規(guī)則曲面設(shè)計(jì)的難題；②3D Studio MAX可以使農(nóng)業(yè)機(jī)械的運(yùn)轉(zhuǎn)過程形成真實(shí)的動(dòng)畫文件；③MSC Working knowledge的仿真技術(shù)與可視化處理及協(xié)同工作融為一體，可以為設(shè)計(jì)提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本，縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間提供了非常有效的途徑；④ANSYS軟件也可以大大提高設(shè)計(jì)的效率。這些軟件是基于計(jì)算機(jī)的農(nóng)業(yè)機(jī)械的設(shè)計(jì)，主要是利用計(jì)算機(jī)來生成零件或整機(jī)的二維或三維圖形，也即是傳統(tǒng)意義上的 CAD建模。

3 農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的仿真的基本過程

農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的仿真基本過程是三維實(shí)體造型和三維實(shí)體模型的利用。文章將對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行一些基本的介紹，并結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)進(jìn)步，進(jìn)一步分析三維實(shí)體造型和模型的利用后，提出一些改進(jìn)型的措施。

（1）三維實(shí)體造型方面，利用基于 WINDOWS操作平臺(tái)的如 MDT SolidegeSolidwork三維實(shí)體造型軟件，這些軟件的基本建模思想都是一致的，由簡(jiǎn)單的草圖通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和蒙皮等而得到三維實(shí)體，進(jìn)一步得到這些實(shí)體構(gòu)成各種各樣的機(jī)械零件，零件在裝配模塊中裝配成機(jī)械裝置，得到與實(shí)際機(jī)械1：1尺寸的計(jì)算機(jī)模型。文章以1GT 210型植被破碎機(jī)減速箱蓋的設(shè)計(jì)為例，對(duì) MDT在農(nóng)業(yè)機(jī)械三維造型技術(shù)中的應(yīng)用加以闡述。具體設(shè)計(jì)的過程如下：①首先繪制二維草圖拉伸 15mm得到實(shí)體完成了蓋板三維實(shí)體圖繪制；②選擇蓋板的一面為坐標(biāo)平面后繪制4個(gè)圓拉伸15mm得到 4個(gè)圓柱型凸起。③用與拉伸相反的挖削實(shí)體特征工具做4個(gè)圓的草圖，挖通孔得到軸承端蓋孔；④根據(jù)加強(qiáng)筋和突臺(tái)的截面形狀及相關(guān)尺寸繪制二維草圖，選擇適合的草圖平面，拉伸得到加強(qiáng)筋及突臺(tái)；第五，選擇合適的尺寸及形狀用打孔工具在指定位置打一個(gè)孔，然后用特征陣列得到其它各螺栓孔，其他三個(gè)孔用相同的方法來做；⑤在蓋板周圍以要求的距離間隔用打孔工具選擇合適的孔徑及形狀打螺栓孔。這樣就基本完成了減速箱上箱蓋的三維實(shí)體模型，在用渲染工具進(jìn)行渲染。除了上述的建模之外，現(xiàn)代的建模還有功能建模、知識(shí)建模、行為建模，這些建模都可以大大提高工作效率，除了上述的建模軟件之外，還有pro/E、UG 等。

（2）在完成三維實(shí)體造型之后，還要利用三維實(shí)體模型進(jìn)行進(jìn)一步的分析，以完善三維實(shí)體的利用。①工程圖的構(gòu)造。要在任意方向上的觀察三維實(shí)體模型，看其是否滿足設(shè)計(jì)與使用要求，如果滿足了設(shè)計(jì)要求，則可以直接利用軟件進(jìn)行任意位置剖視圖或者三視圖，以滿足設(shè)計(jì)的需要；②裝配檢測(cè)，又稱為虛擬裝配?，F(xiàn)代的軟件一個(gè)非常大的好處就是可以利用軟件考慮零件的加工工藝、直接觀測(cè)到所設(shè)計(jì)的零部件間的裝配關(guān)系及整機(jī)的布局，以減少通過實(shí)體試驗(yàn)的方式與方法，節(jié)省了時(shí)間和物力、人力；③數(shù)控加工，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是在設(shè)計(jì)好的零部件的數(shù)據(jù)送到加工中心，在仿真中可以在正式加工之前借助 CAM 軟件進(jìn)行機(jī)械制造仿真，減少加工時(shí)產(chǎn)生干涉等不正常現(xiàn)象，還可以對(duì)各部件之間進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查；④生成整機(jī)動(dòng)畫圖像。將所設(shè)計(jì)的三維實(shí)體模型與3DMAX IPA等軟件結(jié)合就可以生產(chǎn)十分逼真的機(jī)器設(shè)備，而且可以通過軟件調(diào)整各種設(shè)計(jì)元素；⑤在完成了設(shè)計(jì)仿真之后，還要運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真。使用動(dòng)態(tài)仿真軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，得出各個(gè)點(diǎn)的如力、加速度、速度及位移等運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，以供今后分析之用，常用的運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件有 ADAMS、DADS、SIMPACK 等；⑥最后一步，就是利用有限元分析軟件進(jìn)行對(duì)機(jī)器的應(yīng)力、振動(dòng)以及屈曲、撓度等有限元的分析，優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)中的力學(xué)和材料的參數(shù)，達(dá)到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)目的；⑦在仿真設(shè)計(jì)之后，還要與物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比分析，如果兩者的結(jié)果一致，則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，這個(gè)過程是把虛擬樣機(jī)和虛擬環(huán)境結(jié)合，把虛擬樣機(jī)導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中建立人機(jī)交互的模擬程式得出對(duì)虛擬樣機(jī)的認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)，這一步也是在當(dāng)前科技發(fā)展的結(jié)果，建立人機(jī)交互的模擬程式的軟件有 EON Studio、VRML、WTK 等，其中EON Studio與 WTKT和 VRML比較它的編程工作量要少，用可視化節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)實(shí)體的行為功能和人機(jī)交互，比較容易掌握。

4 結(jié)語

當(dāng)前基于仿真技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)尤其是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的人機(jī)交互這一技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)上的應(yīng)用還很少，基于仿真技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)一門多學(xué)科融合的交叉技術(shù)和前沿科學(xué)領(lǐng)域，要實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)的仿真的應(yīng)用，首先是要有強(qiáng)大的軟件的支撐和完善的計(jì)算機(jī)、試驗(yàn)設(shè)備作為保障才能夠完成。農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)部門也要及時(shí)突破傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，不斷更新設(shè)計(jì)的思維、學(xué)習(xí)先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法才能夠真正掌握好仿真設(shè)計(jì)的技術(shù)。

[1]鄒湘軍，孫健，何漢武，等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的演變發(fā)展與展望[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2004，（9）.

[2]王志華，陳翠英.基于ADAMS的聯(lián)合收割機(jī)振動(dòng)篩虛擬設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2003，（4）.