簡析機(jī)械設(shè)計(jì)中虛擬樣機(jī)技術(shù)的有效應(yīng)用

楊紀(jì)永

【摘 要】與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)一種全新的智能化產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)，通過進(jìn)行仿真分析，用圖形的方式顯示出該系統(tǒng)在實(shí)踐過程中所具有的各種特性和缺陷，修改設(shè)計(jì)并得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。本文通過對虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念、特點(diǎn)以及主要的軟件技術(shù)進(jìn)行分析，說明了虛擬樣機(jī)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的諸多有效應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械設(shè)計(jì)；虛擬樣機(jī)技術(shù)；有效應(yīng)用

隨著科技的不斷進(jìn)步，虛擬樣機(jī)技術(shù)已然成為一種機(jī)械設(shè)計(jì)中必要的技術(shù)，不僅是計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用，更是一種全新的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種在建造物理樣機(jī)前，設(shè)計(jì)師先通過利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化模型，簡化復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量等方面有重要突破。一方面，它可以通過對虛擬樣機(jī)的測試，從產(chǎn)品多種設(shè)計(jì)方案中評估出最優(yōu)方案，并不斷改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，直到獲得最優(yōu)的整機(jī)性能。另一方面，運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)，即可以快速地建立包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)在內(nèi)的多體動力學(xué)虛擬樣機(jī)，并在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。通過仿真分析，用圖形的方式顯示出該系統(tǒng)在實(shí)踐過程中所具有的各種特性和缺陷，修改設(shè)計(jì)并得到最優(yōu)設(shè)計(jì)方案的技術(shù)。這不僅降低了研發(fā)成本，而且也無需浪費(fèi)大量的人力、物力來生產(chǎn)出具有缺陷的樣機(jī)，有效的促進(jìn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1.虛擬樣機(jī)技術(shù)簡介

1.1虛擬樣機(jī)技術(shù)概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，試驗(yàn)手段的加強(qiáng)，以及新興學(xué)科和技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，乃至學(xué)科之間的交叉與綜合，使得原有的生產(chǎn)方法適應(yīng)不了當(dāng)今瞬息萬變的時(shí)代發(fā)展大潮。機(jī)械設(shè)計(jì)是機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)過程中的一個(gè)重要組成部分，是機(jī)械生產(chǎn)的第一步，同時(shí)還是決定機(jī)械性能的最主要因素。與傳統(tǒng)的開發(fā)物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)方法相比，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)開發(fā)虛擬產(chǎn)品具有很大的優(yōu)越性。虛擬樣機(jī)在對產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)、測試和評估等方面可以代替物理樣機(jī)，由此，不僅可以縮短開發(fā)周期，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量，還能節(jié)約研發(fā)成本。機(jī)械工程中的虛擬樣機(jī)技術(shù)又可以稱為機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)。

仿真技術(shù)，是國際上20世紀(jì)80年代隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）技術(shù)。機(jī)械工程師在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)樣機(jī)模型，并對模型進(jìn)行各種動態(tài)性能分析，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)，然后改進(jìn)樣機(jī)性能欠缺的地方，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，進(jìn)而生產(chǎn)出最優(yōu)的機(jī)械產(chǎn)品。

1.2虛擬樣機(jī)技術(shù)的優(yōu)越性

本質(zhì)上，虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種模擬仿真技術(shù)，涉及到多體系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)等方面，是在先進(jìn)的建模技術(shù)、信息管理技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、交互式用戶界面介紹和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)上的綜合應(yīng)用技術(shù)。虛擬樣機(jī)其實(shí)就是實(shí)際產(chǎn)品在計(jì)算機(jī)上顯現(xiàn)出的模型，又稱為數(shù)字化樣機(jī)。虛擬樣機(jī)的智能性是實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互的一種機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)，是計(jì)算機(jī)輔助工程師進(jìn)行設(shè)計(jì)，而不是完全由計(jì)算機(jī)程式化的進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析。虛擬樣機(jī)并不會因其虛擬性而在功能方面與物力樣機(jī)存在差距，而是在一定程度上擁有與物力樣機(jī)相似的功能，其檢測的真實(shí)度具有可信性。利用相關(guān)分析軟件，結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)等方面知識，可通過分析產(chǎn)品虛擬模型，預(yù)測產(chǎn)品性能，包括運(yùn)動學(xué)特性、動力學(xué)特性、強(qiáng)度分析、疲勞壽命等，為優(yōu)化產(chǎn)品提供依據(jù)。

2.虛擬樣機(jī)技術(shù)相關(guān)軟件

2.1 Pro/Engineer（Pro/E）

三維建模工具的出現(xiàn)和應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和過程。相比二維繪圖軟件，三維建模工具所獨(dú)具的優(yōu)點(diǎn)使得其正越來越多地得到應(yīng)用。就目前市場上存在的三維建模軟件來說，Pro/E軟件，尤其是第三代產(chǎn)品Pro/E wildfire版本，其所具有的強(qiáng)大的參數(shù)化特征造型功能（現(xiàn)代CAD技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向）而受到企業(yè)界的一致認(rèn)同。通過Pro/E 設(shè)計(jì)出來的與物理樣機(jī)完全相同的虛擬樣機(jī)，其零部件之間的裝配和嵌合一目了然，而且通過它的運(yùn)動仿真分析功能可以把設(shè)計(jì)錯(cuò)誤消滅在設(shè)計(jì)的初始階段，還可以簡化復(fù)雜的設(shè)計(jì)工作，把設(shè)計(jì)人員從繁瑣的工作中解放出來，使設(shè)計(jì)人員把精力放在機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和創(chuàng)新上。

2.2 ADAMS

虛擬樣機(jī)技術(shù)的典型應(yīng)用軟件是ADAMS軟件。ADAMS是美國Mechanical Dynamics Inc公司開發(fā)的虛擬樣機(jī)分析軟件，使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS一方面是虛擬樣機(jī)分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運(yùn)用該軟件非常方便地對虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析。另外，又是虛擬樣機(jī)分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進(jìn)行特殊類型虛擬樣機(jī)分析的二次開發(fā)工具平臺。

3.機(jī)械設(shè)計(jì)過程中虛擬樣機(jī)的應(yīng)用

設(shè)計(jì)初期直接在計(jì)算機(jī)環(huán)境中創(chuàng)建虛擬樣機(jī)，并進(jìn)行各項(xiàng)仿真實(shí)驗(yàn)和分析，如此不僅可以使機(jī)械的結(jié)構(gòu)和功能得到模擬，還能檢測出機(jī)械產(chǎn)品的缺陷，使缺陷在最初的設(shè)計(jì)階段就能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與完善同步進(jìn)行。虛擬樣機(jī)技術(shù)的興起，不僅使復(fù)雜的機(jī)械設(shè)計(jì)工序簡單化，也為機(jī)械設(shè)計(jì)提供了全新的設(shè)計(jì)理念。本文將以機(jī)械中的減速器為例闡述虛擬樣機(jī)給機(jī)械設(shè)計(jì)帶來的巨大作用。減速器主要涉及到ADAMS和Pro/Engineer兩種軟件。設(shè)計(jì)者可以使用虛擬樣機(jī)技術(shù)，通過三維建模、動力學(xué)仿真分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)等三個(gè)過程，研究零部件參數(shù)對減速器性能的影響并對測試結(jié)果進(jìn)行分析，依照分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計(jì)。在建模過程中，設(shè)計(jì)者首先應(yīng)用Pro/E軟件建立減速器的帶有質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等物理特征的各個(gè)部件，并裝配好零部件。減速器Pro/E模型建立以后，利用IGES接口輸?shù)饺雽?shí)體模型ADAMS軟件中，添加相應(yīng)的約束與驅(qū)動后，設(shè)置仿真平臺相應(yīng)的輸入輸出參數(shù)，即可進(jìn)行減速器動力學(xué)性能參數(shù)的分析與求解。在仿真的基礎(chǔ)上就可以得到相關(guān)的數(shù)據(jù)，分析后進(jìn)一步對所設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，進(jìn)而得到更為完善的減速器。由以上分析可以看出，ADAMS和Pro/Engineer軟件可以圖形的方式在計(jì)算機(jī)上顯示出減速器，很方便的幫助設(shè)計(jì)者評估出產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣，并能把虛擬樣機(jī)中存在的缺陷及時(shí)發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化。有了這些參數(shù)，我們就可以快速、準(zhǔn)確為完成物理樣機(jī)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

4.結(jié)束語

綜上所述，虛擬樣機(jī)技術(shù)是現(xiàn)階段產(chǎn)品設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程中一個(gè)重要技術(shù)之一，也必將成為本世紀(jì)機(jī)械領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的主流手段。虛擬樣機(jī)技術(shù)為復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提供了重要工具。在復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用虛擬樣機(jī)已經(jīng)成為一種趨勢，并可以縮短研發(fā)周期、降低產(chǎn)品研發(fā)成本，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量等。由于虛擬樣機(jī)技術(shù)具有如此多的優(yōu)勢，在今后的生產(chǎn)實(shí)踐中，虛擬樣機(jī)技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)發(fā)揮著重要的作用。因此，國內(nèi)各相關(guān)機(jī)構(gòu)應(yīng)加強(qiáng)對虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究力度，使產(chǎn)品更具市場競爭力，促進(jìn)國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。