農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

摘要：

現(xiàn)如今有—種先進(jìn)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法叫做虛擬樣機(jī)技術(shù)，它對(duì)農(nóng)機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)有重要的作用，開(kāi)辟了一條新的發(fā)展道路。本文講述了虛擬樣技術(shù)的特點(diǎn)以及其概念內(nèi)容，并且聯(lián)系農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的相關(guān)內(nèi)容，研究了一下如何在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中加入虛擬樣機(jī)技術(shù)。又介紹了現(xiàn)在一些在農(nóng)業(yè)機(jī)械中的虛擬樣機(jī)技術(shù)，提出了一種聯(lián)合仿真的方案。最后分析了虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的發(fā)展前景，展望了虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)上的發(fā)展方向。

農(nóng)業(yè)機(jī)械化是我國(guó)建設(shè)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的必由之路，農(nóng)業(yè)機(jī)械要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化需要先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械，好的產(chǎn)品需要先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和方法，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，機(jī)械設(shè)計(jì)方法和理念發(fā)生著巨大的轉(zhuǎn)變，過(guò)去靠筆和紙繪圖設(shè)計(jì)機(jī)械的過(guò)程：用紙筆設(shè)計(jì)、做模型、生產(chǎn)樣機(jī)、反復(fù)試驗(yàn)、修改設(shè)計(jì)、定型后生產(chǎn)成品，如此的設(shè)計(jì)制造過(guò)程的規(guī)律正在改變，農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)緊跟其后，先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想理念正在不斷的應(yīng)用和實(shí)施，目前多種現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法論正被采用。如技術(shù)預(yù)測(cè)法、創(chuàng)造性設(shè)計(jì)法、系統(tǒng)設(shè)計(jì)法信號(hào)分析法、相似設(shè)計(jì)法、模糊設(shè)計(jì)法、動(dòng)態(tài)分析設(shè)計(jì)法、有限元和邊界元分析設(shè)計(jì)法、優(yōu)化設(shè)計(jì)法、可靠性設(shè)計(jì)法、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD法和藝術(shù)造型設(shè)計(jì)法。這些方法為我國(guó)的農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造快速發(fā)展，起到了十分重要的作用，為我國(guó)在2012年成為世界的農(nóng)機(jī)制造大國(guó)，起到了技術(shù)支撐和保障。

1.對(duì)虛擬樣機(jī)的認(rèn)識(shí)

1.1虛擬樣機(jī)的概念

在機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)的過(guò)程中，機(jī)械設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，是進(jìn)行機(jī)械生產(chǎn)的前提和基礎(chǔ)，并且決定了機(jī)械性能的高低?？茖W(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的過(guò)程中，各種試驗(yàn)方法也隨之得到迅速的發(fā)展，新興的學(xué)科、技術(shù)不斷地涌現(xiàn)出來(lái)，各學(xué)科之間開(kāi)始進(jìn)行交叉、融合。而虛擬樣機(jī)技術(shù)就是在這種技術(shù)背景下發(fā)展起來(lái)的試驗(yàn)手段。虛擬樣機(jī)技術(shù)也可以稱(chēng)之為機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，它是指機(jī)械設(shè)計(jì)師在計(jì)算機(jī)上設(shè)計(jì)出樣機(jī)模型，然后針對(duì)模型作出各種動(dòng)態(tài)性能的分析，將傳統(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)試驗(yàn)利用數(shù)字形式取而代之，然后針對(duì)性能欠缺的地方作出改進(jìn)，對(duì)設(shè)計(jì)方案作進(jìn)一步優(yōu)化，最終設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的機(jī)械產(chǎn)品。

1.2虛擬樣機(jī)的優(yōu)勢(shì)

和傳統(tǒng)的物理樣機(jī)設(shè)計(jì)方法相比，虛擬樣機(jī)技術(shù)具有明顯的優(yōu)越性，其具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①就虛擬樣機(jī)技術(shù)的本質(zhì)而言，其屬于模擬仿真技術(shù)的范疇，因此與多體運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)建模理論及技術(shù)實(shí)現(xiàn)等多個(gè)領(lǐng)域均有密切的相關(guān)性，是一項(xiàng)以先進(jìn)的建模技術(shù)、信息管理技術(shù)、仿真技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和交互式用戶(hù)界面介紹為基礎(chǔ)的綜合性應(yīng)用技術(shù)。②虛擬樣機(jī)具備智能性的特點(diǎn)，因此可以實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)它是起到輔助設(shè)計(jì)的作用，而非由計(jì)算機(jī)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)做出程式化的分析。③盡管虛擬樣機(jī)是虛擬的，但是在功能方面和物理樣機(jī)的作用并沒(méi)有太大差別，它在特定的范圍內(nèi)和物理樣機(jī)的功能是相似的，因此利用該技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)的真實(shí)度具備可信性。④虛擬樣機(jī)技術(shù)通過(guò)相關(guān)的分析軟件，與機(jī)械設(shè)計(jì)的知識(shí)相結(jié)合，對(duì)虛擬模型進(jìn)行分析就可以對(duì)產(chǎn)品的性能作出預(yù)測(cè)，為產(chǎn)品的進(jìn)一步優(yōu)化提供可靠依據(jù)。

2.虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中應(yīng)用現(xiàn)狀特點(diǎn)

2.1農(nóng)機(jī)企業(yè)發(fā)展存在滯后性虛擬樣機(jī)技術(shù)

依托計(jì)算機(jī)技術(shù)而存在和發(fā)展，因此我國(guó)的農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)行業(yè)計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用相對(duì)于其他如航空和汽車(chē)等設(shè)計(jì)制造業(yè)有一定的滯后性，原因有以下幾點(diǎn)：由于行業(yè)的資金實(shí)力不夠，農(nóng)業(yè)機(jī)械類(lèi)院校發(fā)展重視不夠，學(xué)習(xí)農(nóng)業(yè)機(jī)械專(zhuān)業(yè)的積極性不高，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機(jī)械專(zhuān)業(yè)院校投入不足、發(fā)展緩慢，因而高技術(shù)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)人才規(guī)模小，農(nóng)機(jī)企業(yè)的銷(xiāo)售方式單一，銷(xiāo)售量及利潤(rùn)低，技術(shù)人員待遇低，導(dǎo)致企業(yè)壯大困難，缺少足夠的資金投入研發(fā)，引進(jìn)、留住人才困難。農(nóng)機(jī)企業(yè)上市較少，目前一拖股份，吉峰農(nóng)機(jī)等十余家上市公司，很多農(nóng)機(jī)企業(yè)還是作坊式企業(yè)，科研和先進(jìn)制造技術(shù)運(yùn)用較少。因此制約了虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用和推廣實(shí)踐。

2.2在農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備中的應(yīng)用

在高校研究機(jī)構(gòu)中逐漸形成團(tuán)隊(duì)化，對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備的研究成果轉(zhuǎn)化步伐加快。如中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣西大學(xué)，分別在不同的應(yīng)用方向取得了顯著的效果，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)首次把虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械手的研究中，并相繼開(kāi)展機(jī)械手在水稻拋秧機(jī)和水果采摘機(jī)器人等方面的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了整體設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化：廣西大學(xué)對(duì)甘蔗收獲機(jī)整機(jī)及關(guān)鍵部件的虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行了一系列連續(xù)深入的研究后，建立了基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）的甘蔗收獲機(jī)可視化虛擬設(shè)計(jì)平臺(tái)，涉及整個(gè)產(chǎn)品生命周期的描述、控制和管理，基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的農(nóng)業(yè)機(jī)械裝備正逐漸從對(duì)虛擬樣機(jī)模型的理論研究指導(dǎo)物理樣機(jī)試制階段發(fā)展到產(chǎn)品化生產(chǎn)階段，并取得了一定的經(jīng)濟(jì)效益。

3.虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的助推作用

隨著我國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程加快，應(yīng)用的科研機(jī)構(gòu)、企業(yè)不斷增多，領(lǐng)域日益廣泛，正是由于科研機(jī)構(gòu)的應(yīng)用，培養(yǎng)出了大量的相關(guān)技術(shù)人才，企業(yè)的實(shí)踐已不再限于實(shí)驗(yàn)室。我國(guó)近幾年農(nóng)機(jī)企業(yè)和研發(fā)機(jī)構(gòu)發(fā)展也在提速，國(guó)家的農(nóng)機(jī)補(bǔ)貼政策落實(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度減少，我國(guó)社會(huì)財(cái)富積累增加，使農(nóng)機(jī)的購(gòu)買(mǎi)力增強(qiáng)：航空、汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展帶動(dòng)，給農(nóng)機(jī)企業(yè)的擴(kuò)張?zhí)峁┝藙?dòng)力：企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)加劇，因此運(yùn)用新技術(shù)新工藝的欲望和可行性也在提升，這推動(dòng)了虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用和推廣。這種推動(dòng)作用會(huì)促使農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造更快更好的發(fā)展，由我國(guó)現(xiàn)階段的農(nóng)機(jī)制造大國(guó)成為農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)早日變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，真正實(shí)現(xiàn)農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)制造的現(xiàn)代化。推動(dòng)作用會(huì)使農(nóng)機(jī)的設(shè)計(jì)呈現(xiàn)以下特點(diǎn)：①發(fā)展和創(chuàng)新設(shè)計(jì)速度更快：②規(guī)模增大，應(yīng)用程度更深：③由單個(gè)的設(shè)計(jì)變?yōu)槎鄠€(gè)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行的協(xié)同設(shè)計(jì)：④單機(jī)的模擬仿真變?yōu)槎鄼C(jī)的系統(tǒng)仿真：

4.結(jié)束語(yǔ)，綜上所述，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛了，虛擬樣機(jī)技術(shù)作為新興的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法，融合了面向?qū)ο蠹夹g(shù)、多體動(dòng)力學(xué)理論和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等許多先進(jìn)的方法。隨著我國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化水平的提高，各種大型復(fù)雜聯(lián)合機(jī)械需求的增加，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研發(fā)步伐的加快，虛擬樣機(jī)技術(shù)將在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)研發(fā)中扮演越來(lái)越重要的角色。