虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

王臘苗

摘 要：機(jī)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(huì)經(jīng)濟(jì)的騰飛發(fā)展，行業(yè)內(nèi)部的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。新產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)作為競(jìng)爭(zhēng)的核心內(nèi)容，虛擬樣機(jī)技術(shù)的產(chǎn)生，推動(dòng)了新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的速度，同時(shí)降低了設(shè)計(jì)成本，縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力[1]。

關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)技術(shù)；仿真；發(fā)展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.021

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)概述

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種新產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)，設(shè)計(jì)師可以利用CAD/CAE以及二次開發(fā)軟件在計(jì)算機(jī)上建立產(chǎn)品機(jī)械系統(tǒng)的三維實(shí)體模型和力學(xué)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(yīng)用模擬分析在真實(shí)環(huán)境下對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析。為物理樣機(jī)提供有力的參數(shù)依據(jù)。借助于這項(xiàng)技術(shù)，它能夠反映新產(chǎn)品的各項(xiàng)特性，包括外觀、功能以及運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性[1]。虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)制造業(yè)產(chǎn)生了巨大沖擊。

2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

虛擬樣機(jī)技術(shù)起源于上世紀(jì)80年代，最早應(yīng)用在軍事、航天部門[3]。近年來，虛擬樣機(jī)技術(shù)被應(yīng)用到更廣泛的領(lǐng)域，如汽車制造、飛機(jī)制造、印刷機(jī)制造、農(nóng)業(yè)機(jī)械制造等。美國、日本等國家先后在汽車、飛機(jī)、數(shù)字化機(jī)車、火星探測(cè)器、反鏟裝載機(jī)以及虛擬廚房設(shè)備系統(tǒng)中采用虛擬樣機(jī)技術(shù)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(shù)大學(xué)、武漢理工大學(xué)、西北機(jī)電研究所、等在采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)和刨煤機(jī)的剛?cè)狁詈夏Ｐ汀⒋闷鹬貦C(jī)、發(fā)射藥協(xié)調(diào)器等的設(shè)計(jì)研發(fā)中運(yùn)用了虛擬樣機(jī)技術(shù)[4]。虛擬樣機(jī)技術(shù)在我國起步較晚，關(guān)鍵技術(shù)還在進(jìn)一步拓展階段

3 虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)

利用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)新產(chǎn)品，首先要確立設(shè)計(jì)方案、分析機(jī)構(gòu)原理，繪制機(jī)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(shù)和方案，制造物理樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，通過暴漏出的缺陷與弊端，提出改進(jìn)方案，重新設(shè)計(jì)并制造物理樣機(jī)，再試運(yùn)行。整個(gè)過程持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，任務(wù)繁重，成本高。虛擬樣機(jī)技術(shù)在制造物理樣機(jī)之前，通過模型的仿真分析，在計(jì)算機(jī)虛擬環(huán)境下模擬產(chǎn)品運(yùn)行的真實(shí)環(huán)境，觀察機(jī)構(gòu)各部分的運(yùn)動(dòng)，通過數(shù)字和圖表顯示系統(tǒng)缺陷，在虛擬樣機(jī)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(jī)技術(shù)具有很大的優(yōu)勢(shì)。包括以下幾個(gè)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(yùn)行的真實(shí)環(huán)境，為物理樣機(jī)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(dá)到系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。（4）與傳統(tǒng)的仿真軟件相比，應(yīng)用領(lǐng)域更加廣泛，對(duì)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(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一種新興的設(shè)計(jì)理念，使復(fù)雜的設(shè)計(jì)程序簡(jiǎn)單化。本文以農(nóng)業(yè)耕作機(jī)械小型旋耕機(jī)為例，闡述虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用。小型旋耕機(jī)的虛擬樣機(jī)的建立主要要涉及Solidworks和Adams兩個(gè)軟件。旋耕機(jī)的設(shè)計(jì)分為三維建模，動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)三個(gè)階段。 第一階段，利用Solidworks初步建立旋耕機(jī)的結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)圖（圖3，其中1齒輪箱、2主梁、3傳動(dòng)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(gè)零件的三維實(shí)體圖（圖4）[6]，并裝配。第二階段，將文件另存為parasolid（.x_t）格式，導(dǎo)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(dòng)力，創(chuàng)建與旋耕機(jī)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境一致的虛擬環(huán)境，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。第三階段，通過仿真獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，評(píng)估旋耕機(jī)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣性，對(duì)存在的不足之處及時(shí)優(yōu)化改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]熊光楞.虛擬樣機(jī)技術(shù)[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2001（01）.

[2]席俊杰.虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化，2006（11）.

[3]彭立彬.虛擬樣機(jī)在防空武器研發(fā)中的應(yīng)用[J].飛航導(dǎo)彈，2005（08）.

[4]徐蕾.淺談虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（03）.

[5]祖旭.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其發(fā)展[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2004（02）.

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

[7]王凱湛.虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)上的應(yīng)用和發(fā)展[J].農(nóng)機(jī)化研究，2008（04）.endprint