虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

仙阿曼，李一鑫

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

仙阿曼，李一鑫

（咸陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，促進(jìn)了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，工程機(jī)械技術(shù)也在不斷發(fā)展，然而傳統(tǒng)的工程機(jī)械設(shè)計(jì)已經(jīng)無法滿足現(xiàn)代工程機(jī)械的發(fā)展需求，特別是現(xiàn)代工業(yè)對產(chǎn)品的需求和性能有了更高的要求，因此對設(shè)計(jì)人員有了更大的要求。樣機(jī)虛擬技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，文章主要闡述了樣機(jī)虛擬技術(shù)的原理、特點(diǎn)以及目前國外發(fā)展的情況。

樣機(jī)虛擬技術(shù)；工程機(jī)械領(lǐng)域；應(yīng)用

中國加入WTO以后，國外越來越多的工程機(jī)械產(chǎn)品涌入中國，造成工程機(jī)械產(chǎn)品市場的競爭日益激烈。企業(yè)為了搶占市場，往往需要不斷提高產(chǎn)品的質(zhì)量，縮短新產(chǎn)品研發(fā)的時間，降低研發(fā)的成本。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用在社會的各個領(lǐng)域，給人們生活帶來了翻天覆地的變化。模擬樣機(jī)就是基于計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上，以虛擬設(shè)計(jì)為現(xiàn)代工程機(jī)械領(lǐng)域設(shè)計(jì)的一種新的技術(shù)手段。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、分析、評估等各個環(huán)節(jié)，都能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品物理參數(shù)值不同設(shè)計(jì)，從而降低新產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險，縮短開發(fā)的時間。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一門涉及多個學(xué)科的技術(shù)，它以動力學(xué)、機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動學(xué)、控制離亂和有限元分析等技術(shù)為核心，利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)，將產(chǎn)品的各個部件設(shè)計(jì)、分析、研發(fā)等集成一體，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)計(jì)的數(shù)字模型，為工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研發(fā)和優(yōu)化等功能提供計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)的平臺，所以虛擬樣機(jī)也被稱為數(shù)字化樣機(jī)。它是一種全新的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)理念，與傳統(tǒng)的仿真技術(shù)相比，樣機(jī)虛擬技術(shù)具有兩個方面的優(yōu)勢：①傳統(tǒng)的仿真技術(shù)往往是針對產(chǎn)品的某一個子系統(tǒng)進(jìn)行仿真，而虛擬樣機(jī)技術(shù)更加強(qiáng)調(diào)對整個系統(tǒng)的優(yōu)化。通過對虛擬環(huán)境和虛擬征集的整合，通過多種方案對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析和評估，并不斷改進(jìn)和完善產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案，直到最終獲得一個產(chǎn)品最佳整體性能；②傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)、整機(jī)結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)等各個子系統(tǒng)都是獨(dú)立設(shè)計(jì)，是一個串行的過程，他們往往忽略了產(chǎn)品各個子系統(tǒng)的連接與交互，這樣的方式有一個非常大的弊端就是產(chǎn)品存在的問題往往到后期才發(fā)現(xiàn)，這就造成嚴(yán)重的浪費(fèi)。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)，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)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計(jì)，可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，把系統(tǒng)的測試分析作為整個產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的驅(qū)動。

2 虛擬樣機(jī)技術(shù)在工業(yè)機(jī)械的應(yīng)用

作為一種先進(jìn)的技術(shù)，虛擬樣機(jī)技術(shù)還處于發(fā)展階段。目前虛擬樣機(jī)技術(shù)已被在工業(yè)制造、航空航天、鐵道、工程機(jī)械、汽車制造、軍事裝備、造船、機(jī)械電子、娛樂設(shè)備等多個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。國外虛擬樣機(jī)技術(shù)在航空航天領(lǐng)域取得了重大突破，有很多成功的應(yīng)用例子。比如：飛船與空間飛行器的發(fā)射和對接，飛機(jī)起落架系統(tǒng)，空間系統(tǒng)的捕捉與對接，太陽帆板展開機(jī)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)等等。美國的波音公司采用VS-X虛擬飛機(jī)，飛行員可以通過頭盔、顯示器和數(shù)據(jù)手套進(jìn)行分析、管理和控制，從而讓飛機(jī)設(shè)計(jì)人員能夠身臨其境地感受飛機(jī)設(shè)計(jì)情況，從而不斷完

善飛機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和外觀設(shè)計(jì)，將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用在整機(jī)設(shè)計(jì)、部件測試、各種飛行環(huán)境試飛等各個環(huán)節(jié)，使得飛機(jī)的研發(fā)時間原來是八年時間縮短到五年。此外虛擬樣機(jī)技術(shù)在軍備制作方面也取得比較突出的成就：比如在武器裝填與發(fā)射系統(tǒng)仿真，目標(biāo)跟蹤系統(tǒng)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，履帶式和輪式車輛仿真，坦克行駛穩(wěn)定性優(yōu)化與炮塔控制等方面。在機(jī)械方面，虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)器人、工業(yè)機(jī)床、紡織機(jī)械、包裝機(jī)械等生產(chǎn)機(jī)械領(lǐng)域也有應(yīng)用。目前我們國家在虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用這一塊還處于起步階段，還沒有進(jìn)行全面系統(tǒng)的發(fā)展和研究。這對企業(yè)也是一個巨大的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)，隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，它必然給現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展帶來巨大的變化，它也會成為未來工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)新模式，企業(yè)如果抓住這個機(jī)會，未來能最先搶占市場，提高企業(yè)競爭力。

3 虛擬樣機(jī)技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域的發(fā)展前景

虛擬樣機(jī)技術(shù)使工業(yè)產(chǎn)品擺脫了對物理樣機(jī)的依賴，是一種全新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)和研發(fā)模式，在工程領(lǐng)域的迅速發(fā)展，未來將給工業(yè)機(jī)械企業(yè)帶來重大的影響和變革。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，未來虛擬樣機(jī)技術(shù)將在這些方面的變革：第一，虛擬樣機(jī)技術(shù)大大縮短了產(chǎn)品研發(fā)周期，產(chǎn)品更新?lián)Q代越來越快，企業(yè)的生產(chǎn)效率大大提高了，那么產(chǎn)品競爭也越來越激烈，未來企業(yè)之間的競爭體現(xiàn)誰的產(chǎn)品更新?lián)Q代更快。第二，虛擬樣機(jī)技術(shù)將可能實(shí)現(xiàn)虛擬產(chǎn)品的銷售，企業(yè)可以通過虛擬樣機(jī)先找到客戶，然后再進(jìn)行生產(chǎn)。因此企業(yè)在產(chǎn)品制造和市場競爭方面更具靈活性。第三，促使企業(yè)建立動態(tài)聯(lián)盟。產(chǎn)品的數(shù)字化使企業(yè)能夠通過Internet進(jìn)行產(chǎn)品信息的快速交流，進(jìn)行有效的資源整合，將具有開發(fā)某種新產(chǎn)品所需的知識和技術(shù)的企業(yè)組織聚集起來，形成一個臨時的企業(yè)聯(lián)盟，不僅能提高產(chǎn)業(yè)整體競爭力，而且能夠進(jìn)一步促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級改造。第四，對技術(shù)人員的綜合素質(zhì)要求更高，虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及的學(xué)科比較多，有電子技術(shù)、機(jī)械工程、軟件技術(shù)、控制理論等。而且系統(tǒng)呈現(xiàn)交互式等特點(diǎn)，這就要求必各個子系統(tǒng)的技術(shù)人員必須掌握相關(guān)領(lǐng)域的知識和技能。虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，促使整個工業(yè)機(jī)械的大變革，產(chǎn)品專業(yè)等分析員也必將轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品設(shè)計(jì)者。協(xié)同工作能力將成為企業(yè)技術(shù)人員的基本素質(zhì)。

4 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)和社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，科學(xué)技術(shù)廣泛應(yīng)用在社會的各個領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)械行業(yè)也涌現(xiàn)出新技術(shù)和新工藝。隨著虛擬工程技術(shù)在工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用，它在一定程度上改變了傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方式，數(shù)字模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對工業(yè)產(chǎn)品性能方面的預(yù)測，有效地提高了工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)發(fā)展，未來在工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)方面發(fā)揮的作用將越來越明顯，其具有良好的應(yīng)用和發(fā)展前景，對工業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化進(jìn)程起著重要的推動作用，對于國家的發(fā)展具有重要意義。

［1］李寒杰.虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.裝備制造技術(shù)，2012，（6）：302-304.

［2］郝虎.虛擬樣機(jī)技術(shù)在采煤機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.城市建設(shè)理論研究（電子版），2011，（31）.

［3］王娜，王益軒.虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.價值工程，2011，30（15）：39-41.

Virtual Prototype Technology and its Application in the Field of Engineering Machinery

XIAN A-man，LI Yi-xin
（Xianyang Vocational and Technical College，Xianyang，Shaanxi 712000，China）

The progress of science and technology promotes the development of social economy and machinery technology is also developing.However，the traditional mechanical engineering design has been unable to meet the demand of the development of modern engineering machinery,especially the modern industrial demand for products and performance have higher requirements，therefore there are more requirements for designers.Virtual prototype technology is a new technology in the field of modern industrial design.The paper mainly expounds the principle and characteristic of virtual prototype technology and its current development abroad.

virtual prototype technology；engineering machinery field；application

TH12

A

2095-980X（2016）10-0016-02

2016-09-16

仙阿曼，主要研究方向：機(jī)械自動化。