基于虛擬樣機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法研究

許慈

摘 要：當(dāng)前，我國正處于快速發(fā)展階段，在輔助工程技術(shù)的基礎(chǔ)上，在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，虛擬樣機(jī)技術(shù)被廣泛應(yīng)用。基于虛擬樣機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法比傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)方法質(zhì)量更好，設(shè)計(jì)效率更高。主要探析了優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)、聯(lián)合設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)所含有的有限元、機(jī)械系統(tǒng)的三維建模、機(jī)械系統(tǒng)的靜力學(xué)計(jì)算和動力學(xué)仿真的相關(guān)內(nèi)容，以期為日后的相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)；機(jī)械設(shè)計(jì)；動力學(xué)；機(jī)械系統(tǒng)

中圖分類號：TH122 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.081

之前，機(jī)械設(shè)計(jì)都必須在現(xiàn)場才能夠完成樣機(jī)試驗(yàn)，所以，應(yīng)用這樣的設(shè)計(jì)方法將會消耗更多的時間和大量的資金，而且設(shè)計(jì)效果也不會很好。但是，在機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠在設(shè)計(jì)階段全面分析好機(jī)械系統(tǒng)的特征。這樣就能在制造樣機(jī)之前處理好原本的設(shè)計(jì)問題，并且還可以減少資金的投入，節(jié)約更多的時間，提高機(jī)械設(shè)計(jì)的整體效率。由此可知，有關(guān)人員只有深入研究基于虛擬樣機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，才能夠設(shè)計(jì)出更好的機(jī)械產(chǎn)品。

1 優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)分析

在整個機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，設(shè)計(jì)者結(jié)束設(shè)計(jì)的基本工作后，一般需要采取某些有效的措施優(yōu)化設(shè)計(jì)。針對當(dāng)前的實(shí)際狀況，在優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中，常見的問題是求取目標(biāo)函數(shù)的最大值。在滿足控制變量的變化范圍和設(shè)計(jì)條件的情況下，設(shè)計(jì)者能夠根據(jù)選擇設(shè)計(jì)變量和分析函數(shù)來優(yōu)化機(jī)械設(shè)計(jì)。但是，通過計(jì)算機(jī)所具有的強(qiáng)大計(jì)算功能，利用設(shè)計(jì)變量改變再迭代求解的方法來仿真機(jī)械設(shè)計(jì)， 這樣就能夠求取目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值?？偠灾?，在每一次仿真的過程中，只需要改變其中一個模型的設(shè)計(jì)變量，并且觀察仿真的結(jié)果，就能夠獲得物理量設(shè)定的最優(yōu)解。

2 聯(lián)合設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)

在之前很長的一段時間中，設(shè)計(jì)者經(jīng)常需要測試、設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)。但是，控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)之間不存在任何聯(lián)系，而是兩個相互獨(dú)立的個體。因此，在聯(lián)合控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)以后，設(shè)計(jì)效果很難達(dá)到預(yù)期要求。針對當(dāng)前的實(shí)際狀況，能夠通過機(jī)構(gòu)控制一體化虛擬樣機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)聯(lián)合機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。這樣，要獲取更好的設(shè)計(jì)效果就非常簡單。在設(shè)計(jì)思路方面，聯(lián)合仿真設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上是借助動力學(xué)、運(yùn)動學(xué)仿真軟件，創(chuàng)建與機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣含有控制目標(biāo)的動畫、動力學(xué)模型和三維實(shí)體模型。另外，在這樣的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之上，其基本條件就是得到相應(yīng)的電機(jī)模型和控制算法。

3 機(jī)械系統(tǒng)所含有的有限元分析

機(jī)械系統(tǒng)所含有的有限元實(shí)質(zhì)上是指一種現(xiàn)代化用作分析結(jié)構(gòu)件的動態(tài)特性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的設(shè)計(jì)方法。由于有限元法有很好的通用性，能夠隨意用在任何的力學(xué)問題中，所以，有限元法在整個機(jī)械設(shè)計(jì)的過程中都得到了非常廣泛的使用。另外，有限元法屬于比較可靠的一種計(jì)算方法，通過有限元法能夠得知邊界條件和機(jī)械結(jié)構(gòu)形狀。由此可知，有限元法相對于虛擬樣機(jī)而言，是一種不能夠缺少的工具。

4 機(jī)械系統(tǒng)的三維建模

如果要在機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)時實(shí)現(xiàn)虛擬樣機(jī)，先要創(chuàng)建出三維實(shí)體的機(jī)械系統(tǒng)模型。針對當(dāng)前的實(shí)際情況，在創(chuàng)建三維實(shí)體的機(jī)械系統(tǒng)模型時，要處理好建立系統(tǒng)的復(fù)雜約束關(guān)系和創(chuàng)建外形復(fù)雜的零件模型這兩個主要問題。一般情況下，使用CAD軟件能夠妥善處理好系統(tǒng)的復(fù)雜約束關(guān)系和創(chuàng)建外形復(fù)雜的零件模型這兩個主要問題。對于二維CAD而言，市面上主流的三維CAD軟件可以更好地表達(dá)出產(chǎn)品的生產(chǎn)管理和技術(shù)信息。由此可知，在創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)模型的過程中，有效應(yīng)用三維CAD軟件具有十分重要的意義，同時，三維CAD軟件也將在整個建模過程中發(fā)揮十分重要的作用。

在創(chuàng)建機(jī)械系統(tǒng)中的各零部件模型時，設(shè)計(jì)者可以使用CAD軟件，并且有效地應(yīng)用實(shí)體造型技術(shù)和變量化設(shè)計(jì)技術(shù)。在完成機(jī)械系統(tǒng)中的各零部件模型后，還應(yīng)該采取某些措施連接好各個零件的模型。這樣，有助于實(shí)現(xiàn)物體的相對運(yùn)動。在添加約束副的過程中，應(yīng)該要確保實(shí)際情況與模型符合。這樣做，主要是為了確保實(shí)際產(chǎn)品與模型的密度、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)等內(nèi)容一致，進(jìn)而提高建模的準(zhǔn)確度?，F(xiàn)在，大部分的CAD軟件都具有運(yùn)動/運(yùn)動學(xué)插件功能，它能夠通過關(guān)系裝配之后再將其映射在約束關(guān)系上，有助于實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動的模擬。

5 機(jī)械系統(tǒng)的靜力學(xué)計(jì)算和動力學(xué)仿真

在創(chuàng)建了機(jī)械系統(tǒng)模型后，可以使用動力學(xué)仿真方法將物理樣機(jī)實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)替換掉，實(shí)質(zhì)上是指在計(jì)算機(jī)環(huán)境下完成物理樣機(jī)的數(shù)據(jù)采集和動作實(shí)驗(yàn)。而在機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)仿真的過程中，仿真的準(zhǔn)確性將會受到驅(qū)動參數(shù)、三維模型和實(shí)際產(chǎn)品相似程度的直接影響。同時，動力學(xué)仿真方法的有效應(yīng)用是為了更好地計(jì)算輸出扭矩和驅(qū)動系統(tǒng)功率，以及選擇傳動系統(tǒng)的類型。另外，動力學(xué)仿真方法的有效應(yīng)用，計(jì)算、校核部件的運(yùn)動慣性力和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠完成驅(qū)動控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

6 結(jié)束語

綜上所述，在實(shí)際工作中，應(yīng)用基于虛擬樣機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，能夠在短時間內(nèi)幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出具有優(yōu)異性能的產(chǎn)品。同時，設(shè)計(jì)者利用基于虛擬樣機(jī)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，在虛擬的環(huán)境中能夠更加形象、直觀地實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的性能測試和設(shè)計(jì)優(yōu)化。設(shè)計(jì)者針對參考虛擬環(huán)境所獲得的計(jì)算結(jié)果，能夠根據(jù)其自身積累的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)來設(shè)計(jì)機(jī)械的系統(tǒng)。這樣能夠有效提高設(shè)計(jì)系統(tǒng)的質(zhì)量，同時，還能夠減少設(shè)計(jì)系統(tǒng)時出現(xiàn)的設(shè)計(jì)錯誤。

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