虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計過程中的應(yīng)用

盧建湘（龍巖學(xué)院　機(jī)電工程學(xué)院，福建　龍巖　364012）

虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計過程中的應(yīng)用

盧建湘
（龍巖學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，福建龍巖364012）

摘要：隨著計算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，尤其是在機(jī)械設(shè)計中，它更是得到了迅猛的發(fā)展.虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用可以大大降低前期的成本投入，提高機(jī)械設(shè)計的效率，縮短工期，同時機(jī)械設(shè)計的性能也比較優(yōu)越，所以它被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、印刷工業(yè)、包裝工業(yè)以及國防工業(yè)等領(lǐng)域.本文從虛擬樣機(jī)的概述入手，就其在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用進(jìn)行了探究，并以該技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械和煤礦機(jī)械等中的具體應(yīng)用進(jìn)行了研究，以期給后續(xù)相關(guān)研究提供借鑒.

關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)；機(jī)械設(shè)計；應(yīng)用

隨著全球化經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國對外交往的頻率越發(fā)頻繁，同時國際市場競爭也越發(fā)的激烈.如何才能在激烈的國際競爭中立于不敗之地，已經(jīng)成為我國經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展所亟待解決的難題之一.傳統(tǒng)的物理樣機(jī)不僅工作效率高，且需要投入大量的前期成本，并且具有施工長、工作性能不穩(wěn)定等缺點，這大大制約了我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展.而隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)的不斷提高為解決上述存在的問題提供了極大的幫助，它可以大大省去前期物理樣機(jī)的資本投入，且具有工作效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，所以它被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，并均取得了優(yōu)異的成績.下面就其在機(jī)械設(shè)計中的具體應(yīng)用進(jìn)行分析和研究.

1　虛擬樣機(jī)概述

1.1虛擬樣機(jī)的定義

顧名思義，虛擬樣機(jī)技術(shù)就是一種虛擬的技術(shù)，它是相對于傳統(tǒng)的制造物理實體樣機(jī)而言的，主要借助計算機(jī)軟硬件平臺來幫助工程師構(gòu)建相關(guān)的三維模型，然后依靠相關(guān)的仿真模擬系統(tǒng)來進(jìn)行仿真模擬實驗，從而幫助工程師驗證該機(jī)械在實際中的運行情況，有助于及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計方案中存在的各種問題和不足，以及時讓設(shè)計人員加以改正，這樣將大大提高機(jī)械設(shè)計的效率.簡言之，該技術(shù)是以計算機(jī)為平臺，借助CAD模型制圖等為基礎(chǔ)，采用仿真模擬技術(shù)的一種機(jī)械設(shè)計技術(shù).

1.2虛擬樣機(jī)的優(yōu)點

虛擬樣機(jī)作為一種新型的機(jī)械設(shè)計方法，它可以借助先進(jìn)的設(shè)計技術(shù)和管理技術(shù)，來實現(xiàn)對機(jī)械設(shè)計的全過程進(jìn)行開發(fā)、分析和設(shè)計，可以大大提高機(jī)械設(shè)計的效率，縮短工期，提高產(chǎn)品設(shè)計的質(zhì)量，同時也可以大大降低產(chǎn)品設(shè)計所需的整體成本，有利于企業(yè)市場競爭力的提高.

1.3虛擬樣機(jī)的特點

在十九世紀(jì)八十年代，CAD/CAM/CAE等技術(shù)逐漸得到普及和應(yīng)用，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，其在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，且均取得了顯著的成效.他們在設(shè)計的過程中，通常將零部件的性能和質(zhì)量作為設(shè)計的重點，但是在設(shè)計產(chǎn)品的整體質(zhì)量與其零部件之間的聯(lián)系性較差，這在一定程度上制約了產(chǎn)品整體性能和質(zhì)量的進(jìn)一步提升.而虛擬樣機(jī)技術(shù)則是面向系統(tǒng)的設(shè)計方法，涵蓋了機(jī)械設(shè)計的設(shè)計、分析和制造等整個流程，它可以實現(xiàn)產(chǎn)品性能和質(zhì)量的不斷提高，與傳統(tǒng)的CAD/CAM/CAE等技術(shù)不同，虛擬樣機(jī)技術(shù)具有以下特點：（1）面向系統(tǒng)設(shè)計，該系統(tǒng)不僅可以面向單獨的零部件，同時也可以在整體上進(jìn)行機(jī)械的分析和仿真模擬；（2）涉及貫穿于產(chǎn)品的整個流程，而不僅僅局限于產(chǎn)品生命周期中的一個階段；（3）可以實現(xiàn)對產(chǎn)品的全方位分析、測試和評估.

2虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用

2.1建模

（1）建立三維模型.三維實體模型的建立使虛擬樣機(jī)得以建立的前提和基礎(chǔ)，所有的后續(xù)仿真實驗也均是在此基礎(chǔ)上開展的.數(shù)字化三維模型的建立是一個繁雜的過程，不僅需要詳細(xì)設(shè)計哪些機(jī)械中外形比較復(fù)雜的零部件，如扇葉、齒輪等等，同時也需要考慮各種機(jī)械中各種部件的驅(qū)動關(guān)系，在此基礎(chǔ)上還要借助CAD軟件來構(gòu)建一個完整的機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī).最初的CAD主要是二維的，這種方式過程比較復(fù)雜，且不易控制，所以不具備生產(chǎn)的優(yōu)勢，隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)下的三維CAD技術(shù)得到了普及和推廣，其可以實現(xiàn)對機(jī)械產(chǎn)品各部件的質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動慣量以及搭接細(xì)節(jié)等信息進(jìn)行詳細(xì)地表述，所以效率更高，使用也更加便捷.

（2）添加約束.在三維數(shù)字模型建成后，為了實現(xiàn)對物體間發(fā)生的相對運動進(jìn)行規(guī)范，我們需要建立適當(dāng)?shù)募s束來連接各個部件.在具體添加約束的過程中，我們需要根據(jù)實際的情況來選取恰當(dāng)?shù)募s束添設(shè)條件.目前，我國現(xiàn)階段所用的三維CAD軟件大都配有動力學(xué)相關(guān)插件，所以可以借助這些插件來實現(xiàn)對裝配和約束關(guān)系進(jìn)行映射，進(jìn)而統(tǒng)一添加約束和虛擬裝配過程.此外，還有一種方式就是先借著三維CAD完成預(yù)裝配，然后將所完成的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中，借助該運動分析軟件來對產(chǎn)品的運動情況進(jìn)行分析.

（3）施加模型驅(qū)動.在模型中各個零部件借助合理的約束實現(xiàn)了連接，并在各種機(jī)械的運動情況進(jìn)行確定后，我們需要對模型添加驅(qū)動轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動力，即讓模型可以按照預(yù)先的設(shè)計運動情況來進(jìn)行運行.

（4）虛擬樣機(jī)的方針.在模型驅(qū)動施加完畢后，這時的模型已經(jīng)基本建立完成，其已經(jīng)具備了完成相關(guān)的各種操作.接下來我們就需要對產(chǎn)品模型的機(jī)械運動做仿真模擬實驗，并對產(chǎn)品的具體物理量進(jìn)行計算，如作用力和反作用力、速度、加速度以及位移量等等，并且還要為后續(xù)的有限元分析提供必要的邊界條件.

2.2有限元分析

有限元分析是一種全面的動力分析方法，其可以對機(jī)械各結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度、運動特性等進(jìn)行精確的分析，其中通用性強(qiáng)是其最為顯著的一個特點.另外，涉及結(jié)構(gòu)形狀和邊界條件等相關(guān)力學(xué)的問題的求解均可以借助其來實現(xiàn)，其現(xiàn)階段已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計中.而對于虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計而

言，它的計算方法效率和可靠性均較高，所以是一個不可或缺的設(shè)計工具.

2.3優(yōu)化

在機(jī)械模型校驗完成后，還需要對其進(jìn)行優(yōu)化處理，以使其保持更為高效的工作效率.現(xiàn)階段我國所用的機(jī)械模型優(yōu)化方法主要包括以下幾步：在各種機(jī)械設(shè)計條件均滿足和變量變化范圍適宜的前提下，借助自動選擇系統(tǒng)來對機(jī)械模型設(shè)計的變量進(jìn)行選擇；也可以借助分析函數(shù)來對目標(biāo)的函數(shù)最大值進(jìn)行求解；借助計算機(jī)的計算系統(tǒng)來對設(shè)計變量的參數(shù)范圍進(jìn)行改變，并進(jìn)行求解，以達(dá)到多次仿真的目的.另外，每次仿真模擬結(jié)束后，均需要對機(jī)械設(shè)計模型的變量參數(shù)進(jìn)行更改，直到求出待求物理量的最優(yōu)化解為止.

2.4控制、機(jī)械系統(tǒng)聯(lián)合仿真

在傳統(tǒng)的機(jī)械開發(fā)中，機(jī)械系統(tǒng)與其控制系統(tǒng)是兩個相互獨立的部分，二者之間無論是在設(shè)計上，還是在測試上均是相互獨立的.因此，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計中，二者沒有形成有效的互動，所以實際的機(jī)械設(shè)計效果可能不太理想.然而，虛擬樣機(jī)技術(shù)則可以將機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)統(tǒng)一到一體，實現(xiàn)二者的有效融合，即虛擬樣本技術(shù)具有機(jī)構(gòu)控制一體化的特點.這樣一來，傳統(tǒng)機(jī)械開發(fā)過程中存在的控制規(guī)律不合理，控制不高效等問題均可以得到有效的解決.在虛擬樣機(jī)技術(shù)下，控制和機(jī)械系統(tǒng)的聯(lián)合仿真具體的思路如下：借助ADAMS等仿真軟件來對機(jī)械三維模型的動力特性、力學(xué)特性等進(jìn)行分析，然后再借助MATLAB等控制軟件來進(jìn)行必要的控制計算.在這種設(shè)計思路下，運動學(xué)仿真軟件接受控制軟件生成的相關(guān)控制命令，并將結(jié)果反饋給虛擬位置傳感器以實現(xiàn)對控制系統(tǒng)的控制，這樣就形成了機(jī)械系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的聯(lián)合控制.

3虛擬樣機(jī)技術(shù)在具體機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用

3.1虛擬樣機(jī)在包裝機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用

包裝機(jī)械是一種典型的機(jī)電產(chǎn)品，它具有自動化程度高等特征.在對其進(jìn)行設(shè)計的過程中，它對控制性能、動力學(xué)、運動學(xué)、機(jī)械結(jié)構(gòu)以及構(gòu)件聯(lián)系性等方面的要求和標(biāo)準(zhǔn)均較高，所以單純的依靠傳統(tǒng)的實體樣機(jī)已經(jīng)不能滿足生產(chǎn)的要求，而虛擬樣機(jī)的應(yīng)用則可以很好地解決上述存在的問題.虛擬樣機(jī)技術(shù)在包裝機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用可以大大提高設(shè)計的質(zhì)量和效率，增強(qiáng)設(shè)計產(chǎn)品的穩(wěn)定性和工作性能，同時也可以節(jié)省生產(chǎn)成本，增加企業(yè)效益.在國外，虛擬樣機(jī)在包裝機(jī)械設(shè)計中已經(jīng)得到了快速的普及和應(yīng)用，其設(shè)計技術(shù)已經(jīng)逐漸成熟，尤其是德國，他們率先采用虛擬樣機(jī)技術(shù)，將各種數(shù)據(jù)借助計算機(jī)來進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，并結(jié)合生產(chǎn)的實際情況來對包裝機(jī)械進(jìn)行設(shè)計，同時對于設(shè)計中可能產(chǎn)生的各種故障等問題進(jìn)行了及時的更正處理，大大提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，同時也降低了生產(chǎn)成本，為客戶提供了更優(yōu)質(zhì)的服務(wù).然而，我國在該方面的研究和應(yīng)用還非常欠缺，下面就包裝機(jī)械中應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)需要注意的一些問題進(jìn)行探究.

我們在包裝機(jī)械中應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)需要從機(jī)械的引進(jìn)、消化、吸收和改進(jìn)等方面入手.自改革開放以來，我國從國外引進(jìn)了大量機(jī)械設(shè)備，以期望通過對這些機(jī)械設(shè)別進(jìn)行分析和研究來提高我國的生產(chǎn)水平，但是結(jié)果卻不盡人意.其中最重要的一個原因就是缺乏創(chuàng)新性，只是一味的進(jìn)行仿制，沒有對機(jī)械設(shè)備零件的相關(guān)設(shè)計和工作原理進(jìn)行分析，所以導(dǎo)致仿造的效果不好.基于此，在包裝機(jī)械設(shè)計中，我們需要向西方學(xué)習(xí)先進(jìn)的虛擬樣機(jī)技術(shù)，而不應(yīng)單純的引進(jìn)先進(jìn)的包裝機(jī)械成品，充分利用國內(nèi)外在虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用方面的經(jīng)驗來為我國的包裝機(jī)械設(shè)計服務(wù)，從而不斷提升我國相關(guān)機(jī)械的生產(chǎn)質(zhì)量.另外，我國國內(nèi)虛擬樣機(jī)在農(nóng)用機(jī)械、航天以及武器制造等領(lǐng)域取得的一些研究成果也均可以應(yīng)用于包裝機(jī)械的生產(chǎn)和設(shè)計中.為了進(jìn)一步提高虛擬樣機(jī)技術(shù)在包裝機(jī)械設(shè)計應(yīng)用中的適用性，我們需要結(jié)合我國的包裝機(jī)械設(shè)計的實際情況，不斷創(chuàng)新設(shè)計方法和手段.只有不斷創(chuàng)新設(shè)計費方法，才能夠提高我國包裝機(jī)械設(shè)計的能力，才能在激烈的國際競爭中立于不敗之地.

3.2虛擬樣機(jī)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中的應(yīng)用

目前，虛擬樣機(jī)技術(shù)在武器制造、船舶加工、包裝機(jī)械以及煤炭制造業(yè)等領(lǐng)域得到了普遍的應(yīng)用，農(nóng)業(yè)機(jī)械制造也不例外，企業(yè)得到了很好地應(yīng)用.下面就虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計中的發(fā)展方向進(jìn)行探究.

（1）多柔體系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)相互結(jié)合.多柔體系統(tǒng)動力學(xué)是以研究彈性變形和剛體運動之間耦合性的一種運動，由于其涉及的運動比較復(fù)雜，動力學(xué)計算的難度較大，所以如何借助虛擬樣機(jī)模型來對其進(jìn)行仿真使當(dāng)下虛擬樣機(jī)的一個研究重點.例如，在聯(lián)合收割機(jī)中，對于各種零部件等剛體的建模與仿真技術(shù)比較成熟，但是對于如何將水稻、玉米和小麥等柔體作物建立一個完整的模型，并與收割機(jī)各部件進(jìn)行綜合性的仿真模擬則比較困難.

（2）協(xié)同仿真技術(shù).協(xié)同仿真技術(shù)是指將不同學(xué)科的仿真工具進(jìn)行相互結(jié)合，從而構(gòu)成一種多樣性的仿真系統(tǒng)，它可以從分發(fā)揮各仿真系統(tǒng)的單獨特點，同時也可以實現(xiàn)對不同領(lǐng)域開發(fā)人員進(jìn)行協(xié)調(diào)，進(jìn)而可以實現(xiàn)不同領(lǐng)域開發(fā)人員的有效合作.現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)機(jī)械是一種比較復(fù)雜的機(jī)械產(chǎn)品，它的設(shè)計中涵蓋了眾多的學(xué)科和領(lǐng)域.比如在農(nóng)用拖拉機(jī)中如何將控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行有效的系統(tǒng)仿真模擬等等.

綜上所述，虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一種先進(jìn)的仿真模擬技術(shù)，其具有物理樣機(jī)所不具備的特點，如設(shè)計效率高、周期短，產(chǎn)品質(zhì)量高、性能穩(wěn)定等，同時也可以大大降低設(shè)計所需的成本投入，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，一舉多得.經(jīng)過多年的研究和應(yīng)用，虛擬樣機(jī)技術(shù)在我國眾多領(lǐng)域得到了普及和應(yīng)用，并均取得了優(yōu)異的成績.為了進(jìn)一步提高我國的機(jī)械設(shè)計質(zhì)量，我們必須要不斷地完善、改進(jìn)和創(chuàng)新虛擬樣機(jī)技術(shù).

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中圖分類號：TH122

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-260X（2015）09-0045-03