基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的工程機(jī)械仿真分析與應(yīng)用研究

黃愛文

摘要：近年來，機(jī)械領(lǐng)域的虛擬樣機(jī)技術(shù)發(fā)展迅速，并將以迅猛的勢頭逐漸取代傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計、試驗和研究方法。本文首先簡單闡述了虛擬樣機(jī)技術(shù)，以及一款虛擬仿真軟件，然后重點闡述了這款應(yīng)用仿真軟件對工程機(jī)械進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的內(nèi)容，以及一些機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計中的具體應(yīng)用，其中，用真實的例子說明了具體方法，希望能夠為基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的工程機(jī)械研究設(shè)計提供有價值的參考和借鑒。

關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)技術(shù);工程機(jī)械仿真;應(yīng)用

1.虛擬樣機(jī)技術(shù)

所謂虛擬樣機(jī)技術(shù)，就是在制造真實樣機(jī)之前，以計算機(jī)虛擬現(xiàn)實的研究平臺為基礎(chǔ)進(jìn)行工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)，其依托的核心理論基礎(chǔ)是多體動力學(xué)、現(xiàn)代控制理論等等，同時利用計算機(jī)、三維圖形處理、信息集成等技術(shù)，把需要設(shè)計的工程機(jī)械產(chǎn)品的分散的零部件的有關(guān)分析信息結(jié)合在一起，從而建立起工程接卸產(chǎn)品的數(shù)學(xué)模型，并且針對產(chǎn)品應(yīng)用中的工況開展仿真分析，從而對該產(chǎn)品的整體性能、使用性能等進(jìn)行科學(xué)的預(yù)測，再進(jìn)行系統(tǒng)的細(xì)節(jié)上的整改優(yōu)化[1]。

虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用于工程機(jī)械產(chǎn)品仿真設(shè)計開發(fā)的整個過程，是一個面向系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計，其中包括數(shù)字樣機(jī)，包括功能虛擬樣機(jī)，還包括虛擬工廠仿真，這三個方面有效地結(jié)合，從而實現(xiàn)了工程機(jī)械產(chǎn)品樣機(jī)從實體向虛擬的有效轉(zhuǎn)化。虛擬樣機(jī)技術(shù)為虛擬工程機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)提供了非常強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計開發(fā)工程機(jī)械產(chǎn)品的基本流程可以分為以下四個步驟：第一步是，先建立起工程機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)模型，利用現(xiàn)有的知識對開發(fā)過程進(jìn)行分析改進(jìn);第二步是，利用上一環(huán)節(jié)得到的模型，建立起產(chǎn)品的數(shù)字化、仿真和分析模型;第三步是，運用仿真和分析工具對產(chǎn)品模型進(jìn)行功能和性能分析;第四步是，根據(jù)仿真和分析得出的結(jié)果，對虛擬樣機(jī)產(chǎn)品的各方面性能進(jìn)行綜合評估改進(jìn)[2]。與傳統(tǒng)的基于物理樣機(jī)的方法比，它具有更多的優(yōu)點。

2.虛擬樣機(jī)技術(shù)依托的幾款常用軟件

虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用需要借助一些虛擬樣機(jī)軟件來實現(xiàn)，這些軟件要求界面比較友好，要求功能比較強(qiáng)大，要求性能比較穩(wěn)定。當(dāng)前市場上存在的軟件比較繁多，二十幾家家公司進(jìn)行激烈的競爭。其中，被廣泛應(yīng)用、口碑比較好的，有美國的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件，德國的SIM PACK，Phoenics等等，而美國的機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件占據(jù)的市場份額最大，也是其中最受歡迎的一款虛擬樣機(jī)軟件。

機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件可用于虛擬樣機(jī)分析，用戶用來對樣機(jī)進(jìn)行靜力、動力和運動學(xué)方面的有效分析。同時，機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件也可以用于虛擬樣機(jī)開發(fā)，它開放性的程序結(jié)構(gòu)以及多種接口，能夠被特殊用戶開展特殊樣機(jī)分析開發(fā)提供一個非常良好的開發(fā)平臺。機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件一般運用部件庫、交互圖形環(huán)境、約束庫等，建立起來參數(shù)化的幾何模型，求解器構(gòu)建動力學(xué)方程，對虛擬系統(tǒng)開展分析，從而輸出速度、加速度以及位移和反作用的曲線。這款軟件的仿真能夠用來測試工程機(jī)械產(chǎn)品的運動范圍、峰值載荷，也能夠用來進(jìn)行碰撞監(jiān)測等等[3]。

3.機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件的應(yīng)用

機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件能夠有效地解決挖掘機(jī)等的研究設(shè)計中的許多問題。比如，挖掘機(jī)是由斗桿、動臂、鏟斗和液壓缸構(gòu)成。（如圖2）

1：動臂;2：斗桿;3：鏟斗;4：動臂液壓缸;5：斗桿液壓缸;

6：鏟斗液壓缸;7：連桿;8：回轉(zhuǎn)平臺

圖2 挖掘機(jī)的裝置

目前挖掘機(jī)出現(xiàn)了幾個問題，我們可以用仿真分析分析挖掘機(jī)不工作了、斗桿、動臂、鏟斗轉(zhuǎn)動圍繞F、C、Q轉(zhuǎn)動時候的情況下，F(xiàn)、C、Q三點的力矩和角速度變化情況。我們在建立仿真模型的時候可以忽略油缸，因為它所產(chǎn)生的力矩能夠轉(zhuǎn)移至關(guān)節(jié)。我們可以先創(chuàng)建二百七十八千克重、四米長、十毫米厚的大臂，二百四十五千克重、三米長、十毫米厚的小臂以及重達(dá)三百八十一千克的鏟斗，然后再增加約束力，再增加驅(qū)動力。我們可以假設(shè)在上述情況下，三點的運動函數(shù)，F(xiàn)unction=sin（ - 100d* tmie），仿真的時間為五秒，步數(shù)是二百步，結(jié)果就是，F(xiàn)在時間為1.975秒時扭矩最大為1.234×104Nm，C在時間為0.625秒時扭矩最大時為3670×104Nm，Q在時間為2.525秒時扭矩最大為1.58×103Nm，可以得出F、C、Q三點的角速度的變化是一樣的。由此可以看出，機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件能夠得出關(guān)節(jié)力矩圖，甚至還能夠計算其數(shù)值。機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件還能夠在得知運動軌跡的情況下，計算出關(guān)節(jié)需要的力矩等等，具有非常強(qiáng)大的仿真計算的能力[4]。

4.虛擬樣機(jī)技術(shù)的意義

虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展，可以說充分體現(xiàn)了全新的研發(fā)模式，它使工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)能夠擺脫對實物樣機(jī)依賴，能夠為企業(yè)的發(fā)展帶來非常大的作用，主要體現(xiàn)在：

一是能夠大大地降低工程機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代情況下產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險，從而有效的提高企業(yè)的生產(chǎn)效率，從而在激烈的競爭中得以健康發(fā)展。二是虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展能夠使之前無法想象的銷售虛擬產(chǎn)品成為一種現(xiàn)實，企業(yè)能夠事先憑借設(shè)計開發(fā)出來的虛擬樣機(jī)尋找合適的客戶，然后在充分吸收客戶的意見的基礎(chǔ)上，再投入實體生產(chǎn)，在工程機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)中更加靈活，在市場競爭中也更能夠掌握主動權(quán)[5]。三是工程機(jī)械產(chǎn)品的虛擬化和數(shù)字化能夠使企業(yè)能夠通過互聯(lián)網(wǎng)優(yōu)先進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品信息的無障礙交流，通過共享來學(xué)習(xí)借鑒其他企業(yè)的先進(jìn)技術(shù)，從而克服了資源獲取的局限性，在這個過程中可以尋找一些企業(yè)組成聯(lián)盟，來共同開發(fā)和獲取所需要的知識技術(shù)，從而借助團(tuán)體的力量來增強(qiáng)對變化莫測的市場的適應(yīng)性。四是基于虛擬樣機(jī)技術(shù)工程機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)，要求設(shè)計開發(fā)人員必須具有雄厚的虛擬樣機(jī)技術(shù)理論基礎(chǔ)，專業(yè)分析員最后也就成為產(chǎn)品的設(shè)計者，這對技術(shù)人員的業(yè)務(wù)素質(zhì)技能以及協(xié)同工作的能力都帶來了更高的要求。

5.結(jié)語

綜上所述，本文認(rèn)為，隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，以及市場競爭的日益加劇，在工程機(jī)械領(lǐng)域，虛擬樣機(jī)技術(shù)已經(jīng)越來越成為工程機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的主流支撐技術(shù)。各大企業(yè)應(yīng)當(dāng)加強(qiáng)對虛擬樣機(jī)技術(shù)的深入了解，招聘更多的高技能專業(yè)技術(shù)人員強(qiáng)化對虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，從而降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量、提升企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，不斷增強(qiáng)在激勵的市場競爭中持續(xù)健康發(fā)展的能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]王洪倫，龔烈航，肖斌安.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的工程機(jī)械仿真分析與應(yīng)用研究[J].機(jī)床與液壓，2008.07：140-142+163.

[2]郭俊英.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的機(jī)械仿真分析與結(jié)構(gòu)設(shè)計[J].新技術(shù)新工藝，2009，11：43-45.

[3]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)，2012，06：302-304.