機(jī)械工程設(shè)計(jì)中的虛擬樣機(jī)技術(shù)分析

李文豪

摘 要：文章簡(jiǎn)單介紹了虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念及其特點(diǎn)，對(duì)機(jī)械工程設(shè)計(jì)中虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用，尤其是在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用做了深入分析和探討，以期為技術(shù)研發(fā)提供方向性的參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程；設(shè)計(jì)；虛擬樣機(jī)；技術(shù)分析

隨著經(jīng)濟(jì)和科技的迅猛發(fā)展，企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中要想謀求長(zhǎng)期穩(wěn)定的發(fā)展，就要不斷研發(fā)適應(yīng)市場(chǎng)需求的新產(chǎn)品，并縮短研發(fā)周期、優(yōu)化設(shè)計(jì)性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低開(kāi)發(fā)成本。虛擬樣機(jī)技術(shù)相較于傳統(tǒng)的物理樣機(jī)技術(shù)而言，以其卓越的性能受到企業(yè)和研發(fā)者的青睞。以虛擬樣機(jī)取代物理樣機(jī)進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的前期設(shè)計(jì)和測(cè)試評(píng)估，可有效縮短開(kāi)發(fā)周期和降低開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)能優(yōu)化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效果，尤其在機(jī)械工程設(shè)計(jì)中發(fā)揮著舉足輕重的作用。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念及其特點(diǎn)

虛擬樣機(jī)技術(shù)相對(duì)傳統(tǒng)物理樣機(jī)而言的顯著特點(diǎn)是；虛擬，即通過(guò)計(jì)算機(jī)借助特定的軟件程序幫助工程師建立三維模型，依靠先進(jìn)的仿真模擬系統(tǒng)實(shí)施仿真模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)機(jī)械在實(shí)際運(yùn)行中的情況加以分析和評(píng)估，幫助工程師及時(shí)找出設(shè)計(jì)不足和缺陷，并采取針對(duì)性的措施加以改進(jìn)，提高機(jī)械設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量[1]。簡(jiǎn)單地講，該技術(shù)是在計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)上，運(yùn)用CAD等設(shè)計(jì)制圖模型，借助仿真模擬技術(shù)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)的一種新技術(shù)。

該技術(shù)的特點(diǎn)是：在機(jī)械設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程中借助高科技的設(shè)計(jì)和管理技術(shù)實(shí)施開(kāi)發(fā)、分析和設(shè)計(jì)，極大地縮短了研發(fā)設(shè)計(jì)周期，提高了機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率，同時(shí)也降低了設(shè)計(jì)成本，有助于提高企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

2 機(jī)械工程設(shè)計(jì)中虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

2.1 模型建立

2.1.1 三維模型的建立

建立三維的實(shí)體模型是運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)的基礎(chǔ)和前提，后續(xù)的仿真實(shí)驗(yàn)都要在這個(gè)基礎(chǔ)上進(jìn)行[2]。建立數(shù)字化的三維模型過(guò)程極其繁雜，除了對(duì)諸如齒輪、扇葉等外形復(fù)雜的零部件進(jìn)行詳細(xì)的細(xì)部設(shè)計(jì)，還要對(duì)各種機(jī)械內(nèi)部的每種部件間的相關(guān)驅(qū)動(dòng)聯(lián)系予以充分考慮，以此為基礎(chǔ)再借助CAD等軟件程序搭建完整的機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)。早期的CAD以二維為主，這種方式的設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜且不容易操控，在生產(chǎn)中不具有優(yōu)勢(shì)，科技發(fā)展使得當(dāng)前的三維CAD得到了普遍推廣，機(jī)械產(chǎn)品內(nèi)部的每個(gè)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、質(zhì)心位置和搭接的細(xì)節(jié)都能得到詳盡的設(shè)計(jì)和明確表述，設(shè)計(jì)深度和效率都得到了顯著提高，軟件應(yīng)用更加便捷人性化。

2.1.2 添加約束

建成數(shù)字三維模型后，為了規(guī)范和限制物體之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在對(duì)各個(gè)部件進(jìn)行連接時(shí)要添加適當(dāng)?shù)募s束。添加約束時(shí)，要從實(shí)際情況出發(fā)注意所添加約束條件的合理性。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)使用的三維CAD設(shè)計(jì)軟件多配有相關(guān)的動(dòng)力學(xué)插件，通過(guò)這些插件對(duì)約束關(guān)系和裝配關(guān)系加以映射，可實(shí)現(xiàn)對(duì)虛擬裝配和添加約束的過(guò)程相統(tǒng)一。另一種方式是，借助三維CAD軟件進(jìn)行預(yù)裝配，繼而在ADAMS運(yùn)動(dòng)分析軟件中導(dǎo)入已經(jīng)完成的數(shù)據(jù)模型，通過(guò)ADAMS實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)情況的如實(shí)分析[3]。

2.1.3 對(duì)模型施加驅(qū)動(dòng)

通過(guò)設(shè)置合理的約束在模型的各零部件之間實(shí)現(xiàn)連接，在確定各種機(jī)械運(yùn)用的情況后，對(duì)模型施加驅(qū)動(dòng)力及驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以使模型能夠按照預(yù)先設(shè)計(jì)好的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。

2.1.4 虛擬樣機(jī)仿真

驅(qū)動(dòng)施加完成后，模型已基本建成，已經(jīng)具備仿真模擬的實(shí)驗(yàn)條件。進(jìn)一步，對(duì)產(chǎn)品模型實(shí)施模擬仿真的實(shí)驗(yàn)操作，分析計(jì)算各項(xiàng)物理指標(biāo)，如速度和加速度、作用力和反作用力以及位移等，為后續(xù)有限元的分析做準(zhǔn)備。

2.2 有限元分析

有限元的分析方法能對(duì)機(jī)械內(nèi)部各構(gòu)件的強(qiáng)度和運(yùn)動(dòng)特性指標(biāo)等進(jìn)行全面、精準(zhǔn)的分析，其顯著特點(diǎn)是通用性強(qiáng)[4]。另外，有限元的分析方法還能實(shí)現(xiàn)對(duì)諸如邊界條件和結(jié)構(gòu)形狀等力學(xué)問(wèn)題的專業(yè)解答，目前在機(jī)械設(shè)計(jì)中得到了比較廣泛的應(yīng)用。有限元的分析方法運(yùn)算速度和可靠性都比較高，在虛擬樣機(jī)技術(shù)中是不可或缺的設(shè)計(jì)工具。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

為提高機(jī)械使用的工作效率，在對(duì)機(jī)械模型進(jìn)行必要的校驗(yàn)后，還要對(duì)其設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化。目前，國(guó)內(nèi)在對(duì)機(jī)械模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)主要方法包括：在滿足各項(xiàng)機(jī)械設(shè)計(jì)的條件、變量的變化區(qū)間也適宜的基礎(chǔ)上，通過(guò)自動(dòng)選擇系統(tǒng)來(lái)選擇機(jī)械模型設(shè)計(jì)中涉及的變量；在求解目標(biāo)函數(shù)的最大值時(shí)可以通過(guò)分析函數(shù)進(jìn)行計(jì)算；通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算系統(tǒng)改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)的變量范圍并加以求解，并可進(jìn)行多次仿真[5]。特別是在每一次的仿真模擬完成后，要對(duì)模型的參數(shù)變量進(jìn)行多次更改，通過(guò)反復(fù)的模擬實(shí)驗(yàn)，求得待求物理量的最優(yōu)解。

2.4 控制、機(jī)械系統(tǒng)聯(lián)合仿真

在機(jī)械開(kāi)發(fā)的傳統(tǒng)模式中，機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)不管是在設(shè)計(jì)還是測(cè)試上都是相互獨(dú)立的，二者之間并沒(méi)有有效的互動(dòng)，從而導(dǎo)致機(jī)械設(shè)計(jì)的實(shí)際效果并不理想。虛擬樣機(jī)技術(shù)可將機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一體化控制，將二者進(jìn)行有效融合和統(tǒng)一，切實(shí)解決了傳統(tǒng)的機(jī)械開(kāi)發(fā)中控制效能低下等問(wèn)題。虛擬樣機(jī)技術(shù)中機(jī)械和控制系統(tǒng)的聯(lián)合仿真思路具體如下：借助仿真軟件分析三維模型的力學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性，再利用矩陣實(shí)驗(yàn)室等控制軟件加以控制計(jì)算。這種設(shè)計(jì)思路中，控制軟件將控制命令作用于運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真軟件，后者將作用結(jié)果的反饋信息發(fā)送到虛擬的位置傳感器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)的有效控制。兩者綜合，機(jī)械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的聯(lián)合就能順利實(shí)現(xiàn)。

3 例證分析

目前，虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用的范圍和領(lǐng)域非常廣，例如船舶加工、武器制造和包裝機(jī)械設(shè)計(jì)及農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)等。下面以其在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用為例加以分析。

一方面是仿真技術(shù)和多柔體的系統(tǒng)建模相結(jié)合。由于多柔體系統(tǒng)中的動(dòng)力學(xué)重在研究剛體運(yùn)動(dòng)和彈性變形之間的耦合性，所包含的運(yùn)動(dòng)形式復(fù)雜多樣，動(dòng)力學(xué)方面的計(jì)算難度大，借助虛擬樣機(jī)進(jìn)行仿真研究是當(dāng)下的一個(gè)重點(diǎn)。比如在聯(lián)合收割機(jī)的改良實(shí)驗(yàn)中，比較成熟的是對(duì)收割機(jī)的內(nèi)部各種零件等剛體的建模和仿真技術(shù)，而針對(duì)小麥、水稻和玉米等柔體作物進(jìn)行完整模型的建立以及柔體模型與收割機(jī)內(nèi)部各部件的綜合仿真模擬則是研發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

另一方面是協(xié)同仿真技術(shù)，即將各個(gè)學(xué)科的模擬仿真工具加以結(jié)合，進(jìn)而構(gòu)建復(fù)雜多樣的模擬仿真系統(tǒng)，在充分發(fā)揮各模擬仿真系統(tǒng)的單獨(dú)作用時(shí)，協(xié)調(diào)不同領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行高效配合，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品研發(fā)的多元化和復(fù)合化。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械越來(lái)越注重減輕農(nóng)民的操作難度，也越來(lái)越注重多種作用的綜合和集中，農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中所涉及的學(xué)科及領(lǐng)域也越來(lái)越多、越來(lái)越廣，比如，如何把農(nóng)用拖拉機(jī)的控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)加以高效綜合的系統(tǒng)模擬仿真一直是技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上，虛擬樣機(jī)技術(shù)在長(zhǎng)期的研發(fā)和應(yīng)用過(guò)程中以其設(shè)計(jì)周期短、效率高和產(chǎn)品性能穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)在機(jī)械工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到了普遍推廣和普及，但仍需進(jìn)一步完善和改進(jìn)，從而更好地為機(jī)械工程設(shè)計(jì)及其他學(xué)科和領(lǐng)域提供更大的便捷和更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

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