机械工程设计中的虚拟样机技术探析

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摘要：文章简单介绍了虚拟样机技术的概念及其特点，对机械工程设计中虚拟样机技术的应用，尤其是在农业机械设计中的应用做了深入分析和探讨，以期为技术研发提供方向性的参考。

关键词：机械工程；设计；虚拟样机；技术分析

随着经济和科技的迅猛发展，企业在激烈的市场竞争中要想谋求长期稳定的发展，就要不断研发适应市场需求的新产品，并缩短研发周期、优化设计性能、提高产品质量、降低开发成本。虚拟样机技术相较于传统的物理样机技术而言，以其卓越的性能受到企业和研发者的青睐。以虚拟样机取代物理样机进行新产品开发中的前期设计和测试评估，可有效缩短开发周期和降低开发成本，同时能优化产品的设计效果，尤其在机械工程设计中发挥着举足轻重的作用。

1虚拟样机技术的概念及其特点

虚拟样机技术相对传统物理样机而言的显著特点是；虚拟，即通过计算机借助特定的软件程序帮助工程师建立三维模型，依靠先进的仿真模拟系统实施仿真模拟实验，对机械在实际运行中的情况加以分析和评估，帮助工程师及时找出设计不足和缺陷，并采取针对性的措施加以改进，提高机械设计的效率和质量[1]。简单地讲，该技术是在计算机基础上，运用CAD等设计制图模型，借助仿真模拟技术进行机械设计的一种新技术。该技术的特点是：在机械设计整个过程中借助高科技的设计和管理技术实施开发、分析和设计，极大地缩短了研发设计周期，提高了机械设计的质量和效率，同时也降低了设计成本，有助于提高企业的市场竞争力。

2机械工程设计中虚拟样机技术的应用

2.1模型建立

2.1.1三维模型的建立建立三维的实体模型是运用虚拟样机技术的基础和前提，后续的仿真实验都要在这个基础上进行[2]。建立数字化的三维模型过程极其繁杂，除了对诸如齿轮、扇叶等外形复杂的零部件进行详细的细部设计，还要对各种机械内部的每种部件间的相关驱动联系予以充分考虑，以此为基础再借助CAD等软件程序搭建完整的机械系统的虚拟样机。早期的CAD以二维为主，这种方式的设计过程复杂且不容易操控，在生产中不具有优势，科技发展使得当前的三维CAD得到了普遍推广，机械产品内部的每个部件的转动惯量、质心位置和搭接的细节都能得到详尽的设计和明确表述，设计深度和效率都得到了显著提高，软件应用更加便捷人性化。

2.1.2添加约束建成数字三维模型后，为了规范和限制物体之间的相对运动，在对各个部件进行连接时要添加适当的约束。添加约束时，要从实际情况出发注意所添加约束条件的合理性。当前，国内使用的三维CAD设计软件多配有相关的动力学插件，通过这些插件对约束关系和装配关系加以映射，可实现对虚拟装配和添加约束的过程相统一。另一种方式是，借助三维CAD软件进行预装配，继而在ADAMS运动分析软件中导入已经完成的数据模型，通过ADAMS实现对产品运动情况的如实分析[3]。

2.1.3对模型施加驱动通过设置合理的约束在模型的各零部件之间实现连接，在确定各种机械运用的情况后，对模型施加驱动力及驱动转矩，以使模型能够按照预先设计好的运动情况进行运动。

2.1.4虚拟样机仿真驱动施加完成后，模型已基本建成，已经具备仿真模拟的实验条件。进一步，对产品模型实施模拟仿真的实验操作，分析计算各项物理指标，如速度和加速度、作用力和反作用力以及位移等，为后续有限元的分析做准备。

2.2有限元分析

有限元的分析方法能对机械内部各构件的强度和运动特性指标等进行全面、精准的分析，其显著特点是通用性强[4]。另外，有限元的分析方法还能实现对诸如边界条件和结构形状等力学问题的专业解答，目前在机械设计中得到了比较广泛的应用。有限元的分析方法运算速度和可靠性都比较高，在虚拟样机技术中是不可或缺的设计工具。

2.3优化设计

为提高机械使用的工作效率，在对机械模型进行必要的校验后，还要对其设计进一步优化。目前，国内在对机械模型进行优化时主要方法包括：在满足各项机械设计的条件、变量的变化区间也适宜的基础上，通过自动选择系统来选择机械模型设计中涉及的变量；在求解目标函数的最大值时可以通过分析函数进行计算；通过计算机计算系统改变设计参数的变量范围并加以求解，并可进行多次仿真[5]。特别是在每一次的仿真模拟完成后，要对模型的参数变量进行多次更改，通过反复的模拟实验，求得待求物理量的最优解。

2.4控制、机械系统联合仿真

在机械开发的传统模式中，机械系统和控制系统不管是在设计还是测试上都是相互独立的，二者之间并没有有效的互动，从而导致机械设计的实际效果并不理想。虚拟样机技术可将机械系统和控制系统实现一体化控制，将二者进行有效融合和统一，切实解决了传统的机械开发中控制效能低下等问题。虚拟样机技术中机械和控制系统的联合仿真思路具体如下：借助仿真软件分析三维模型的力学及动力学特性，再利用矩阵实验室等控制软件加以控制计算。这种设计思路中，控制软件将控制命令作用于运动学的仿真软件，后者将作用结果的反馈信息发送到虚拟的位置传感器，从而实现对控制系统的有效控制。两者综合，机械系统和控制系统的联合就能顺利实现。

3例证分析

目前，虚拟样机技术应用的范围和领域非常广，例如船舶加工、武器制造和包装机械设计及农业机械设计等。下面以其在农业机械设计中的应用为例加以分析。一方面是仿真技术和多柔体的系统建模相结合。由于多柔体系统中的动力学重在研究刚体运动和弹性变形之间的耦合性，所包含的运动形式复杂多样，动力学方面的计算难度大，借助虚拟样机进行仿真研究是当下的一个重点。比如在联合收割机的改良实验中，比较成熟的是对收割机的内部各种零件等刚体的建模和仿真技术，而针对小麦、水稻和玉米等柔体作物进行完整模型的建立以及柔体模型与收割机内部各部件的综合仿真模拟则是研发的重点和难点。另一方面是协同仿真技术，即将各个学科的模拟仿真工具加以结合，进而构建复杂多样的模拟仿真系统，在充分发挥各模拟仿真系统的单独作用时，协调不同领域的开发人员进行高效配合，实现产品研发的多元化和复合化。现代化农业机械越来越注重减轻农民的操作难度，也越来越注重多种作用的综合和集中，农业机械设计中所涉及的学科及领域也越来越多、越来越广，比如，如何把农用拖拉机的控制系统和机械系统加以高效综合的系统模拟仿真一直是技术研发的重点。

4结束语

综上，虚拟样机技术在长期的研发和应用过程中以其设计周期短、效率高和产品性能稳定等优势在机械工程设计领域得到了普遍推广和普及，但仍需进一步完善和改进，从而更好地为机械工程设计及其他学科和领域提供更大的便捷和更优质的服务。

参考文献

[1]卢建湘.虚拟样机技术在机械设计过程中的应用[J].赤峰学院学报（自然科学版），2015，31（9）：45-47.

[2]张鸣，任建平，等.基于虚拟样机的机械设计方法[J].机械设计，2006，19（11）：49-51.

[3]彭广林.机械设计中虚拟样机技术的有效运用[J].科技导向，2011，28（11）：119-120.

[4]李杰，闫楚良，等.农业机械设计中虚拟样机技术的应用与展望[J].中国农业机械协会，2013，13（3）：820-821.

[5]王刚，杨莺，刘少军.虚拟样机技术在工程机械领域的应用[J].工程机械，2003（8）：11-13.

作者：李文豪 单位：湖北工程学院