简析机械设计中虚拟样机技术的有效应用

【摘 要】与传统的机械设计技术相比，虚拟样机技术一种全新的智能化产品设计技术，通过进行仿真分析，用图形的方式显示出该系统在实践过程中所具有的各种特性和缺陷，修改设计并得到最优设计方案的技术。本文通过对虚拟样机技术的概念、特点以及主要的软件技术进行分析，说明了虚拟样机在机械设计中的诸多有效应用。

【关键词】机械设计；虚拟样机技术；有效应用

随着科技的不断进步，虚拟样机技术已然成为一种机械设计中必要的技术，不仅是计算机技术在机械工程领域的成功应用，更是一种全新的机械产品设计理念。虚拟样机技术是一种在建造物理样机前，设计师先通过利用计算机技术建立机械系统的数字化模型，简化复杂机械系统设计，能够有效缩短产品开发周期，降低研发成本，提高产品设计质量等方面有重要突破。一方面，它可以通过对虚拟样机的测试，从产品多种设计方案中评估出最优方案，并不断改进设计方案，直到获得最优的整机性能。另一方面，运用虚拟样机技术可以实现产品的并行设计，即可以快速地建立包括控制系统、液压系统、气动系统在内的多体动力学虚拟样机，并在产品设计初期发现问题、解决问题。通过仿真分析，用图形的方式显示出该系统在实践过程中所具有的各种特性和缺陷，修改设计并得到最优设计方案的技术。这不仅降低了研发成本，而且也无需浪费大量的人力、物力来生产出具有缺陷的样机，有效的促进了产品设计的设计效率和设计质量。

1.虚拟样机技术简介

1.1虚拟样机技术概述

随着科学技术的发展，试验手段的加强，以及新兴学科和技术的不断涌现，乃至学科之间的交叉与综合，使得原有的生产方法适应不了当今瞬息万变的时展大潮。机械设计是机械产品研发过程中的一个重要组成部分，是机械生产的第一步，同时还是决定机械性能的最主要因素。与传统的开发物理样机的设计方法相比，利用虚拟样机技术开发虚拟产品具有很大的优越性。虚拟样机在对产品进行创新设计、测试和评估等方面可以代替物理样机，由此，不仅可以缩短开发周期，改进产品设计质量，还能节约研发成本。机械工程中的虚拟样机技术又可以称为机械系统动态。

仿真技术，是国际上20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。机械工程师在计算机上设计样机模型，并对模型进行各种动态性能分析，用数字化形式代替传统的实物样机试验，然后改进样机性能欠缺的地方，优化设计方案，进而生产出最优的机械产品。

1.2虚拟样机技术的优越性

本质上，虚拟样机技术是一种模拟仿真技术，涉及到多体系统运动学、动力学建模理论及其技术实现等方面，是在先进的建模技术、信息管理技术、多领域仿真技术、交互式用户界面介绍和虚拟现实技术的基础上的综合应用技术。虚拟样机其实就是实际产品在计算机上显现出的模型，又称为数字化样机。虚拟样机的智能性是实现人机交互的一种机械设计技术，是计算机辅助工程师进行设计，而不是完全由计算机程式化的进行产品设计分析。虚拟样机并不会因其虚拟性而在功能方面与物力样机存在差距，而是在一定程度上拥有与物力样机相似的功能，其检测的真实度具有可信性。利用相关分析软件，结合机械设计等方面知识，可通过分析产品虚拟模型，预测产品性能，包括运动学特性、动力学特性、强度分析、疲劳寿命等，为优化产品提供依据。

2.虚拟样机技术相关软件

2.1 Pro/Engineer（Pro/E）

三维建模工具的出现和应用改变了传统的设计方法和过程。相比二维绘图软件，三维建模工具所独具的优点使得其正越来越多地得到应用。就目前市场上存在的三维建模软件来说，Pro/E软件，尤其是第三代产品Pro/E wildfire版本，其所具有的强大的参数化特征造型功能（现代CAD技术的一个主要发展方向）而受到企业界的一致认同。通过Pro/E 设计出来的与物理样机完全相同的虚拟样机，其零部件之间的装配和嵌合一目了然，而且通过它的运动仿真分析功能可以把设计错误消灭在设计的初始阶段，还可以简化复杂的设计工作，把设计人员从繁琐的工作中解放出来，使设计人员把精力放在机械产品的结构优化和创新上。

2.2 ADAMS

虚拟样机技术的典型应用软件是ADAMS软件。ADAMS是美国Mechanical Dynamics Inc公司开发的虚拟样机分析软件，使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格郎日方程方法，建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS一方面是虚拟样机分析的应用软件，用户可以运用该软件非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析。另外，又是虚拟样机分析开发工具，其开放性的程序结构和多种接口，可以成为特殊行业用户进行特殊类型虚拟样机分析的二次开发工具平台。

3.机械设计过程中虚拟样机的应用

设计初期直接在计算机环境中创建虚拟样机，并进行各项仿真实验和分析，如此不仅可以使机械的结构和功能得到模拟，还能检测出机械产品的缺陷，使缺陷在最初的设计阶段就能及时发现并加以改进，实现设计与完善同步进行。虚拟样机技术的兴起，不仅使复杂的机械设计工序简单化，也为机械设计提供了全新的设计理念。本文将以机械中的减速器为例阐述虚拟样机给机械设计带来的巨大作用。减速器主要涉及到ADAMS和Pro/Engineer两种软件。设计者可以使用虚拟样机技术，通过三维建模、动力学仿真分析和优化设计等三个过程，研究零部件参数对减速器性能的影响并对测试结果进行分析，依照分析结果优化设计，实现最优设计。在建模过程中，设计者首先应用Pro/E软件建立减速器的带有质量、转动惯量等物理特征的各个部件，并装配好零部件。减速器Pro/E模型建立以后，利用IGES接口输到入实体模型ADAMS软件中，添加相应的约束与驱动后，设置仿真平台相应的输入输出参数，即可进行减速器动力学性能参数的分析与求解。在仿真的基础上就可以得到相关的数据，分析后进一步对所设计的机构进行结构参数优化，进而得到更为完善的减速器。由以上分析可以看出，ADAMS和Pro/Engineer软件可以图形的方式在计算机上显示出减速器，很方便的帮助设计者评估出产品设计方案的优劣，并能把虚拟样机中存在的缺陷及时发现并优化。有了这些参数，我们就可以快速、准确为完成物理样机设计奠定基础。

4.结束语

综上所述，虚拟样机技术是现阶段产品设计生产过程中一个重要技术之一，也必将成为本世纪机械领域产品设计研发的主流手段。虚拟样机技术为复杂机械产品的设计提供了重要工具。在复杂机械产品设计中应用虚拟样机已经成为一种趋势，并可以缩短研发周期、降低产品研发成本，提高产品的设计质量等。由于虚拟样机技术具有如此多的优势，在今后的生产实践中，虚拟样机技术有着广阔的发展前景，为产品设计与生产发挥着重要的作用。因此，国内各相关机构应加强对虚拟样机技术的研究力度，使产品更具市场竞争力，促进国民经济的可持续发展。