浅论虚拟样机技术在机械设计中的应用

【摘 要】简述虚拟样机技术的内涵；简析虚拟样机技术相比传统设计方法的优势；探讨虚拟样机技术在机械设计的应用。

【关键词】虚拟样机；机械设计；物理样机

1 引言

虚拟样机技术的兴起，为机械设计提供了全新的设计理念和设计方法。虚拟样机技术在机械设计中的应用是指在机械设计的初期，设计在初期进行，在计算机里创建虚拟样机，根据各项仿真的实验测试好分析，使设计的机械在结果和功能上在计算机上模拟，并在设计中发现设计的不足和缺陷，同时改进和优化机械设。

2 虚拟样机技术的内涵

虚拟样机技术是面向系统级设计的、应用于基于仿真设计过程的技术，包含有数字化物理样机、功能虚拟样机和虚拟工厂仿真三方面内容。这三者在产品数据管理系统或产品全生命周期管理系统的基础上实现集成，提供了有效的方法实现从实体物理样机向软件物理样机的转化，从而有效地支持了虚拟产品开发。

机械领域中的虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是20世纪80年代随着计算机技术发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程（CAE）技术。机械工程技术人员通过在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式代替传统的物理样机，这可以大大的简化机械产品的设计开发过程，大幅度缩减产品开发周期，大量减少产品开发费用和成本，明显提高产品的质量和系统性，从而获得最优化和创新的设计产品。特别虚拟样机技术为复杂机械产品的设计提供了重要工具。

3 虚拟样机的优势

虚拟样机是一种在运用计算机模拟设计产品的设计技术，是实际产品在计算机上的表示，又叫数字化样机。虚拟样机技术的本质是一种模拟仿真技术。

传统的机械物理样机设计流程如图1：

通过对比虚拟样机技术的优点是：通过机械系统的虚拟样机进行软件编程几何建模、产品的控制设计、变形分析和优化设计。这样可以充分利用计算机实现产品的设计，避免了物理样机的资源浪费，可以提高产品设计的效率，优化设计产品。这是一种环保、高效的设计新方法。

4 机械设计中的虚拟样机技术应用：

虚拟样机的组成通常，虚拟样机应该包括如下三个主要模块。

（1）3D立体模块：具备完善的物理模型描述能力。

（2）人际交互模块：虚拟样机技术以虚拟现实技术为基础，实现产品模型的逼真显示、动画仿真和人机交互。

（3）测试评估模块：产品模型分析和评价是虚拟样机技术的核心，主要包括产品可制造性分析和产品性能评价，例如产品几何形状、空间布局、结构学分析、动力学分析、加工性分析、可装配性分析、可维护性分析等等。

4.1 虚拟样机技术及其相关软件特点

虚拟样机技术是与产品开发相关的CAX如CAD、CAE、CAM 等技术和D如DAF（Design For Assemlbly），面向装配的设计）等陆续出现技术为基础，进一步融合现代信息技术、先进仿真技术和先进制造技术，从系统的层面来分析复杂的系统，利用虚拟样机代替虚拟物理样机对产品进行创新设计测试和评估，以缩短产品开发周期，降低产品的开发成本，改进产品的设计质量，提高面向客户与市场需求的能力。

在机械设计中，虚拟样机技术的研究对象是机械体系，而机械系统是一个相互联系的物体的组合，系统的内部和外部都有多个影响因素，所以在机械设计中主要有三个分析：机械系统的静力学分析-机械系统的运动力学分析，机械系统的动力学分析。

机械工程中的虚拟样机设计主要是研究机械的系统动力学和运动学，核心是利用计算机分析产品技术的动力学和运动学，通过分析来确定系统和构件在任意时刻的位置、速度和加速度，同时确定各构件之间的作用力和反作用力，但由于机械系统是个比较复杂的系统，所以要借助其他相关的软件技术：（1）几何模型韵计算机辅助设计（CAD）技术软件和技术，是用于计算机建模和展示机械系统的仿真分析结果的。（2）有限元分析（FEA）软件和技术。使得有限元分析对构件的应力、应变和强度可以进行进一步的分析，这样有限元分析就使得产品性能的优化和改进和评估有了强有力理论基础。（3）模拟各种各样作用力的软件编程技术。机械系统分析中需要分析各种外力如点动力、风力等其他动力因素，这就需要借助可以模拟各种各样作用力的软件编程了。（4）控制系统和最后的优化分析技术。在机械设计完成以后，一般都有一个优化的过程.运用虚拟样机软件分析设计结果使其达到最优。通过优化分析，确定最佳的设计结构和参数值，是机械系统获得最佳的综合性能。

4.1.1 CATIA软件的特点与功能

CATIA是法国达索系统公司的CAD/CAE/CAM 一体化软件，在世界CAD/CAE/CAM领域中处于领导地位。CATIA被广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子、电器及消费品行业。它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域，满足了工业领域各类大、中、小企业的需要。CATIA为用户生产效率的提高、产品和流程的优化以及企业整体效率的提高提供了多方面的支持，具有诸多优点：高度集成化、知识积累与重用、高度的适应性、领先的技术、产品虚拟测试。

4.1.2 虚拟样机技术的典型应用软件是ADAMS软件

ADAMS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，输出位移、速度、加速度和反作用力曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。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。另一方面，又是虚拟样机分析开发工具。

4.2 机械设计中虚拟样机技术的技术应用

4.2.1 具体应用之一：建模

建立一个机械系统的三维实体模型是实现虚拟样机的基础条件，所有的仿真实验均是以建立三维模型为前提的。建立数字化的机械系统模型是相对比较复杂的过程，因此要采用比较专业的CAD 软件来建立复杂的机械系统的虚拟样机。当三维模型建立完成后，要通过约束副将其连接起来，以便定义物体问所发生的相对运动。现在很多三维CAD 软件中部会提供一些运动和动力学的插件，可以利用这些插件映射出各约束关系和装配关系，从而实现虚拟装配过程及预约束添加过程的统一。

当各个零件模型间的连接关系及其相对运动确定好以后，接下来就是为模型添加驱动力和驱动转矩，或者根据机械工程师所设定的运动规律促使模型运动，从而完成虚拟样机模型的建立。当虚拟样机的三维模型建立完成后，要对其机械系统运动进行相应的仿真试验，通过试验求取出运动的所有物理量，包括位移量、速度、加速度、作用力、作用力等。

4.2.2 具体应用之二：设计优化

优化是机械设计中常见的问题，通常机械优化的具体方式如下：在满足各种设计条件的前提下，在制定的变量变化范围内，设计变量通过自动选择来实现，利用分析函数求取目标函数的最大值。这种方法利用计算机的运算能力，将设计变量利用计算机作出修改后再进行迭代求解，从而实现多次仿真。每次仿真试验都会修改一部分模型设计变量，直至得出所设定的物理量最优解为止。

5 结语

虚拟样机技术是机械设计的新发展，与传统的物理样机设计相比有很大的优越性：（1）缩短了产品的设计周期；（2）降低产品的开发成本；（3）提高了产品的设计质量；（4）提高了产品的经济效益。虚拟样机技术已然成为一种机械设计中关键的技术，同时更是一种全新的机械产品设计理念。