虚拟样机技术的应用

摘 要：机械制造业作为我国的传统工业，是我国工业发展的重要组成部分。伴随着社会经济的腾飞发展，行业内部的竞争日益激烈。新产品的开发设计技术作为竞争的核心内容，虚拟样机技术的产生，推动了新产品设计开发的速度，同时降低了设计成本，缩短了设计周期，提高了产品的市场竞争力[1]。

关键词：虚拟样机技术；仿真；发展

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2015.24.021

1 虚拟样机技术概述

虚拟样机技术是一种新产品设计技术，设计师可以利用CAD/CAE以及二次开发软件在计算机上建立产品机械系统的三维实体模型和力学模型，利用有限元分析、边界元分析、matlab以及C语言等软件程序的综合应用模拟分析在真实环境下对机械产品进行运动学、动力学分析。为物理样机提供有力的参数依据。借助于这项技术，它能够反映新产品的各项特性，包括外观、功能以及运动学和动力学特性[1]。虚拟样机技术对制造业产生了巨大冲击。

2 虚拟样机技术的发展现状

虚拟样机技术起源于上世纪80年代，最早应用在军事、航天部门[3]。近年来，虚拟样机技术被应用到更广泛的领域，如汽车制造、飞机制造、印刷机制造、农业机械制造等。美国、日本等国家先后在汽车、飞机、数字化机车、火星探测器、反铲装载机以及虚拟厨房设备系统中采用虚拟样机技术优化系统结构，成功的缩短了研发周期。[1]在我国，辽宁工程技术大学、武汉理工大学、西北机电研究所、等在采煤机、掘进机和刨煤机的刚柔耦合模型、船用起重机、发射药协调器等的设计研发中运用了虚拟样机技术[4]。虚拟样机技术在我国起步较晚，关键技术还在进一步拓展阶段

3 虚拟样机技术的特点

利用传统的设计方法设计新产品，首先要确立设计方案、分析机构原理，绘制机构原理图以及所有零件的零件图和总装图，确定加工技术和方案，制造物理样机进行运行试验，通过暴漏出的缺陷与弊端，提出改进方案，重新设计并制造物理样机，再试运行。整个过程持续时间长，任务繁重，成本高。虚拟样机技术在制造物理样机之前，通过模型的仿真分析，在计算机虚拟环境下模拟产品运行的真实环境，观察机构各部分的运动，通过数字和图表显示系统缺陷，在虚拟样机三维模型中修改参数即可完成系统优化[2]。

与传统的新产品研发相比，虚拟样机技术具有很大的优势。包括以下几个方面：（1）通过软件的仿真分析功能，在虚拟的环境中模拟产品运行的真实环境，为物理样机的制造提供参数依据。（2）缩短了新产品的研发周期，降低研发成本，促使新产品尽早上市。（3）通过部分参数的修改，便能达到系统的优化设计。（4）与传统的仿真软件相比，应用领域更加广泛，对产品性能等的分析更加周全，有助于提高产品的质量[5]。

4 虚拟样机技术在机械设计中的应用

虚拟样机技术作为一种新兴的设计理念，使复杂的设计程序简单化。本文以农业耕作机械小型旋耕机为例，阐述虚拟样机技术在机械设计领域的应用。小型旋耕机的虚拟样机的建立主要要涉及Solidworks和Adams两个软件。旋耕机的设计分为三维建模，动力学、运动学分析和优化设计三个阶段。 第一阶段，利用Solidworks初步建立旋耕机的结构原理简图（图3，其中1齿轮箱、2主梁、3传动箱、4刀轴、5右刀片、6左刀片、7左支架、8右支架、9右支架），绘制个零件的三维实体图（图4）[6]，并装配。第二阶段，将文件另存为parasolid（.x_t）格式，导入边界元分析软件Adams中，定义材料属性、弹性模量、泊松比等参数，并添加不同的约束和驱动力，创建与旋耕机实际运行环境一致的虚拟环境，进行动力学分析。第三阶段，通过仿真获取相关数据，评估旋耕机设计方案的优劣性，对存在的不足之处及时优化改进。

参考文献：

[1]熊光楞.虚拟样机技术[J].系统仿真学报，2001（01）.

[2]席俊杰.虚拟样机技术的发展及应用[J].制造业自动化，2006（11）.

[3]彭立彬.虚拟样机在防空武器研发中的应用[J].飞航导弹，2005（08）.

[4]徐蕾.浅谈虚拟样机技术应用与发展[J].科技创新与应用，2014（03）.

[5]祖旭.虚拟样机技术及其发展[J].农业机械学报，2004（02）.

[6]郑智荣，杨坚，梁忠山，周仕城，范雨杭，刘增汉.小型旋耕机虚拟样机模型建立[J].广西：农业机械化，2010（03）.

[7]王凯湛.虚拟样机技术在农业机械设计上的应用和发展[J].农机化研究，2008（04）.