农业机械设计中虚拟样机技术的应用与发展

摘要：

现如今有―种先进的产品开发方法叫做虚拟样机技术，它对农机产品的研发有重要的作用，开辟了一条新的发展道路。本文讲述了虚拟样技术的特点以及其概念内容，并且联系农业机械设计的相关内容，研究了一下如何在农业机械设计中加入虚拟样机技术。又介绍了现在一些在农业机械中的虚拟样机技术，提出了一种联合仿真的方案。最后分析了虚拟样机技术在农业机械设计中的发展前景，展望了虚拟样机技术在农业机械设计上的发展方向。

农业机械化是我国建设农业现代化强国的必由之路，农业机械要实现现代化需要先进的农业机械，好的产品需要先进的设计理念和方法，随着计算机技术的应用，机械设计方法和理念发生着巨大的转变，过去靠笔和纸绘图设计机械的过程：用纸笔设计、做模型、生产样机、反复试验、修改设计、定型后生产成品，如此的设计制造过程的规律正在改变，农机的设计紧跟其后，先进的设计思想理念正在不断的应用和实施，目前多种现代机械设计方法论正被采用。如技术预测法、创造性设计法、系统设计法信号分析法、相似设计法、模糊设计法、动态分析设计法、有限元和边界元分析设计法、优化设计法、可靠性设计法、计算机辅助设计CAD法和艺术造型设计法。这些方法为我国的农机设计制造快速发展，起到了十分重要的作用，为我国在2012年成为世界的农机制造大国，起到了技术支撑和保障。

1.对虚拟样机的认识

1.1虚拟样机的概念

在机械产品研发的过程中，机械设计是至关重要的一个环节，是进行机械生产的前提和基础，并且决定了机械性能的高低。科学技术不断发展的过程中，各种试验方法也随之得到迅速的发展，新兴的学科、技术不断地涌现出来，各学科之间开始进行交叉、融合。而虚拟样机技术就是在这种技术背景下发展起来的试验手段。虚拟样机技术也可以称之为机械系统动态仿真技术，它是指机械设计师在计算机上设计出样机模型，然后针对模型作出各种动态性能的分析，将传统的实物样机试验利用数字形式取而代之，然后针对性能欠缺的地方作出改进，对设计方案作进一步优化，最终设计出性能优良的机械产品。

1.2虚拟样机的优势

和传统的物理样机设计方法相比，虚拟样机技术具有明显的优越性，其具体表现在以下几个方面：①就虚拟样机技术的本质而言，其属于模拟仿真技术的范畴，因此与多体运动学、动力学建模理论及技术实现等多个领域均有密切的相关性，是一项以先进的建模技术、信息管理技术、仿真技术以及虚拟现实技术和交互式用户界面介绍为基础的综合性应用技术。②虚拟样机具备智能性的特点，因此可以实现人机交互，严格说来它是起到辅助设计的作用，而非由计算机对产品设计做出程式化的分析。③尽管虚拟样机是虚拟的，但是在功能方面和物理样机的作用并没有太大差别，它在特定的范围内和物理样机的功能是相似的，因此利用该技术进行检测的真实度具备可信性。④虚拟样机技术通过相关的分析软件，与机械设计的知识相结合，对虚拟模型进行分析就可以对产品的性能作出预测，为产品的进一步优化提供可靠依据。

2.虚拟样机技术在农业机械中应用现状特点

2.1农机企业发展存在滞后性虚拟样机技术

依托计算机技术而存在和发展，因此我国的农机设计行业计算机技术应用相对于其他如航空和汽车等设计制造业有一定的滞后性，原因有以下几点：由于行业的资金实力不够，农业机械类院校发展重视不够，学习农业机械专业的积极性不高，导致农业机械专业院校投入不足、发展缓慢，因而高技术农机设计开发人才规模小，农机企业的销售方式单一，销售量及利润低，技术人员待遇低，导致企业壮大困难，缺少足够的资金投入研发，引进、留住人才困难。农机企业上市较少，目前一拖股份，吉峰农机等十余家上市公司，很多农机企业还是作坊式企业，科研和先进制造技术运用较少。因此制约了虚拟样机技术的应用和推广实践。

2.2在农业机械装备中的应用

在高校研究机构中逐渐形成团队化，对农业机械装备的研究成果转化步伐加快。如中国农业大学，华南农业大学，广西大学，分别在不同的应用方向取得了显著的效果，华南农业大学首次把虚拟样机技术应用到机械手的研究中，并相继开展机械手在水稻抛秧机和水果采摘机器人等方面的应用，实现了整体设计方案的优化：广西大学对甘蔗收获机整机及关键部件的虚拟样机模型进行了一系列连续深入的研究后，建立了基于产品数据管理（PDM）的甘蔗收获机可视化虚拟设计平台，涉及整个产品生命周期的描述、控制和管理，基于虚拟样机技术的农业机械装备正逐渐从对虚拟样机模型的理论研究指导物理样机试制阶段发展到产品化生产阶段，并取得了一定的经济效益。

3.虚拟样机技术对农业机械设计的助推作用

随着我国现代化进程加快，应用的科研机构、企业不断增多，领域日益广泛，正是由于科研机构的应用，培养出了大量的相关技术人才，企业的实践已不再限于实验室。我国近几年农机企业和研发机构发展也在提速，国家的农机补贴政策落实，劳动强度减少，我国社会财富积累增加，使农机的购买力增强：航空、汽车行业的发展带动，给农机企业的扩张提供了动力：企业竞争加剧，因此运用新技术新工艺的欲望和可行性也在提升，这推动了虚拟样机技术在农机设计中的运用和推广。这种推动作用会促使农机的设计制造更快更好的发展，由我国现阶段的农机制造大国成为农机设计制造强国迈进早日变为现实，真正实现农机设计制造的现代化。推动作用会使农机的设计呈现以下特点：①发展和创新设计速度更快：②规模增大，应用程度更深：③由单个的设计变为多个设计同时进行的协同设计：④单机的模拟仿真变为多机的系统仿真：

4.结束语，综上所述，农业机械设计中虚拟样机技术的应用越来越广泛了，虚拟样机技术作为新兴的新产品开发设计方法，融合了面向对象技术、多体动力学理论和计算机图形学等许多先进的方法。随着我国农业机械化水平的提高，各种大型复杂联合机械需求的增加，农业机械设计研发步伐的加快，虚拟样机技术将在农业机械设计研发中扮演越来越重要的角色。