淺談虛擬樣機技術在機械設計中的應用

虛擬樣機(virtual prototyping)技術是在產(chǎn)品設計開發(fā)過程中，把虛擬建模技術(CAD)與分析技術(CAE)相結(jié)合，針對產(chǎn)品在投入使用后的各種工況進行動態(tài)仿真，預測產(chǎn)品整體性能，從而改進產(chǎn)品設計，提高產(chǎn)品性能，目前已被廣泛應用于制造業(yè)中。

一、虛擬樣機技術的優(yōu)點

虛擬樣機是實際產(chǎn)品在計算機上的表示，又稱為數(shù)字化樣機。虛擬樣機技術本質(zhì)上是一種模擬仿真技術，設計多體系統(tǒng)運動學、動力學建模理論及其技術實現(xiàn)，是基于先進的建模技術、多領域仿真技術、信息管理就是、交互式用戶界面介紹和虛擬現(xiàn)實技術的綜合應用技術。虛擬樣機的智能性并不是指完全由計算機程式化的進行產(chǎn)品設計分析，而是能夠?qū)崿F(xiàn)人機交互。虛擬樣機在一定程度上擁有與物力樣機相似的功能真實度，利用分析軟件，結(jié)合相關知識，可通過分析產(chǎn)品虛擬模型，預測產(chǎn)品性能(包括運動學特性、動力學特性、強度分析、疲勞壽命等)，為產(chǎn)品優(yōu)化提供依據(jù)(圖1)。

圖1 虛擬樣機技術的優(yōu)點

二、虛擬樣機技術相關軟件

1. Pro/Engineer(Pro/E)

三維建模工具由于有著二維繪圖軟件所無法比擬的許多優(yōu)點，正越來越多地得到應用。就目前市場上存在的各種三維建模軟件來說，Pro/E軟件，尤其是第三代產(chǎn)品Pro/E wildfire版本，由于具有強大的參數(shù)化特征造型功能而受到企業(yè)界的一致認同。參數(shù)化設計是現(xiàn)代CAD技術的一個主要發(fā)展方向。它改變了傳統(tǒng)的設計方法和過程。通過Pro/E設計出來的與物理樣機完全相同的數(shù)字化產(chǎn)品，零部件之間的裝配和干涉一目了然，而且Pro/E還具有運動仿真分析功能，通過這些功能可以把設計錯誤消滅在設計的初始階段，把設計人員從繁瑣的工作中解放出來，把設計的重點放在結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和創(chuàng)新上。

2.ADAMS

機械系統(tǒng)動力學自動分析(automatic dynamc analysis of mechanidal systems，ADAMS)是美國Mechanical Dynamics Inc公司開發(fā)的虛擬樣機分析軟件，使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷及計算有限元的輸入載荷等。ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析。另外，又是虛擬樣機分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺。

三、虛擬樣機在機械設計中的應用

虛擬樣機技術的興起，也為機械設計提供了全新的設計理念。設計初期直接在計算機環(huán)境中創(chuàng)建虛擬樣機，并進行各項仿真實驗和分析，不僅可以使機械的結(jié)構(gòu)和功能得到模擬，還能使其缺陷在最初的設計階段就能及時發(fā)現(xiàn)并加以改進，實現(xiàn)設計與完善同步進行。

以機械中的減速器為例。設計者可以使用虛擬樣機技術，通過三維建模、動力學仿真分析和優(yōu)化設計等過程，研究零部件參數(shù)對減速器性能的影響并進行優(yōu)化。減速器中的零件一般包括上、下箱體、齒輪、齒輪軸、鍵、軸承、套筒、端蓋等主要零件。在建模過程中，首先應用Pro/E 軟件建立減速器的帶有質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等物理特征的各個部件，并完成零部件的裝配。當減速器Pro/E 模型完成后，利用IGES接口輸入實體模型ADAMS 軟件中，添加相應的約束與驅(qū)動后，設置仿真平臺相應的輸入輸出參數(shù)，即可進行減速器動力學性能參數(shù)的分析與求解。在仿真的基礎上就可以進一步對所設計的機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

(作者單位:山東理工職業(yè)學院)