虛擬樣機技術在農業機械領域中的應用分析

徐金蘇 浙江省臺州學院，浙江省臺州市 318000

虛擬樣機技術在農業機械領域中的應用分析

徐金蘇 浙江省臺州學院，浙江省臺州市 318000

文章通過介紹虛擬樣機技術的基本情況，對虛擬樣機技術在農業機械領域的應用進行了分析。隨著技術進步和成本降低，虛擬樣機技術在農業機械中的全面應用將勢不可擋。

虛擬樣機技術；農業領域

引言

傳統的物理樣機設計由于要考慮研制成本、周期等因素，只能進行有限范圍、有限次數的試驗，而虛擬樣機技術則可實現對虛擬樣機無數次的仿真測試，便于及時發現產品在設計、制造和使用中的各種缺陷并采取有效措施并修正之。

1 虛擬樣機技術簡介

1.1 虛擬樣機技術的定義

虛擬樣機技術是一門綜合多學科的技術，源于對多體系統動力學的研究。虛擬樣機技術就不同的領域，有著不同的定義。機械工程中的虛擬樣機技術稱為機械系統動態仿真技術，是20世紀80年代隨著計算機技術的發展而迅速發展起來的一項計算機輔助工程技術。多體系統動力學是虛擬樣機技術的核心理論。

1.2 虛擬樣機技術的優點

虛擬樣機技術優點：①全新的研發模式；②更低的研發成本、更短的研發周期、更高的產品質量；③實現動態聯盟的重要手段等。它是許多技術的綜合。目前，最先進的虛擬樣機技術及其分析軟件包含以下技術：幾何形體的計算機輔助設計（CAD）軟件和技術；動態仿真；有限元分析（FEA）軟件和技術；模擬各種各樣作用力的軟件編程技術；利用試驗裝置的實驗結果進行某些構件的建模；控制系統設計與分析軟件和技術和優化分析軟件和技術等。

1.3 虛擬樣機技術的研究范圍

虛擬樣機技術的研究范圍主要是機械系統運動學和動力學分析，其核心是利用計算機輔助分析技術進行機械系統的運動學和動力學分析，以確定系統及其各構件在任意時間的位置、速度和加速度，同時，通過求解代數方程組確定引起系統及其各構件運動所需的作用力和其反作用力。

1.4 虛擬樣機技術的發展現狀

目前，虛擬樣機技術已在我國得到了應用與推廣，主要在汽車、航天航空、武器制造、機械工程等。

1.4.1 虛擬樣機技術在國內的應用。中航第一飛機研究院成功推出了國內首架飛機全機規模電子樣機；在863項目“月球表面探測機器人方案研究”中運用虛擬樣機技術構造虛擬月球面計算仿真環境，并對涉及的多項關鍵技術進行了深入研究，取得了很好的成果。但從我國目前的情況來看，虛擬樣機技術只停留在初步應用階段，有很大的提升空間。

1.4.2 虛擬樣機技術在國外的應用。虛擬樣機技術最早在一些發達國家，如美國、德國、日本等。在各領域，針對各種產品，虛擬樣機技術都為用戶節約開支、時間并提供滿意的設計方案。

約翰·迪爾（John Deere）利用虛擬樣機技術解決工程機械在高速行駛時的蛇行現象及在重載下的自激振動問題；福特汽車公司在某一款新車的開發中也采用了虛擬樣機技術，縮短設計周期70天；美國海軍的NAVAIR/APL項目，利用虛擬樣機技術，實現多領域多學科的設計并行和協同，形成了協同虛擬樣機技術；當然最為熟悉的是，美國波音飛機公司的波音777飛機是世界上首家以無圖紙方式研發并制造的飛機。

綜上，從產品優化設計到工程咨詢，虛擬樣機技術的應用無處不在。

2 虛擬樣機技術在農業機械領域的應用

2.1 虛擬樣機技術在農業機械領域的應用現狀

目前，虛擬樣機技術在我國正被引起重視，但在農業機械設計開發上的應用還不是很普遍。今后，應該進一步加強虛擬樣機在農業機械設計開發中的推廣應用，增強我國農業機械產品的開發能力。

2.2 農業機械虛擬研究的必要性

由于我國多樣性的地形和作物以及農業機械對季節性的高要求，決定了農業機械設計研發過程周期長，成本高，加上有些理論的分析和綜合計算過程復雜，計算量相當大，農業機械的研制存在較大的困難。而傳統的農業機械設計對于相對復雜的機構分析和綜合問題，往往借助于作圖法和經驗的拼湊。由于這些原因，傳統的理論分析，很多只是定性地說明問題，缺乏精確的計算和驗證。同時，傳統的農業機械設計中很多設計參數靠設計人員的經驗決定，并且常常只是對產品進行靜態分析而不注重動態特征分析，這些都嚴重制約了產品質量的提高。

2.3 農業機械關鍵部件虛擬研究的意義

對農業機械進行虛擬研究可克服傳統物理樣機設計中的不足之處，可降低成本，提高效益，實現信息資源共享等。同時，利用虛擬樣機技術對農業機械關鍵部件的虛擬研究具有如下意義：①對農業機械關鍵部件的工作性能好壞嚴重影響到整機的工作性能。利用虛擬樣機對其關鍵部件的參數進行動態仿真分析，并進行有效結構優化是必要的；②利用虛擬樣機技術，對農業機械的關鍵部件進行動力學仿真研究，可以在較短的時間內，以較小的成本分析確定影響整機工作性能的主要因素。

3 結束語

根據農藝要求，利用虛擬樣機創新性地設計制作農業機械，并嘗試利用相關CAD技術對關鍵機構進行參數優化、二維草圖設計、三維建模、虛擬樣機仿真和有限元強度分析。通過虛擬樣機的制作及相關CAD技術的使用，對農業機械進行不斷改進，最后設計出結構簡單、工作性能可靠、成本可行的農業機械，這為物理樣機的制造及其使用提供了理論依據和科學指導。

[1]范成建,熊光明,周明飛,等.虛擬樣機軟件MSC.ADAMS應用與提高[M].第8版.北京:機械工業出版社.2006;1-10

[2]趙志平,李新勇.虛擬樣機技術及其應用和發展[J].機械研究與應用.2006;19(1):6-7

[3]陸琳,李耀明.虛擬樣機技術及其在農業機械設計中的應用[J].中國農機化.2004(4):59-60

[4]祖旭,黃洪鐘,張旭,等.虛擬樣機技術及其發展[J].農業機械學報.2004;35(2):168-171

[5]包金宇,廖文和,薛善良,等.虛擬樣機技術初探[J].機械制造與自動化.2003(6):1-3

[6]熊光楞,李伯虎,柴旭東,等.虛擬樣機技術[J].系統仿真學報.2001(1):114-117

[7]楊方飛,閻楚良,張書明,等.虛擬樣機技術在水泵設計中的應用[J].農業機械學報.2005(1):38-41

[8]席俊杰.虛擬樣機技術的發展及應用[J].制造業自動化.2006;28(11):19-21

[9]王志華,陳翠英.基于ADAMS的聯合收割機振動篩虛擬設計[J].農業機械學報.2003;34(4):53-56

徐金蘇（1983-），女，浙江臺州，工學碩士，機構學與機械動力學。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.056