仿真技術在農機設計中的應用

王保愛

（甘肅畜牧工程職業技術學院，甘肅 武威 733006）

1 仿真技術的介紹

仿真技術一般又稱為虛擬現實技術，仿真技術就是為了適于對機械系統的設計與開發技術要求，利用設計好的軟件，進行計算機形象的模仿機構的運動，并利用計算程序通過組合 給原動件加以動力，再給各個零件賦上不同的材質參數，則整個機構就可以按預定的方式運動，這種技術就稱為仿真技術。這種技術綜合了計算機三維圖形技術、計算機仿真技術、多傳感交互技術、顯示技術、網絡技術等多種高新技術的成果，仿真技術主要體現在仿真的軟件的應用上，首先在三維造型軟件上現在運用比較廣泛的有MDT、UG Pro/ENGINEER、SolidWorks、SolidEdge等；在有限元分析軟件上主要有WorkingModel FEA ANSYS等；運動學分析仿真軟件主要有ADAMS、WorkingModelMotion等；三維動畫設計軟件主要有3D Studio MAX IPA等。三維設計軟件MDT是由美國Autodesk公司開發并研制的將高級三維建模功能和二維繪圖功能融于一體的集成軟件包，它含AutoCAD2000的全部功能，可創建零件的三維模型，也可使用三維零件創建二維工程圖，因此具有強大的三維立體建模和裝配功能。MSC Working knowledge所提供的 Working model系列軟件是對產品功能的設計、仿真、驗證和優化，仿真是個設計過程中的基本部分。ANSYS軟件是目前世界上最著名的幾大有限元分析軟件之一，他融結構、熱、流體、電磁及聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，廣泛應用于航空航天、造船、機械制造、能源及生物醫學等領域；3D Studio MAX軟件是由美國開發的世界上最著名的三維動畫軟件之一。

2 仿真技術的在農機設計中的重要意義

隨著科技水平的不斷提高和機械運行環境的復雜程度越來越高，對機械設計與開發技術的要求也是越來越高。由于機械工作環境的復雜性很難對其模仿，在機械設計之前很難對系統做出合適的評估，所以需要通過計算機的仿真在對機械部件和系統加工前對機械運動方案以及各類傳動機構進行仿真，之后進行綜合分析從而對所設計的系統進行判斷找出不合適的設計從而能夠更快、更準確、成本更低的找出改進的方案。

在農業機械設計方面，我國傳統的農業機械的設計很大一部分是憑借經驗進行類比設計，一般只進行靜態分析而不注重動態特征的分析。但是隨著用戶需求多樣化、個性化和市場競爭的激烈化，能否對市場做出迅速的響應，生產出最大程度滿足顧客要求的高質量低成本的產品是生產廠家要解決的問題，在農機設計方面縮短研發周期，降低產品成本，是實現農業機械化的一個關鍵要素。同時，由于我國地形以及作物的多樣性，不同的作物需要不同的機械，同一作物在不同生長階段也需要不同的機械，甚至同一作物在不同的地域、氣候等條件下對機械的要求也不盡相同。因此，需要為每一特定的情況制造出與之相適應的機械。因為農業機械的試驗季節性強，開發周期長，如果用傳統的設計模式，這無疑是一項巨大的工程。而使用仿真技術可以解決上述兩個問題。

在農業設計上，軟件的作用主要表現在以下幾個方面：①設計人員可利三維設計軟件 MDT構思和設計自己的機械，創建各種復雜的表面，還可以利用曲面在零件上增減材料來創建模型，這樣就解決了農業機械中不規則曲面設計的難題；②3D Studio MAX可以使農業機械的運轉過程形成真實的動畫文件；③MSC Working knowledge的仿真技術與可視化處理及協同工作融為一體，可以為設計提高產品質量和降低成本，縮短產品投放市場的時間提供了非常有效的途徑；④ANSYS軟件也可以大大提高設計的效率。這些軟件是基于計算機的農業機械的設計，主要是利用計算機來生成零件或整機的二維或三維圖形，也即是傳統意義上的 CAD建模。

3 農機設計的仿真的基本過程

農機設計的仿真基本過程是三維實體造型和三維實體模型的利用。文章將對這兩個方面進行一些基本的介紹，并結合當前的技術進步，進一步分析三維實體造型和模型的利用后，提出一些改進型的措施。

（1）三維實體造型方面，利用基于 WINDOWS操作平臺的如 MDT SolidegeSolidwork三維實體造型軟件，這些軟件的基本建模思想都是一致的，由簡單的草圖通過拉伸、旋轉、掃描和蒙皮等而得到三維實體，進一步得到這些實體構成各種各樣的機械零件，零件在裝配模塊中裝配成機械裝置，得到與實際機械1：1尺寸的計算機模型。文章以1GT 210型植被破碎機減速箱蓋的設計為例，對 MDT在農業機械三維造型技術中的應用加以闡述。具體設計的過程如下：①首先繪制二維草圖拉伸 15mm得到實體完成了蓋板三維實體圖繪制；②選擇蓋板的一面為坐標平面后繪制4個圓拉伸15mm得到 4個圓柱型凸起。③用與拉伸相反的挖削實體特征工具做4個圓的草圖，挖通孔得到軸承端蓋孔；④根據加強筋和突臺的截面形狀及相關尺寸繪制二維草圖，選擇適合的草圖平面，拉伸得到加強筋及突臺；第五，選擇合適的尺寸及形狀用打孔工具在指定位置打一個孔，然后用特征陣列得到其它各螺栓孔，其他三個孔用相同的方法來做；⑤在蓋板周圍以要求的距離間隔用打孔工具選擇合適的孔徑及形狀打螺栓孔。這樣就基本完成了減速箱上箱蓋的三維實體模型，在用渲染工具進行渲染。除了上述的建模之外，現代的建模還有功能建模、知識建模、行為建模，這些建模都可以大大提高工作效率，除了上述的建模軟件之外，還有pro/E、UG 等。

（2）在完成三維實體造型之后，還要利用三維實體模型進行進一步的分析，以完善三維實體的利用。①工程圖的構造。要在任意方向上的觀察三維實體模型，看其是否滿足設計與使用要求，如果滿足了設計要求，則可以直接利用軟件進行任意位置剖視圖或者三視圖，以滿足設計的需要；②裝配檢測，又稱為虛擬裝配。現代的軟件一個非常大的好處就是可以利用軟件考慮零件的加工工藝、直接觀測到所設計的零部件間的裝配關系及整機的布局，以減少通過實體試驗的方式與方法，節省了時間和物力、人力；③數控加工，傳統的設計方法是在設計好的零部件的數據送到加工中心，在仿真中可以在正式加工之前借助 CAM 軟件進行機械制造仿真，減少加工時產生干涉等不正常現象，還可以對各部件之間進行靜態干涉檢查；④生成整機動畫圖像。將所設計的三維實體模型與3DMAX IPA等軟件結合就可以生產十分逼真的機器設備，而且可以通過軟件調整各種設計元素；⑤在完成了設計仿真之后，還要運動學、動力學仿真。使用動態仿真軟件進行運動學和動力學分析，得出各個點的如力、加速度、速度及位移等運動學和動力學參數，以供今后分析之用，常用的運動學與動力學仿真分析軟件有 ADAMS、DADS、SIMPACK 等；⑥最后一步，就是利用有限元分析軟件進行對機器的應力、振動以及屈曲、撓度等有限元的分析，優化機械設計中的力學和材料的參數，達到最優化的設計目的；⑦在仿真設計之后，還要與物理實驗進行對比分析，如果兩者的結果一致，則進行優化設計，這個過程是把虛擬樣機和虛擬環境結合，把虛擬樣機導入虛擬現實系統中建立人機交互的模擬程式得出對虛擬樣機的認識和評價，這一步也是在當前科技發展的結果，建立人機交互的模擬程式的軟件有 EON Studio、VRML、WTK 等，其中EON Studio與 WTKT和 VRML比較它的編程工作量要少，用可視化節點來實現實體的行為功能和人機交互，比較容易掌握。

4 結語

當前基于仿真技術的虛擬現實技術尤其是虛擬現實技術中的人機交互這一技術在農業機械設計上的應用還很少，基于仿真技術的虛擬現實技術一門多學科融合的交叉技術和前沿科學領域，要實現農機設計的仿真的應用，首先是要有強大的軟件的支撐和完善的計算機、試驗設備作為保障才能夠完成。農機設計部門也要及時突破傳統的設計思想和設計方法，不斷更新設計的思維、學習先進的設計方法才能夠真正掌握好仿真設計的技術。

[1]鄒湘軍，孫健，何漢武，等.虛擬現實技術的演變發展與展望[J].系統仿真學報，2004，（9）.

[2]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，（4）.