淺談虛擬樣機技術應用與發(fā)展

摘 要：虛擬樣機技術已被廣泛的應用到制造業(yè)中，較傳統(tǒng)設計方法而言，采用虛擬樣機技術進行機械產(chǎn)品的設計研發(fā)能大大縮短產(chǎn)品的設計、開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。本文主要從概念、特點以及應用和發(fā)展對虛擬樣機技術進行了闡述。

關鍵詞：虛擬樣機；物理樣機；計算機仿真；應用與發(fā)展

引言

隨著世界經(jīng)濟的快速發(fā)展，市場競爭日趨激烈，這種外部因素的影響下，機械產(chǎn)品要提高競爭力、滿足客戶需求，就必須針對市場環(huán)境和需求，改變產(chǎn)品開發(fā)模式，提高產(chǎn)品技術含量。隨著計算機技術的快速發(fā)展，現(xiàn)代信息技術已逐漸的應用到機械產(chǎn)品的設計與研發(fā)中，并成為提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能的一種新技術手段，同時也為虛擬樣機技術的發(fā)展和應用提供了更為方便的操作平臺[1]。

1 虛擬樣機技術的概念

虛擬樣機技術是一種通過綜合運用計算機輔助設計中先進的建模、信息管理和多領域仿真等對產(chǎn)品進行設計和分析的方法。利用虛擬樣機技術建立產(chǎn)品計算機模型，對模型進行仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果指導產(chǎn)品的后續(xù)研發(fā)以及產(chǎn)品的改進設計；同時可以分析機械產(chǎn)品在不同應用環(huán)境下的整體性能，進而對產(chǎn)品的質(zhì)量性能進行評價[2-3]。

在以往的機械產(chǎn)品研發(fā)過程中，對方案進行論證、根據(jù)經(jīng)驗進行初步的設計、后續(xù)的細節(jié)進一步修正或改進設計等一系列流程總是在不斷的循環(huán)討論當中。為了驗證設計是否合理、可行，功能能否實現(xiàn)，還需要對物理樣機進行多次的測試實驗，根據(jù)實驗結(jié)果，再對產(chǎn)品的設計方案進行改進，同時再次制造或改進物理樣機進行實驗以達到設計的要求。在機械產(chǎn)品設計和研發(fā)中應用數(shù)字化的虛擬樣機技術改變了產(chǎn)品設計→樣機建造→測試評估→反饋設計的傳統(tǒng)設計流程，避免了物理樣機的生產(chǎn)及其修改加工，節(jié)約了設計研發(fā)成本。通過數(shù)字化的計算機輔助設計技術，可迅速縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，同時也有利于不同設計工作的協(xié)同進行。

2 虛擬樣機技術的特點

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程如圖1所示，機械產(chǎn)品的設計是一個不斷的循環(huán)過程。為了驗證設計方案是否合理，需要制造樣機進行性能測試，但設計過程中往往需要對設計及樣機進行多次改進，才能獲得符合要求的設計方案，這種設計方法往往耗時、耗力、耗物。

圖1 傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)過程

利用虛擬樣機技術對機械產(chǎn)品進行的設計研發(fā)是一個并行的過程，其設計流程如圖2所示。通過對多種設計方案進行如有限元、運動學和動力學等仿真分析，對仿真結(jié)果比較，最終確定一個最優(yōu)化的方案，產(chǎn)品研發(fā)周期短，研發(fā)成本低，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 虛擬樣機技術產(chǎn)品開發(fā)流程

與傳統(tǒng)設計方法對比，虛擬樣機技術主要有以下特點：

（1）全新的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計研發(fā)是一個串行的過程，而采用虛擬樣機技術則可以實現(xiàn)產(chǎn)品不同設計工作的同時進行，通過仿真得到產(chǎn)品在不同使用環(huán)境下的動態(tài)響應，進而評價不同設計方案可行性。

（2）產(chǎn)品研發(fā)周期短、成本低、質(zhì)量高。基于虛擬仿真平臺建立初步設計完成后的產(chǎn)品模型，對所建模型進行多次仿真試驗，這樣省去了樣機的制作時間，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，同時也能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

（3）實現(xiàn)動態(tài)設計的重要手段。企業(yè)間可以通過網(wǎng)絡將各自的產(chǎn)品的信息進行傳遞，以便雙方就一些產(chǎn)品設計信息進行交流，同時可以就設計問題進行討論，實現(xiàn)了不同時間、地點、人員對產(chǎn)品設計的進行。

（4）支持產(chǎn)品的全方位測試、分析與評估。利用虛擬樣機技術對產(chǎn)品在不同應用環(huán)境下的動態(tài)響應進行仿真，根據(jù)結(jié)果對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行分析，得到產(chǎn)品全方位的測試結(jié)果，有利于對產(chǎn)品進行全方位的分析和評估。

3 虛擬樣機技術的應用與發(fā)展

虛擬樣機技術在國外已得到了深入的研究，并已成功的應用在汽車制造、武器裝備制造、船舶制造、醫(yī)療機械制造等諸多制造行業(yè)中。無論是海里的軍艦、奔馳的火車等這些大型復雜的機械系統(tǒng)，還是自行車的鏈條、減速器的齒輪等較小的結(jié)構(gòu)件，虛擬樣機技術在其研發(fā)過程中都有應用，并為產(chǎn)品的設計生產(chǎn)提供了重要的保障。

隨著我國對虛擬樣機技術的研究不斷開展，虛擬樣機技術在我國應用的領域也在不斷擴大，但主要集中在一些大學、科研院所和一些大型的制造企業(yè)。其中武漢理工大學利用虛擬樣機技術實現(xiàn)了計算機對船用起重機在各種工況下作業(yè)過程的三維可視化仿真分析[4]；西北機電工程研究所采用虛擬樣機聯(lián)合仿真平臺實現(xiàn)了發(fā)射藥協(xié)調(diào)器的機電液一體化仿真[5]；交通運輸部水運科學研究院對軌道式集裝箱門式起重機虛擬樣機模型進行了動力學仿真，并對門架結(jié)構(gòu)進行了可靠性分析[6]；遼寧工程技術大學通過建立采煤機、掘進機和刨煤機的剛?cè)狁詈夏Ｐ停瑢Σ煌r下機械部件的可靠性、動態(tài)特性進行了分析，將虛擬樣機技術成功的應用于工礦企業(yè)的產(chǎn)品設計研發(fā)當中[7]。

雖然我國對虛擬樣機技術的研究雖然取得了快速的發(fā)展，但在理論和實踐的深度方面的研究與國際水平還存在著較大的差距，應用范圍還不夠廣闊，還有很大的提升空間。

4 結(jié)束語

虛擬樣機技術作為一種新興的設計制造技術，有著廣闊的發(fā)展和應用前景，并且已被廣泛的應用到機械制造業(yè)的設計研發(fā)中，對其進行深入的研究，有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量，使其能夠及時的適應市場經(jīng)濟發(fā)展的需要。同時對虛擬樣機及其關鍵技術進行研究，擴大該項技術的工業(yè)應用領域，對于我國制造業(yè)的發(fā)展也具有重大的戰(zhàn)略意義。

參考文獻

[1]張衛(wèi)，吳慧中.虛擬樣機概念及體系結(jié)構(gòu)研究[J].組合機床與自動化加工技術，2002（10）：12-14.

[2]劉國昌，韓虎.基于ADAMS協(xié)同仿真技術的研究與實現(xiàn)[J].起重運輸機械，2008（6）：38-40.

[3]胡蓉，胡如夫.機械產(chǎn)品虛擬樣機協(xié)同開發(fā)技術[J].機床與液壓，2003（7）：145-146.

[4]楊寶林.基于虛擬樣機技術的船用起重機技術結(jié)構(gòu)動力學仿真[D].武漢：武漢理工大學，2008.

[5]梁輝，王玉林，馬春茂，等.發(fā)射藥協(xié)調(diào)器虛擬樣機建模與仿真[J].兵工自動化，2011，30（5）：86-88.

[6]李益琴，劉晉川，李志建.軌道式集裝箱門式起重機的虛擬樣機仿真[J].水運科學研究，2010（1）：17-21.

[7]趙麗娟，田震.采煤機截割部工作穩(wěn)定性研究[J].機械傳動，2012，36（7）：14-16.

作者簡介：徐雷（1987，2-），男，遼寧阜新，本科學歷，助理工程師，研究方向：煤化工方向。