虛擬樣機技術的應用

王臘苗

摘 要：機械制造業作為我國的傳統工業，是我國工業發展的重要組成部分。伴隨著社會經濟的騰飛發展，行業內部的競爭日益激烈。新產品的開發設計技術作為競爭的核心內容，虛擬樣機技術的產生，推動了新產品設計開發的速度，同時降低了設計成本，縮短了設計周期，提高了產品的市場競爭力[1]。

關鍵詞：虛擬樣機技術；仿真；發展

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.021

1 虛擬樣機技術概述

虛擬樣機技術是一種新產品設計技術，設計師可以利用CAD/CAE以及二次開發軟件在計算機上建立產品機械系統的三維實體模型和力學模型，利用有限元分析、邊界元分析、matlab以及C語言等軟件程序的綜合應用模擬分析在真實環境下對機械產品進行運動學、動力學分析。為物理樣機提供有力的參數依據。借助于這項技術，它能夠反映新產品的各項特性，包括外觀、功能以及運動學和動力學特性[1]。虛擬樣機技術對制造業產生了巨大沖擊。

2 虛擬樣機技術的發展現狀

虛擬樣機技術起源于上世紀80年代，最早應用在軍事、航天部門[3]。近年來，虛擬樣機技術被應用到更廣泛的領域，如汽車制造、飛機制造、印刷機制造、農業機械制造等。美國、日本等國家先后在汽車、飛機、數字化機車、火星探測器、反鏟裝載機以及虛擬廚房設備系統中采用虛擬樣機技術優化系統結構，成功的縮短了研發周期。[1]在我國，遼寧工程技術大學、武漢理工大學、西北機電研究所、等在采煤機、掘進機和刨煤機的剛柔耦合模型、船用起重機、發射藥協調器等的設計研發中運用了虛擬樣機技術[4]。虛擬樣機技術在我國起步較晚，關鍵技術還在進一步拓展階段

3 虛擬樣機技術的特點

利用傳統的設計方法設計新產品，首先要確立設計方案、分析機構原理，繪制機構原理圖以及所有零件的零件圖和總裝圖，確定加工技術和方案，制造物理樣機進行運行試驗，通過暴漏出的缺陷與弊端，提出改進方案，重新設計并制造物理樣機，再試運行。整個過程持續時間長，任務繁重，成本高。虛擬樣機技術在制造物理樣機之前，通過模型的仿真分析，在計算機虛擬環境下模擬產品運行的真實環境，觀察機構各部分的運動，通過數字和圖表顯示系統缺陷，在虛擬樣機三維模型中修改參數即可完成系統優化[2]。

與傳統的新產品研發相比，虛擬樣機技術具有很大的優勢。包括以下幾個方面：（1）通過軟件的仿真分析功能，在虛擬的環境中模擬產品運行的真實環境，為物理樣機的制造提供參數依據。（2）縮短了新產品的研發周期，降低研發成本，促使新產品盡早上市。（3）通過部分參數的修改，便能達到系統的優化設計。（4）與傳統的仿真軟件相比，應用領域更加廣泛，對產品性能等的分析更加周全，有助于提高產品的質量[5]。

4 虛擬樣機技術在機械設計中的應用

虛擬樣機技術作為一種新興的設計理念，使復雜的設計程序簡單化。本文以農業耕作機械小型旋耕機為例，闡述虛擬樣機技術在機械設計領域的應用。小型旋耕機的虛擬樣機的建立主要要涉及Solidworks和Adams兩個軟件。旋耕機的設計分為三維建模，動力學、運動學分析和優化設計三個階段。 第一階段，利用Solidworks初步建立旋耕機的結構原理簡圖（圖3，其中1齒輪箱、2主梁、3傳動箱、4刀軸、5右刀片、6左刀片、7左支架、8右支架、9右支架），繪制個零件的三維實體圖（圖4）[6]，并裝配。第二階段，將文件另存為parasolid（.x_t）格式，導入邊界元分析軟件Adams中，定義材料屬性、彈性模量、泊松比等參數，并添加不同的約束和驅動力，創建與旋耕機實際運行環境一致的虛擬環境，進行動力學分析。第三階段，通過仿真獲取相關數據，評估旋耕機設計方案的優劣性，對存在的不足之處及時優化改進。

參考文獻：

[1]熊光楞.虛擬樣機技術[J].系統仿真學報，2001（01）.

[2]席俊杰.虛擬樣機技術的發展及應用[J].制造業自動化，2006（11）.

[3]彭立彬.虛擬樣機在防空武器研發中的應用[J].飛航導彈，2005（08）.

[4]徐蕾.淺談虛擬樣機技術應用與發展[J].科技創新與應用，2014（03）.

[5]祖旭.虛擬樣機技術及其發展[J].農業機械學報，2004（02）.

[6]鄭智榮，楊堅，梁忠山，周仕城，范雨杭，劉增漢.小型旋耕機虛擬樣機模型建立[J].廣西：農業機械化，2010（03）.

[7]王凱湛.虛擬樣機技術在農業機械設計上的應用和發展[J].農機化研究，2008（04）.endprint