機械工程設計中的虛擬樣機技術分析

李文豪

摘 要：文章簡單介紹了虛擬樣機技術的概念及其特點，對機械工程設計中虛擬樣機技術的應用，尤其是在農業機械設計中的應用做了深入分析和探討，以期為技術研發提供方向性的參考。

關鍵詞：機械工程；設計；虛擬樣機；技術分析

隨著經濟和科技的迅猛發展，企業在激烈的市場競爭中要想謀求長期穩定的發展，就要不斷研發適應市場需求的新產品，并縮短研發周期、優化設計性能、提高產品質量、降低開發成本。虛擬樣機技術相較于傳統的物理樣機技術而言，以其卓越的性能受到企業和研發者的青睞。以虛擬樣機取代物理樣機進行新產品開發中的前期設計和測試評估，可有效縮短開發周期和降低開發成本，同時能優化產品的設計效果，尤其在機械工程設計中發揮著舉足輕重的作用。

1 虛擬樣機技術的概念及其特點

虛擬樣機技術相對傳統物理樣機而言的顯著特點是；虛擬，即通過計算機借助特定的軟件程序幫助工程師建立三維模型，依靠先進的仿真模擬系統實施仿真模擬實驗，對機械在實際運行中的情況加以分析和評估，幫助工程師及時找出設計不足和缺陷，并采取針對性的措施加以改進，提高機械設計的效率和質量[1]。簡單地講，該技術是在計算機基礎上，運用CAD等設計制圖模型，借助仿真模擬技術進行機械設計的一種新技術。

該技術的特點是：在機械設計整個過程中借助高科技的設計和管理技術實施開發、分析和設計，極大地縮短了研發設計周期，提高了機械設計的質量和效率，同時也降低了設計成本，有助于提高企業的市場競爭力。

2 機械工程設計中虛擬樣機技術的應用

2.1 模型建立

2.1.1 三維模型的建立

建立三維的實體模型是運用虛擬樣機技術的基礎和前提，后續的仿真實驗都要在這個基礎上進行[2]。建立數字化的三維模型過程極其繁雜，除了對諸如齒輪、扇葉等外形復雜的零部件進行詳細的細部設計，還要對各種機械內部的每種部件間的相關驅動聯系予以充分考慮，以此為基礎再借助CAD等軟件程序搭建完整的機械系統的虛擬樣機。早期的CAD以二維為主，這種方式的設計過程復雜且不容易操控，在生產中不具有優勢，科技發展使得當前的三維CAD得到了普遍推廣，機械產品內部的每個部件的轉動慣量、質心位置和搭接的細節都能得到詳盡的設計和明確表述，設計深度和效率都得到了顯著提高，軟件應用更加便捷人性化。

2.1.2 添加約束

建成數字三維模型后，為了規范和限制物體之間的相對運動，在對各個部件進行連接時要添加適當的約束。添加約束時，要從實際情況出發注意所添加約束條件的合理性。當前，國內使用的三維CAD設計軟件多配有相關的動力學插件，通過這些插件對約束關系和裝配關系加以映射，可實現對虛擬裝配和添加約束的過程相統一。另一種方式是，借助三維CAD軟件進行預裝配，繼而在ADAMS運動分析軟件中導入已經完成的數據模型，通過ADAMS實現對產品運動情況的如實分析[3]。

2.1.3 對模型施加驅動

通過設置合理的約束在模型的各零部件之間實現連接，在確定各種機械運用的情況后，對模型施加驅動力及驅動轉矩，以使模型能夠按照預先設計好的運動情況進行運動。

2.1.4 虛擬樣機仿真

驅動施加完成后，模型已基本建成，已經具備仿真模擬的實驗條件。進一步，對產品模型實施模擬仿真的實驗操作，分析計算各項物理指標，如速度和加速度、作用力和反作用力以及位移等，為后續有限元的分析做準備。

2.2 有限元分析

有限元的分析方法能對機械內部各構件的強度和運動特性指標等進行全面、精準的分析，其顯著特點是通用性強[4]。另外，有限元的分析方法還能實現對諸如邊界條件和結構形狀等力學問題的專業解答，目前在機械設計中得到了比較廣泛的應用。有限元的分析方法運算速度和可靠性都比較高，在虛擬樣機技術中是不可或缺的設計工具。

2.3 優化設計

為提高機械使用的工作效率，在對機械模型進行必要的校驗后，還要對其設計進一步優化。目前，國內在對機械模型進行優化時主要方法包括：在滿足各項機械設計的條件、變量的變化區間也適宜的基礎上，通過自動選擇系統來選擇機械模型設計中涉及的變量；在求解目標函數的最大值時可以通過分析函數進行計算；通過計算機計算系統改變設計參數的變量范圍并加以求解，并可進行多次仿真[5]。特別是在每一次的仿真模擬完成后，要對模型的參數變量進行多次更改，通過反復的模擬實驗，求得待求物理量的最優解。

2.4 控制、機械系統聯合仿真

在機械開發的傳統模式中，機械系統和控制系統不管是在設計還是測試上都是相互獨立的，二者之間并沒有有效的互動，從而導致機械設計的實際效果并不理想。虛擬樣機技術可將機械系統和控制系統實現一體化控制，將二者進行有效融合和統一，切實解決了傳統的機械開發中控制效能低下等問題。虛擬樣機技術中機械和控制系統的聯合仿真思路具體如下：借助仿真軟件分析三維模型的力學及動力學特性，再利用矩陣實驗室等控制軟件加以控制計算。這種設計思路中，控制軟件將控制命令作用于運動學的仿真軟件，后者將作用結果的反饋信息發送到虛擬的位置傳感器，從而實現對控制系統的有效控制。兩者綜合，機械系統和控制系統的聯合就能順利實現。

3 例證分析

目前，虛擬樣機技術應用的范圍和領域非常廣，例如船舶加工、武器制造和包裝機械設計及農業機械設計等。下面以其在農業機械設計中的應用為例加以分析。

一方面是仿真技術和多柔體的系統建模相結合。由于多柔體系統中的動力學重在研究剛體運動和彈性變形之間的耦合性，所包含的運動形式復雜多樣，動力學方面的計算難度大，借助虛擬樣機進行仿真研究是當下的一個重點。比如在聯合收割機的改良實驗中，比較成熟的是對收割機的內部各種零件等剛體的建模和仿真技術，而針對小麥、水稻和玉米等柔體作物進行完整模型的建立以及柔體模型與收割機內部各部件的綜合仿真模擬則是研發的重點和難點。

另一方面是協同仿真技術，即將各個學科的模擬仿真工具加以結合，進而構建復雜多樣的模擬仿真系統，在充分發揮各模擬仿真系統的單獨作用時，協調不同領域的開發人員進行高效配合，實現產品研發的多元化和復合化。現代化農業機械越來越注重減輕農民的操作難度，也越來越注重多種作用的綜合和集中，農業機械設計中所涉及的學科及領域也越來越多、越來越廣，比如，如何把農用拖拉機的控制系統和機械系統加以高效綜合的系統模擬仿真一直是技術研發的重點。

4 結束語

綜上，虛擬樣機技術在長期的研發和應用過程中以其設計周期短、效率高和產品性能穩定等優勢在機械工程設計領域得到了普遍推廣和普及，但仍需進一步完善和改進，從而更好地為機械工程設計及其他學科和領域提供更大的便捷和更優質的服務。

參考文獻

[1]盧建湘.虛擬樣機技術在機械設計過程中的應用[J].赤峰學院學報（自然科學版），2015，31（9）：45-47.

[2]張鳴，任建平，等.基于虛擬樣機的機械設計方法[J].機械設計，2006，19（11）：49-51.

[3]彭廣林.機械設計中虛擬樣機技術的有效運用[J].科技導向，

2011，28（11）：119-120.

[4]李杰，閆楚良，等.農業機械設計中虛擬樣機技術的應用與展望[J].中國農業機械協會，2013，13（3）：820-821.

[5]王剛，楊鶯，劉少軍.虛擬樣機技術在工程機械領域的應用[J].工程機械，2003（8）：11-13.