試析虛擬樣機在農機產品研發中的應用

郭奕杉

一、虛擬樣機

虛擬樣機技術指的是創建第一臺物理樣機前，借助先進的計算機技術創建相關產品數字模型，以實體可視化為基礎，通過實施仿真分析模擬系統在實際工作環境下，所具備的運行狀態，包括其具備的運動學及動力學特性，經過多次修改與設計后，最終制定出最佳設計方案。虛擬樣機技術綜合多種現代技術，如現代信息技術、設計制造技術、建模仿真技術、現代管理技術，將上述科技手段應用于產品生命周期設計與管控中。相比于傳統的設計技術而言，虛擬樣機技術更加側重于系統運行，可實現產品多方面、全方位測試，針對產品性能、質量等要素展開科學分析及評估，各領域均可實行協同設計。

這一技術主要研究范圍集中在機械系統運動與動力學分析上，核心內容為通過計算機輔助技術圍繞此展開分析，據此明確整個系統運行、不同構件所在位置、基本速度等。與傳統產品設計方式的不同之處主要體現在下述幾點：1.采用數字化手段，實施產品虛擬設計，為工作人員優化產品創造了有利條件;2.可實現協同設計，虛擬企業各部門、人員基于同一設計目標，分別從各個角度、需求進行虛擬樣機測試分析;3.虛擬樣機技術下的產品設計所用周期短，無需耗費過多成本，快速比對產品各項參數后，得出產品性能信息，直至達到最優狀態。

二、虛擬樣機在農機產品研發中的應用

1、制作與測試

現階段部分企業開始將設計流程作出適當調整，將其設置為方案設計——圖紙設計——虛擬樣機設計——測試——參考測試參數與結果優化——重新設計虛擬樣機——重新測試虛擬樣機，直至測試結果符合設計需求，能夠滿足實際需要，最終進行產品生產。上述過程具有較強的反復性，尤其是虛擬樣機的設計與測試更是十分關鍵，兩個環節質量高低直接關系到新產品設計能否成功。虛擬樣機具備幾何結構特性的同時，兼具產品實物樣機功能，可圍繞產品指標，如外觀設計、具體功能、安全性、成本與質量等展開設計，設計初期階段內，虛擬樣機以產品設計為出發點，設計逐步深化后，虛擬樣機開始追求安全性、高質量方面的期望。該環節十分關鍵，是根據市場反饋信息歸納總結而成的。虛擬樣機總目標被分解后，分發至虛擬子系統、虛擬部件、虛擬零件，產品設計人員能夠以系統視角為切入點，實施多目標優化，最終獲得最佳設計方案。

虛擬樣機應用的出發點與根本目的在于保證測試數據與事實相符，傳統實物樣機測試通常表現為實驗室測試、試驗場測試，與之相似的是，要想保證虛擬樣機的正常測試，就必須提供相同條件，細化至虛擬實驗設備、儀器、實驗條件。而針對試驗場內展開的專業測試，需盡可能的構建虛擬環境，基本上保持一致，包括土壤、水份、硬度等，只有如此方可保證測試數據的真實性。除此之外，由于虛擬測試中涉及到的各項數據全部來源于實物測試，虛擬測試結果應利用實物測試結果進行有效驗證，虛擬測試未來發展過程中，試驗數據將更加豐富多樣，精準性大幅提升，實物測試逐漸減少。

2、應用必要性

虛擬樣機技術自上世紀傳入我國以來，逐漸被用于多個領域，技術本身具有較強的使用優勢，但由于傳統農業發展模式的限制，當前我國農業機械領域內計算機輔助設計發展正處于相對滯后狀態，虛擬樣機技術在農業產品方面的應用還不夠深入。傳統農業機械產品開發期間，往往需要經過多個步驟，例如樣機設計、樣機制作與試驗、田間試驗、改進設計、二次試驗等，我國國土面積大，幅員廣闊，多樣化地形與農作物生產模式下，農業機械產品設計周期勢必會受到多方面因素影響，耗費成本較高。這一過程中多數情況下需借助工作人員以往工作經驗，最終確定諸多設計參數，圍繞農機產品實施靜態分析而非動態特征分析，在較大程度上限制著產品質量提升。

農機設計初期階段內，利用虛擬樣機技術處于計算機環境之中，參考農機實際性能建模、分析、測試，通過此類仿真試驗能夠從根本上保證農機產品質量，針對其中存在的缺陷及時加以調整改正，做到產品設計與完善同步，賦予決策與設計方案更多的前瞻性與科學性。

3、注意要點

虛擬樣機技術以其獨特高質量、低成本、縮短產品上市周期等優勢，一經引入便開始受到一致歡迎與應用，而綜合我國眾多企業發展實際情況來看，這一技術并未得到廣泛運用，主要原因如下：①行業內常見的工程類軟件、分析軟件實施設計與分析的主要對象多為零件，以系統優化為重點的工程設計軟件相對較少，功能不夠齊全，質量無法得到根本保證;②工程軟件設計及分析軟件使用過程中，零部件數量持續增加容易引發數據爆炸，嚴重情況下甚至可能致使軟件運算時間過長，最終無法得出相應結果;③虛擬樣機之所以能夠正常使用，基本上依賴于龐大的工程數據管理系統平臺，用于確保分析及設計中出現的海量數據，能夠實現不同環節、不同軟件間的有效傳遞與共享。而工程數據庫涉及到的數據繁多復雜，對交互性要求更高，目前國內尚未研發出成熟的工程數據庫管理系統軟件。與此同時，建立虛擬樣機系統需耗費大量人力、物力，企業若無強大的經濟實力、人力與科技資源，虛擬樣機系統的建立注定要失敗。

（作者單位：163311 黑龍江省大慶市農業機械技術推廣總站）