虚拟样机技术助推农业机械设计∗

黎运宇

（1.广西民族师范学院物理与电子工程系，广西崇左 532200；2.西南林业大学机械与交通学院，昆明云南 650224）

虚拟样机技术助推农业机械设计∗

黎运宇1，2

（1.广西民族师范学院物理与电子工程系，广西崇左 532200；2.西南林业大学机械与交通学院，昆明云南 650224）

结合农业机械设计的需求，通过对虚拟样机技术的应用进行归纳，分析了三方面的现状，讨论了对农机设计制造的助推作用，试图为加快我国农机设计制造现代化建设的速度服务。

虚拟样机技术；应用；现状；助推作用

1 引 言

农业机械化是我国建设农业现代化强国的必由之路，农业机械要实现现代化需要先进的农业机械，好的产品需要先进的设计理念和方法，随着计算机技术的应用，机械设计方法和理念发生着巨大的转变，过去靠笔和纸绘图设计机械的过程；用纸笔设计、做模型、生产样机、反复试验、修改设计、定型后生产成品，如此的设计制造过程的规律正在改变，农机的设计紧跟其后，先进的设计思想理念正在不断的应用和实施，目前多种现代机械设计方法论正被采用。如技术预测法、创造性设计法、系统设计法信号分析法、相似设计法、模糊设计法、动态分析设计法、有限元和边界元分析设计法、优化设计法、可靠性设计法、计算机辅助设计CAD法和艺术造型设计法［1］。这些方法为我国的农机设计制造快速发展，起到了十分重要的作用，为我国在2012年成为世界的农机制造大国，起到了技术支撑和保障。

2 传统设计过程存在的缺陷

（1）设计方法和理念的传统化，绘图过程繁琐，计算复杂困难。

（2）精确度不高（如计算受力、尺寸、配合程度、画图）。

（3）实验过程复杂，需选用实物，一个个元件组装好一个试验机，生产样机时间长，且费用昂贵。

（4）修改设计困难，不清晰，计算量大，新绘制图周期长。

（5）两次或多次重复试制最终实验样机，花费人力物力大且时间漫长。

（6）设计图纸转化为量产化图纸困难，很难实现全球化协同设计制造。

计算机的广泛应用，各种设计、仿真软件的使用，就出现了基于计算机软件的现代设计方法和数控制造过程及仿真实验虚拟样机技术。

3 虚拟样机技术的定义及优点分析

虚拟样机是用来代替物理产品的计算机数字模型，它可以像真实的物理模型一样，用来对所关心的产品的全寿命周期，如设计、制造、服务、循环利用等进行展示、分析和测试，这种构造和使用虚拟样机的技术就叫虚拟样机技术［2］（Virtual Prototype Tech⁃nology）。

虚拟样机技术的优点分析：

（1）能减少大量的人工计算工作，避免多次试制零部件及机构过程，节省材料、人力资源。

（2）仿真后能及时快速修改数据和设计图纸，缩短时间，可重复仿真实验修改，做到一次试制成功达到更高的质量要求，抢占市场先机。

（3）能适应当前以计算机为主要的办公平台需要，开展网络化协同设计制造新模式，快速传输、交换数据和图纸，实现由过去的串行设计制造过渡到并行设计制造的模式，提高创新机械设计生产效率。

4 虚拟样机技术应用现状

4.1 虚拟样机技术应用现状及常用软件

虚拟样机技术在一些较发达国家的应用和研究具有一定优势。如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、工程机械、航空航天业、造船业、机械电子工业、国防工业、通用机械到人机工程学、生物力学、医学以及工程咨询等很多方面［3］。近十年以来，虚拟样机技术在我国的汽车、航空、机械设备制造等领域得到了推广应用，常用分析计算、仿真软件如ADAMS（Aut01natjc Dynamic Anal⁃ysis of Mechanical System）、DADS、SIMPACK、ANSYS、Working Model、SolidWorks、IDEAS、PHOERNIS（Para⁃bolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series）、SIMILINK等，这些软件的功能各有侧重并均有各自的优势和应用领域。

4.2 我国虚拟样机技术应用农机设计领域现状分析

4.2.1 两种设计方式

设计方式比较如表1所列。

表1 两种设计方式比较表

前后两种方式比较：前者受试验室外环境影响，存在用时长，材料和人工费高，静态和动态分离设计等缺陷；后者时间明显缩短，计算分析准确，静态和动态结合优化设计，试制物理样机次数少，能保障质量优，出新产品快，物料、人工成本较低，还可实现并行多公司同时设计生产后迅速组装等优点，因此新的设计开发过程明显优于传统的开发过程。

4.2.2 虚拟样机技术在农业机械中应用现状特点

（1）农机企业发展存在滞后性 虚拟样机技术依托计算机技术而存在和发展，因此我国的农机设计行业计算机技术应用相对于其他如航空和汽车等设计制造业有一定的滞后性，原因有以下几点：由于行业的资金实力不够，农业机械类院校发展重视不够，学习农业机械专业的积极性不高，导致农业机械专业院校投入不足、发展缓慢，因而高技术农机设计开发人才规模小，农机企业的销售方式单一，销售量及利润低，技术人员待遇低，导致企业壮大困难，缺少足够的资金投入研发，引进、留住人才困难。农机企业上市较少，目前有一拖股份，吉峰农机等十余家上市公司，很多农机企业还是作坊式企业，科研和先进制造技术运用较少。因此制约了虚拟样机技术的应用和推广实践。

（2）在农业机械装备中的应用，在高校研究机构中逐渐形成团队化，成果转化步伐加快。如中国农业大学，华南农业大学，广西大学，分别在不同的应用方向取得了显著的效果，华南农业大学首次把虚拟样机技术应用到机械手的研究中，并相继开展机械手在水稻抛秧机和水果采摘机器人等方面的应用，实现了整体设计方案的优化；广西大学对甘蔗收获机整机及关键部件的虚拟样机模型进行了一系列连续深入的研究后，建立了基于产品数据管理（PDM）的甘蔗收获机可视化虚拟设计平台，涉及整个产品生命周期的描述、控制和管理，基于虚拟样机技术的农业机械装备正逐渐从对虚拟样机模型的理论研究指导物理样机试制阶段发展到产品化生产阶段，并取得了一定的经济效益［4］。另外如山东农业大学，华南理工大学、沈阳农业大学等学校的学者们也致力于研究这项技术在农机设计制造中应用与推广实践。

（3）国内的研究者越来越多，并取得了一定成果。庞思红［5］等完成了液压挖掘机虚拟样机技术的实现，李寒杰［6］在虚拟样机技术及其在工程机械领域的应用中构建了研究平台，王朝娜［7］等通过比较传统产品开发模式和基于虚拟样机技术的产品开发模式的不同来说明虚拟样机技术在我国农业装备中的应用及发展前景。李勇［8］等将虚拟样机技术应用在小型农用装载机设计中的，利用Solid－Works设计装载机虚拟样机的过程，实现了设计制造周期不足两个月。马斌强［4］等阐述了虚拟样机技术的内涵和特点，并结合农业机械系统的特点，概述了虚拟样机技术在农业机械领域中应用的情况。马少辉，韩勇［9］总结了虚拟样机在农机设计中应用存在四个方面的制约因素。李杰［10］等展望了农业机械虚拟样机设计发展方向：①多柔体系统的建模与仿真技术；②协同仿真技术；③多目标（学科）设计优化技术。还有马少辉、王刚、陆林、李霞、李勇、王凯湛、张布、苏中滨等很多学者、专家都在为虚拟样机技术在农业机械设计生产中的应用做出了贡献，并取得了一定成果。这些科技工作者的辛勤劳动和努力，使虚拟样机技术更加快速的应用和普及到农机设计制造的各个环节及各类农机的设计生产中。

5 虚拟样机技术对农业机械设计助推作用

任何一项技术的诞生对社会发展都会起到一定推动作用，虚拟样机技术对航空、汽车等行业的促进作用已经凸显，它在农机设计与制造领域中的应用已经起步，随着我国现代化进程加快，应用的科研机构、企业不断增多，领域日益广泛，正是由于科研机构的应用，培养出了大量的相关技术人才，企业的实践已不再限于实验室。我国近几年农机企业和研发机构发展也在提速，国家的农机补贴政策落实，劳动强度减少，我国社会财富积累增加，使农机的购买力增强；航空、汽车行业的发展带动，给农机企业的扩张提供了动力；企业竞争加剧，因此运用新技术新工艺的欲望和可行性也在提升，这推动了虚拟样机技术在农机设计中的运用和推广。这种推动作用会促使农机的设计制造更快更好的发展，由我国现阶段的农机制造大国成为农机设计制造强国迈进早日变为现实，真正实现农机设计制造的现代化。

推动作用会使农机的设计呈现以下特点：①发展和创新设计速度更快；②规模增大，应用程度更深；③由单个的设计变为多个设计同时进行的协同设计；④单机的模拟仿真变为多机的系统仿真；⑤创新设计和优化设计必然。

6 结 语

进入21世纪以来，我国现代化进程加快，需要农机业新技术应用快速发展。农业部称，2012年全国农机总动力迈上10亿千瓦台阶，预计达到10.2亿千瓦，同比增长4.3%。大中型拖拉机预计达到490万台，同比增长11.2%［11］。农机工业总产值突破3000亿元，成为世界农机制造大国［11］。快速发展催生创新技术的发展，企业向速度、质量要效益，以技术、人才作支撑。因此虚拟样机技术应用到农业机械中，就会达到以上所追寻的目标，虚拟技术作为国家“十二五”科技发展重点，有益助推农业机械化的发展，使我国农机设计制造业的发展早日实现3D打印、虚拟化、信息化、并行化、智能化、数控化的中国梦。

［1］ 李彩风，刘俊峰，冯晓静，等.现代机械设计方法与农机设计［J］.农机化研究，2006（5）：186－188.

［2］ 祖 旭，黄洪钟，张旭.虚拟样机技术及其发展［J］.农业机械学报，2004，35（2）：168－171.

［3］ 姜士湖，闫相桢.虚拟样机技术及其在国内的应用前景［J］.机械，2003，30（2）：4－9.

［4］ 马斌强，顿文涛.虚拟样机技术及其在农业机械系统中的应用［J］.科技信息，2011（1）：105－106.

［5］ 庞思红，姚继蔚.液压挖掘机虚拟样机技术的实现［J］.机械传动，2009，33（3）：61－64.

［6］ 李寒杰.虚拟样机技术及其在工程机械领域的应用［J］.装备制造技术，2012（6）：302－304.

［7］ 王朝娜，赵秀艳，刘贤喜.虚拟样机技术及其在农业装备中的应用［J］.农业装备与车辆工程，2009，4（213）：36－38.

［8］ 李 勇，曾志新，叶 茂，等.虚拟样机技术在小型农用装载机设计中的应用［J］.农业工程学报，2004，20（5）：134－137.

［9］ 马少辉，韩 勇.浅谈虚拟样机在农机设计中的应用及制约因素［J］.新疆农机化，2006（3）：50.

［10］ 李 杰，阎楚良，杨方飞.农业机械设计中虚拟样机技术的应用与展望［C］.中国农业机械化科学研究院，中国农业机械学会2006年学术年会论文集，2006：820－822.

［11］ 晓 林.2012年全国农机化10大新闻揭晓［J］.农业工程，2013，3（1）：108－109.

Virtual Prototype Technology Promoting Agricultural Machinery Design

LI Yun－yu1，2

（1 Physics and Electronic Engineering Department，Guangxi Normal University for Nationalities，Chongzuo Guangxi 532200，China；2 College of Mechanical and Transport，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China）

With the demand of agricultural machinery design，the present situations of three aspects are analyzed and the role of agricultural machinery design and manufacture are discussed through summarizing the application of virtual prototype tech⁃nology.The aims are to speed up the construction for design and manufacture of modernization agricultural machinery in China.

virtual prototyping technology；application；present situation；promotion

TH122

A

1007－4414（2013）04－0193－03

2013－06－13

2013年度广西高校科学技术研究项目（2013LX164）

黎运宇（1974－），男，湖南张家界人，讲师，研究方向：农业机械化、机械电子工程。