浅谈虚拟样机技术应用与发展

摘 要：虚拟样机技术已被广泛的应用到制造业中，较传统设计方法而言，采用虚拟样机技术进行机械产品的设计研发能大大缩短产品的设计、开发周期，提高产品的质量。本文主要从概念、特点以及应用和发展对虚拟样机技术进行了阐述。

关键词：虚拟样机；物理样机；计算机仿真；应用与发展

引言

随着世界经济的快速发展，市场竞争日趋激烈，这种外部因素的影响下，机械产品要提高竞争力、满足客户需求，就必须针对市场环境和需求，改变产品开发模式，提高产品技术含量。随着计算机技术的快速发展，现代信息技术已逐渐的应用到机械产品的设计与研发中，并成为提高产品质量和性能的一种新技术手段，同时也为虚拟样机技术的发展和应用提供了更为方便的操作平台[1]。

1 虚拟样机技术的概念

虚拟样机技术是一种通过综合运用计算机辅助设计中先进的建模、信息管理和多领域仿真等对产品进行设计和分析的方法。利用虚拟样机技术建立产品计算机模型，对模型进行仿真分析，根据分析结果指导产品的后续研发以及产品的改进设计；同时可以分析机械产品在不同应用环境下的整体性能，进而对产品的质量性能进行评价[2-3]。

在以往的机械产品研发过程中，对方案进行论证、根据经验进行初步的设计、后续的细节进一步修正或改进设计等一系列流程总是在不断的循环讨论当中。为了验证设计是否合理、可行，功能能否实现，还需要对物理样机进行多次的测试实验，根据实验结果，再对产品的设计方案进行改进，同时再次制造或改进物理样机进行实验以达到设计的要求。在机械产品设计和研发中应用数字化的虚拟样机技术改变了产品设计→样机建造→测试评估→反馈设计的传统设计流程，避免了物理样机的生产及其修改加工，节约了设计研发成本。通过数字化的计算机辅助设计技术，可迅速缩短产品开发周期，同时也有利于不同设计工作的协同进行。

2 虚拟样机技术的特点

传统的产品开发过程如图1所示，机械产品的设计是一个不断的循环过程。为了验证设计方案是否合理，需要制造样机进行性能测试，但设计过程中往往需要对设计及样机进行多次改进，才能获得符合要求的设计方案，这种设计方法往往耗时、耗力、耗物。

图1 传统产品开发过程

利用虚拟样机技术对机械产品进行的设计研发是一个并行的过程，其设计流程如图2所示。通过对多种设计方案进行如有限元、运动学和动力学等仿真分析，对仿真结果比较，最终确定一个最优化的方案，产品研发周期短，研发成本低，有效地提高了产品质量。

图2 虚拟样机技术产品开发流程

与传统设计方法对比，虚拟样机技术主要有以下特点：

（1）全新的研发模式。传统的产品设计研发是一个串行的过程，而采用虚拟样机技术则可以实现产品不同设计工作的同时进行，通过仿真得到产品在不同使用环境下的动态响应，进而评价不同设计方案可行性。

（2）产品研发周期短、成本低、质量高。基于虚拟仿真平台建立初步设计完成后的产品模型，对所建模型进行多次仿真试验，这样省去了样机的制作时间，缩短产品开发周期，同时也能够提高产品的质量和性能。

（3）实现动态设计的重要手段。企业间可以通过网络将各自的产品的信息进行传递，以便双方就一些产品设计信息进行交流，同时可以就设计问题进行讨论，实现了不同时间、地点、人员对产品设计的进行。

（4）支持产品的全方位测试、分析与评估。利用虚拟样机技术对产品在不同应用环境下的动态响应进行仿真，根据结果对产品结构进行分析，得到产品全方位的测试结果，有利于对产品进行全方位的分析和评估。

3 虚拟样机技术的应用与发展

虚拟样机技术在国外已得到了深入的研究，并已成功的应用在汽车制造、武器装备制造、船舶制造、医疗机械制造等诸多制造行业中。无论是海里的军舰、奔驰的火车等这些大型复杂的机械系统，还是自行车的链条、减速器的齿轮等较小的结构件，虚拟样机技术在其研发过程中都有应用，并为产品的设计生产提供了重要的保障。

随着我国对虚拟样机技术的研究不断开展，虚拟样机技术在我国应用的领域也在不断扩大，但主要集中在一些大学、科研院所和一些大型的制造企业。其中武汉理工大学利用虚拟样机技术实现了计算机对船用起重机在各种工况下作业过程的三维可视化仿真分析[4]；西北机电工程研究所采用虚拟样机联合仿真平台实现了发射药协调器的机电液一体化仿真[5]；交通运输部水运科学研究院对轨道式集装箱门式起重机虚拟样机模型进行了动力学仿真，并对门架结构进行了可靠性分析[6]；辽宁工程技术大学通过建立采煤机、掘进机和刨煤机的刚柔耦合模型，对不同工况下机械部件的可靠性、动态特性进行了分析，将虚拟样机技术成功的应用于工矿企业的产品设计研发当中[7]。

虽然我国对虚拟样机技术的研究虽然取得了快速的发展，但在理论和实践的深度方面的研究与国际水平还存在着较大的差距，应用范围还不够广阔，还有很大的提升空间。

4 结束语

虚拟样机技术作为一种新兴的设计制造技术，有着广阔的发展和应用前景，并且已被广泛的应用到机械制造业的设计研发中，对其进行深入的研究，有利于提高产品的质量，使其能够及时的适应市场经济发展的需要。同时对虚拟样机及其关键技术进行研究，扩大该项技术的工业应用领域，对于我国制造业的发展也具有重大的战略意义。

参考文献

[1]张卫，吴慧中.虚拟样机概念及体系结构研究[J].组合机床与自动化加工技术，2002（10）：12-14.

[2]刘国昌，韩虎.基于ADAMS协同仿真技术的研究与实现[J].起重运输机械，2008（6）：38-40.

[3]胡蓉，胡如夫.机械产品虚拟样机协同开发技术[J].机床与液压，2003（7）：145-146.

[4]杨宝林.基于虚拟样机技术的船用起重机技术结构动力学仿真[D].武汉：武汉理工大学，2008.

[5]梁辉，王玉林，馬春茂，等.发射药协调器虚拟样机建模与仿真[J].兵工自动化，2011，30（5）：86-88.

[6]李益琴，刘晋川，李志建.轨道式集装箱门式起重机的虚拟样机仿真[J].水运科学研究，2010（1）：17-21.

[7]赵丽娟，田震.采煤机截割部工作稳定性研究[J].机械传动，2012，36（7）：14-16.

作者简介：徐雷（1987，2-），男，辽宁阜新，本科学历，助理工程师，研究方向：煤化工方向。