虚拟样机技术在机械设计过程中的应用

卢建湘（龙岩学院　机电工程学院，福建　龙岩　364012）

虚拟样机技术在机械设计过程中的应用

卢建湘
（龙岩学院机电工程学院，福建龙岩364012）

摘要：随着计算机技术和信息技术的快速发展，虚拟样机技术得到了广泛的应用和发展，尤其是在机械设计中，它更是得到了迅猛的发展.虚拟样机技术在机械设计中的应用可以大大降低前期的成本投入，提高机械设计的效率，缩短工期，同时机械设计的性能也比较优越，所以它被广泛应用于制造业、印刷工业、包装工业以及国防工业等领域.本文从虚拟样机的概述入手，就其在机械设计中的应用进行了探究，并以该技术在农业机械和煤矿机械等中的具体应用进行了研究，以期给后续相关研究提供借鉴.

关键词：虚拟样机；机械设计；应用

随着全球化经济的快速发展，我国对外交往的频率越发频繁，同时国际市场竞争也越发的激烈.如何才能在激烈的国际竞争中立于不败之地，已经成为我国经济和社会发展所亟待解决的难题之一.传统的物理样机不仅工作效率高，且需要投入大量的前期成本，并且具有施工长、工作性能不稳定等缺点，这大大制约了我国经济的发展.而随着科学技术的迅猛发展，虚拟样机技术的不断提高为解决上述存在的问题提供了极大的帮助，它可以大大省去前期物理样机的资本投入，且具有工作效率高、性能稳定等优点，所以它被广泛应用于各行各业中，并均取得了优异的成绩.下面就其在机械设计中的具体应用进行分析和研究.

1　虚拟样机概述

1.1虚拟样机的定义

顾名思义，虚拟样机技术就是一种虚拟的技术，它是相对于传统的制造物理实体样机而言的，主要借助计算机软硬件平台来帮助工程师构建相关的三维模型，然后依靠相关的仿真模拟系统来进行仿真模拟实验，从而帮助工程师验证该机械在实际中的运行情况，有助于及时发现设计方案中存在的各种问题和不足，以及时让设计人员加以改正，这样将大大提高机械设计的效率.简言之，该技术是以计算机为平台，借助CAD模型制图等为基础，采用仿真模拟技术的一种机械设计技术.

1.2虚拟样机的优点

虚拟样机作为一种新型的机械设计方法，它可以借助先进的设计技术和管理技术，来实现对机械设计的全过程进行开发、分析和设计，可以大大提高机械设计的效率，缩短工期，提高产品设计的质量，同时也可以大大降低产品设计所需的整体成本，有利于企业市场竞争力的提高.

1.3虚拟样机的特点

在十九世纪八十年代，CAD/CAM/CAE等技术逐渐得到普及和应用，经过数十年的发展，其在众多领域得到了应用，且均取得了显著的成效.他们在设计的过程中，通常将零部件的性能和质量作为设计的重点，但是在设计产品的整体质量与其零部件之间的联系性较差，这在一定程度上制约了产品整体性能和质量的进一步提升.而虚拟样机技术则是面向系统的设计方法，涵盖了机械设计的设计、分析和制造等整个流程，它可以实现产品性能和质量的不断提高，与传统的CAD/CAM/CAE等技术不同，虚拟样机技术具有以下特点：（1）面向系统设计，该系统不仅可以面向单独的零部件，同时也可以在整体上进行机械的分析和仿真模拟；（2）涉及贯穿于产品的整个流程，而不仅仅局限于产品生命周期中的一个阶段；（3）可以实现对产品的全方位分析、测试和评估.

2虚拟样机技术在机械设计中的应用

2.1建模

（1）建立三维模型.三维实体模型的建立使虚拟样机得以建立的前提和基础，所有的后续仿真实验也均是在此基础上开展的.数字化三维模型的建立是一个繁杂的过程，不仅需要详细设计哪些机械中外形比较复杂的零部件，如扇叶、齿轮等等，同时也需要考虑各种机械中各种部件的驱动关系，在此基础上还要借助CAD软件来构建一个完整的机械系统虚拟样机.最初的CAD主要是二维的，这种方式过程比较复杂，且不易控制，所以不具备生产的优势，随着技术的发展，当下的三维CAD技术得到了普及和推广，其可以实现对机械产品各部件的质心位置、转动惯量以及搭接细节等信息进行详细地表述，所以效率更高，使用也更加便捷.

（2）添加约束.在三维数字模型建成后，为了实现对物体间发生的相对运动进行规范，我们需要建立适当的约束来连接各个部件.在具体添加约束的过程中，我们需要根据实际的情况来选取恰当的约束添设条件.目前，我国现阶段所用的三维CAD软件大都配有动力学相关插件，所以可以借助这些插件来实现对装配和约束关系进行映射，进而统一添加约束和虚拟装配过程.此外，还有一种方式就是先借着三维CAD完成预装配，然后将所完成的数据模型导入到ADAMS软件中，借助该运动分析软件来对产品的运动情况进行分析.

（3）施加模型驱动.在模型中各个零部件借助合理的约束实现了连接，并在各种机械的运动情况进行确定后，我们需要对模型添加驱动转矩和驱动力，即让模型可以按照预先的设计运动情况来进行运行.

（4）虚拟样机的方针.在模型驱动施加完毕后，这时的模型已经基本建立完成，其已经具备了完成相关的各种操作.接下来我们就需要对产品模型的机械运动做仿真模拟实验，并对产品的具体物理量进行计算，如作用力和反作用力、速度、加速度以及位移量等等，并且还要为后续的有限元分析提供必要的边界条件.

2.2有限元分析

有限元分析是一种全面的动力分析方法，其可以对机械各结构部件的强度、运动特性等进行精确的分析，其中通用性强是其最为显著的一个特点.另外，涉及结构形状和边界条件等相关力学的问题的求解均可以借助其来实现，其现阶段已经被广泛应用于机械设计中.而对于虚拟样机技术设计而

言，它的计算方法效率和可靠性均较高，所以是一个不可或缺的设计工具.

2.3优化

在机械模型校验完成后，还需要对其进行优化处理，以使其保持更为高效的工作效率.现阶段我国所用的机械模型优化方法主要包括以下几步：在各种机械设计条件均满足和变量变化范围适宜的前提下，借助自动选择系统来对机械模型设计的变量进行选择；也可以借助分析函数来对目标的函数最大值进行求解；借助计算机的计算系统来对设计变量的参数范围进行改变，并进行求解，以达到多次仿真的目的.另外，每次仿真模拟结束后，均需要对机械设计模型的变量参数进行更改，直到求出待求物理量的最优化解为止.

2.4控制、机械系统联合仿真

在传统的机械开发中，机械系统与其控制系统是两个相互独立的部分，二者之间无论是在设计上，还是在测试上均是相互独立的.因此，传统的机械设计中，二者没有形成有效的互动，所以实际的机械设计效果可能不太理想.然而，虚拟样机技术则可以将机械系统与控制系统统一到一体，实现二者的有效融合，即虚拟样本技术具有机构控制一体化的特点.这样一来，传统机械开发过程中存在的控制规律不合理，控制不高效等问题均可以得到有效的解决.在虚拟样机技术下，控制和机械系统的联合仿真具体的思路如下：借助ADAMS等仿真软件来对机械三维模型的动力特性、力学特性等进行分析，然后再借助MATLAB等控制软件来进行必要的控制计算.在这种设计思路下，运动学仿真软件接受控制软件生成的相关控制命令，并将结果反馈给虚拟位置传感器以实现对控制系统的控制，这样就形成了机械系统与控制系统的联合控制.

3虚拟样机技术在具体机械设计中的应用

3.1虚拟样机在包装机械设计中的应用

包装机械是一种典型的机电产品，它具有自动化程度高等特征.在对其进行设计的过程中，它对控制性能、动力学、运动学、机械结构以及构件联系性等方面的要求和标准均较高，所以单纯的依靠传统的实体样机已经不能满足生产的要求，而虚拟样机的应用则可以很好地解决上述存在的问题.虚拟样机技术在包装机械设计中的应用可以大大提高设计的质量和效率，增强设计产品的稳定性和工作性能，同时也可以节省生产成本，增加企业效益.在国外，虚拟样机在包装机械设计中已经得到了快速的普及和应用，其设计技术已经逐渐成熟，尤其是德国，他们率先采用虚拟样机技术，将各种数据借助计算机来进行三维模型的构建，并结合生产的实际情况来对包装机械进行设计，同时对于设计中可能产生的各种故障等问题进行了及时的更正处理，大大提高了产品的质量，同时也降低了生产成本，为客户提供了更优质的服务.然而，我国在该方面的研究和应用还非常欠缺，下面就包装机械中应用虚拟样机技术需要注意的一些问题进行探究.

我们在包装机械中应用虚拟样机技术需要从机械的引进、消化、吸收和改进等方面入手.自改革开放以来，我国从国外引进了大量机械设备，以期望通过对这些机械设别进行分析和研究来提高我国的生产水平，但是结果却不尽人意.其中最重要的一个原因就是缺乏创新性，只是一味的进行仿制，没有对机械设备零件的相关设计和工作原理进行分析，所以导致仿造的效果不好.基于此，在包装机械设计中，我们需要向西方学习先进的虚拟样机技术，而不应单纯的引进先进的包装机械成品，充分利用国内外在虚拟样机技术应用方面的经验来为我国的包装机械设计服务，从而不断提升我国相关机械的生产质量.另外，我国国内虚拟样机在农用机械、航天以及武器制造等领域取得的一些研究成果也均可以应用于包装机械的生产和设计中.为了进一步提高虚拟样机技术在包装机械设计应用中的适用性，我们需要结合我国的包装机械设计的实际情况，不断创新设计方法和手段.只有不断创新设计费方法，才能够提高我国包装机械设计的能力，才能在激烈的国际竞争中立于不败之地.

3.2虚拟样机在农业机械设计中的应用

目前，虚拟样机技术在武器制造、船舶加工、包装机械以及煤炭制造业等领域得到了普遍的应用，农业机械制造也不例外，企业得到了很好地应用.下面就虚拟样机技术在农业机械设计中的发展方向进行探究.

（1）多柔体系统的建模与仿真技术相互结合.多柔体系统动力学是以研究弹性变形和刚体运动之间耦合性的一种运动，由于其涉及的运动比较复杂，动力学计算的难度较大，所以如何借助虚拟样机模型来对其进行仿真使当下虚拟样机的一个研究重点.例如，在联合收割机中，对于各种零部件等刚体的建模与仿真技术比较成熟，但是对于如何将水稻、玉米和小麦等柔体作物建立一个完整的模型，并与收割机各部件进行综合性的仿真模拟则比较困难.

（2）协同仿真技术.协同仿真技术是指将不同学科的仿真工具进行相互结合，从而构成一种多样性的仿真系统，它可以从分发挥各仿真系统的单独特点，同时也可以实现对不同领域开发人员进行协调，进而可以实现不同领域开发人员的有效合作.现代化的农业机械是一种比较复杂的机械产品，它的设计中涵盖了众多的学科和领域.比如在农用拖拉机中如何将控制系统与机械系统进行有效的系统仿真模拟等等.

综上所述，虚拟样机技术作为一种先进的仿真模拟技术，其具有物理样机所不具备的特点，如设计效率高、周期短，产品质量高、性能稳定等，同时也可以大大降低设计所需的成本投入，提高企业的经济效益，一举多得.经过多年的研究和应用，虚拟样机技术在我国众多领域得到了普及和应用，并均取得了优异的成绩.为了进一步提高我国的机械设计质量，我们必须要不断地完善、改进和创新虚拟样机技术.

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中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：1673-260X（2015）09-0045-03