基于虚拟样机的机械设计方法研究

许慈

摘 要：当前，我国正处于快速发展阶段，在辅助工程技术的基础上，在机械设计的过程中，虚拟样机技术被广泛应用。基于虚拟样机的机械设计方法比传统机械设计方法质量更好，设计效率更高。主要探析了优化机械设计、联合设计控制系统和机械系统、机械系统所含有的有限元、机械系统的三维建模、机械系统的静力学计算和动力学仿真的相关内容，以期为日后的相关工作提供参考。

关键词：虚拟样机；机械设计；动力学；机械系统

中图分类号：TH122 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.081

之前，机械设计都必须在现场才能够完成样机试验，所以，应用这样的设计方法将会消耗更多的时间和大量的资金，而且设计效果也不会很好。但是，在机械设计的过程中，应用虚拟样机技术能够在设计阶段全面分析好机械系统的特征。这样就能在制造样机之前处理好原本的设计问题，并且还可以减少资金的投入，节约更多的时间，提高机械设计的整体效率。由此可知，有关人员只有深入研究基于虚拟样机的机械设计方法，才能够设计出更好的机械产品。

1 优化机械设计分析

在整个机械设计的过程中，设计者结束设计的基本工作后，一般需要采取某些有效的措施优化设计。针对当前的实际状况，在优化机械设计的过程中，常见的问题是求取目标函数的最大值。在满足控制变量的变化范围和设计条件的情况下，设计者能够根据选择设计变量和分析函数来优化机械设计。但是，通过计算机所具有的强大计算功能，利用设计变量改变再迭代求解的方法来仿真机械设计， 这样就能够求取目标函数的最优值。总而言之，在每一次仿真的过程中，只需要改变其中一个模型的设计变量，并且观察仿真的结果，就能够获得物理量设定的最优解。

2 联合设计控制系统和机械系统

在之前很长的一段时间中，设计者经常需要测试、设计控制系统和机械系统。但是，控制系统与机械系统之间不存在任何联系，而是两个相互独立的个体。因此，在联合控制系统和机械系统以后，设计效果很难达到预期要求。针对当前的实际状况，能够通过机构控制一体化虚拟样机技术来实现联合机械系统和控制系统。这样，要获取更好的设计效果就非常简单。在设计思路方面，联合仿真设计实质上是借助动力学、运动学仿真软件，创建与机械系统设计同样含有控制目标的动画、动力学模型和三维实体模型。另外，在这样的设计基础之上，其基本条件就是得到相应的电机模型和控制算法。

3 机械系统所含有的有限元分析

机械系统所含有的有限元实质上是指一种现代化用作分析结构件的动态特性、结构强度的设计方法。由于有限元法有很好的通用性，能够随意用在任何的力学问题中，所以，有限元法在整个机械设计的过程中都得到了非常广泛的使用。另外，有限元法属于比较可靠的一种计算方法，通过有限元法能够得知边界条件和机械结构形状。由此可知，有限元法相对于虚拟样机而言，是一种不能够缺少的工具。

4 机械系统的三维建模

如果要在机械系统设计时实现虚拟样机，先要创建出三维实体的机械系统模型。针对当前的实际情况，在创建三维实体的机械系统模型时，要处理好建立系统的复杂约束关系和创建外形复杂的零件模型这两个主要问题。一般情况下，使用CAD软件能够妥善处理好系统的复杂约束关系和创建外形复杂的零件模型这两个主要问题。对于二维CAD而言，市面上主流的三维CAD软件可以更好地表达出产品的生产管理和技术信息。由此可知，在创建机械系统模型的过程中，有效应用三维CAD软件具有十分重要的意义，同时，三维CAD软件也将在整个建模过程中发挥十分重要的作用。

在创建机械系统中的各零部件模型时，设计者可以使用CAD软件，并且有效地应用实体造型技术和变量化设计技术。在完成机械系统中的各零部件模型后，还应该采取某些措施连接好各个零件的模型。这样，有助于实现物体的相对运动。在添加约束副的过程中，应该要确保实际情况与模型符合。这样做，主要是为了确保实际产品与模型的密度、材质、结构细节等内容一致，进而提高建模的准确度。现在，大部分的CAD软件都具有运动/运动学插件功能，它能够通过关系装配之后再将其映射在约束关系上，有助于实现机械运动的模拟。

5 机械系统的静力学计算和动力学仿真

在创建了机械系统模型后，可以使用动力学仿真方法将物理样机实验试验替换掉，实质上是指在计算机环境下完成物理样机的数据采集和动作实验。而在机械系统动力学仿真的过程中，仿真的准确性将会受到驱动参数、三维模型和实际产品相似程度的直接影响。同时，动力学仿真方法的有效应用是为了更好地计算输出扭矩和驱动系统功率，以及选择传动系统的类型。另外，动力学仿真方法的有效应用，计算、校核部件的运动惯性力和结构强度，能够完成驱动控制系统的设计。

6 结束语

综上所述，在实际工作中，应用基于虚拟样机的机械设计方法，能够在短时间内帮助设计人员设计出具有优异性能的产品。同时，设计者利用基于虚拟样机的机械设计方法，在虚拟的环境中能够更加形象、直观地实现产品的性能测试和设计优化。设计者针对参考虚拟环境所获得的计算结果，能够根据其自身积累的设计经验来设计机械的系统。这样能够有效提高设计系统的质量，同时，还能够减少设计系统时出现的设计错误。

参考文献

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〔编辑：白洁〕