楊紀(jì)永

【摘 要】與傳統(tǒng)的機械設(shè)計技術(shù)相比，虛擬樣機技術(shù)一種全新的智能化產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)，通過進行仿真分析，用圖形的方式顯示出該系統(tǒng)在實踐過程中所具有的各種特性和缺陷，修改設(shè)計并得到最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。本文通過對虛擬樣機技術(shù)的概念、特點以及主要的軟件技術(shù)進行分析，說明了虛擬樣機在機械設(shè)計中的諸多有效應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】機械設(shè)計；虛擬樣機技術(shù)；有效應(yīng)用

隨著科技的不斷進步，虛擬樣機技術(shù)已然成為一種機械設(shè)計中必要的技術(shù)，不僅是計算機技術(shù)在機械工程領(lǐng)域的成功應(yīng)用，更是一種全新的機械產(chǎn)品設(shè)計理念。虛擬樣機技術(shù)是一種在建造物理樣機前，設(shè)計師先通過利用計算機技術(shù)建立機械系統(tǒng)的數(shù)字化模型，簡化復(fù)雜機械系統(tǒng)設(shè)計，能夠有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量等方面有重要突破。一方面，它可以通過對虛擬樣機的測試，從產(chǎn)品多種設(shè)計方案中評估出最優(yōu)方案，并不斷改進設(shè)計方案，直到獲得最優(yōu)的整機性能。另一方面，運用虛擬樣機技術(shù)可以實現(xiàn)產(chǎn)品的并行設(shè)計，即可以快速地建立包括控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、氣動系統(tǒng)在內(nèi)的多體動力學(xué)虛擬樣機，并在產(chǎn)品設(shè)計初期發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。通過仿真分析，用圖形的方式顯示出該系統(tǒng)在實踐過程中所具有的各種特性和缺陷，修改設(shè)計并得到最優(yōu)設(shè)計方案的技術(shù)。這不僅降低了研發(fā)成本，而且也無需浪費大量的人力、物力來生產(chǎn)出具有缺陷的樣機，有效的促進了產(chǎn)品設(shè)計的設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì)量。

1.虛擬樣機技術(shù)簡介

1.1虛擬樣機技術(shù)概述

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，試驗手段的加強，以及新興學(xué)科和技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，乃至學(xué)科之間的交叉與綜合，使得原有的生產(chǎn)方法適應(yīng)不了當(dāng)今瞬息萬變的時代發(fā)展大潮。機械設(shè)計是機械產(chǎn)品研發(fā)過程中的一個重要組成部分，是機械生產(chǎn)的第一步，同時還是決定機械性能的最主要因素。與傳統(tǒng)的開發(fā)物理樣機的設(shè)計方法相比，利用虛擬樣機技術(shù)開發(fā)虛擬產(chǎn)品具有很大的優(yōu)越性。虛擬樣機在對產(chǎn)品進行創(chuàng)新設(shè)計、測試和評估等方面可以代替物理樣機，由此，不僅可以縮短開發(fā)周期，改進產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，還能節(jié)約研發(fā)成本。機械工程中的虛擬樣機技術(shù)又可以稱為機械系統(tǒng)動態(tài)。

仿真技術(shù)，是國際上20世紀(jì)80年代隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項計算機輔助工程（CAE）技術(shù)。機械工程師在計算機上設(shè)計樣機模型，并對模型進行各種動態(tài)性能分析，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物樣機試驗，然后改進樣機性能欠缺的地方，優(yōu)化設(shè)計方案，進而生產(chǎn)出最優(yōu)的機械產(chǎn)品。

1.2虛擬樣機技術(shù)的優(yōu)越性

本質(zhì)上，虛擬樣機技術(shù)是一種模擬仿真技術(shù)，涉及到多體系統(tǒng)運動學(xué)、動力學(xué)建模理論及其技術(shù)實現(xiàn)等方面，是在先進的建模技術(shù)、信息管理技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)、交互式用戶界面介紹和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基礎(chǔ)上的綜合應(yīng)用技術(shù)。虛擬樣機其實就是實際產(chǎn)品在計算機上顯現(xiàn)出的模型，又稱為數(shù)字化樣機。虛擬樣機的智能性是實現(xiàn)人機交互的一種機械設(shè)計技術(shù)，是計算機輔助工程師進行設(shè)計，而不是完全由計算機程式化的進行產(chǎn)品設(shè)計分析。虛擬樣機并不會因其虛擬性而在功能方面與物力樣機存在差距，而是在一定程度上擁有與物力樣機相似的功能，其檢測的真實度具有可信性。利用相關(guān)分析軟件，結(jié)合機械設(shè)計等方面知識，可通過分析產(chǎn)品虛擬模型，預(yù)測產(chǎn)品性能，包括運動學(xué)特性、動力學(xué)特性、強度分析、疲勞壽命等，為優(yōu)化產(chǎn)品提供依據(jù)。

2.虛擬樣機技術(shù)相關(guān)軟件

2.1 Pro/Engineer（Pro/E）

三維建模工具的出現(xiàn)和應(yīng)用改變了傳統(tǒng)的設(shè)計方法和過程。相比二維繪圖軟件，三維建模工具所獨具的優(yōu)點使得其正越來越多地得到應(yīng)用。就目前市場上存在的三維建模軟件來說，Pro/E軟件，尤其是第三代產(chǎn)品Pro/E wildfire版本，其所具有的強大的參數(shù)化特征造型功能（現(xiàn)代CAD技術(shù)的一個主要發(fā)展方向）而受到企業(yè)界的一致認(rèn)同。通過Pro/E 設(shè)計出來的與物理樣機完全相同的虛擬樣機，其零部件之間的裝配和嵌合一目了然，而且通過它的運動仿真分析功能可以把設(shè)計錯誤消滅在設(shè)計的初始階段，還可以簡化復(fù)雜的設(shè)計工作，把設(shè)計人員從繁瑣的工作中解放出來，使設(shè)計人員把精力放在機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和創(chuàng)新上。

2.2 ADAMS

虛擬樣機技術(shù)的典型應(yīng)用軟件是ADAMS軟件。ADAMS是美國Mechanical Dynamics Inc公司開發(fā)的虛擬樣機分析軟件，使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學(xué)理論中的拉格郎日方程方法，建立系統(tǒng)動力學(xué)方程，對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析，輸出移、速度、加速度和反作用力曲線。ADAMS一方面是虛擬樣機分析的應(yīng)用軟件，用戶可以運用該軟件非常方便地對虛擬機械系統(tǒng)進行靜力學(xué)、運動學(xué)和動力學(xué)分析。另外，又是虛擬樣機分析開發(fā)工具，其開放性的程序結(jié)構(gòu)和多種接口，可以成為特殊行業(yè)用戶進行特殊類型虛擬樣機分析的二次開發(fā)工具平臺。

3.機械設(shè)計過程中虛擬樣機的應(yīng)用

設(shè)計初期直接在計算機環(huán)境中創(chuàng)建虛擬樣機，并進行各項仿真實驗和分析，如此不僅可以使機械的結(jié)構(gòu)和功能得到模擬，還能檢測出機械產(chǎn)品的缺陷，使缺陷在最初的設(shè)計階段就能及時發(fā)現(xiàn)并加以改進，實現(xiàn)設(shè)計與完善同步進行。虛擬樣機技術(shù)的興起，不僅使復(fù)雜的機械設(shè)計工序簡單化，也為機械設(shè)計提供了全新的設(shè)計理念。本文將以機械中的減速器為例闡述虛擬樣機給機械設(shè)計帶來的巨大作用。減速器主要涉及到ADAMS和Pro/Engineer兩種軟件。設(shè)計者可以使用虛擬樣機技術(shù)，通過三維建模、動力學(xué)仿真分析和優(yōu)化設(shè)計等三個過程，研究零部件參數(shù)對減速器性能的影響并對測試結(jié)果進行分析，依照分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)最優(yōu)設(shè)計。在建模過程中，設(shè)計者首先應(yīng)用Pro/E軟件建立減速器的帶有質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量等物理特征的各個部件，并裝配好零部件。減速器Pro/E模型建立以后，利用IGES接口輸?shù)饺雽嶓w模型ADAMS軟件中，添加相應(yīng)的約束與驅(qū)動后，設(shè)置仿真平臺相應(yīng)的輸入輸出參數(shù)，即可進行減速器動力學(xué)性能參數(shù)的分析與求解。在仿真的基礎(chǔ)上就可以得到相關(guān)的數(shù)據(jù)，分析后進一步對所設(shè)計的機構(gòu)進行結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，進而得到更為完善的減速器。由以上分析可以看出，ADAMS和Pro/Engineer軟件可以圖形的方式在計算機上顯示出減速器，很方便的幫助設(shè)計者評估出產(chǎn)品設(shè)計方案的優(yōu)劣，并能把虛擬樣機中存在的缺陷及時發(fā)現(xiàn)并優(yōu)化。有了這些參數(shù)，我們就可以快速、準(zhǔn)確為完成物理樣機設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

4.結(jié)束語

綜上所述，虛擬樣機技術(shù)是現(xiàn)階段產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)過程中一個重要技術(shù)之一，也必將成為本世紀(jì)機械領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計研發(fā)的主流手段。虛擬樣機技術(shù)為復(fù)雜機械產(chǎn)品的設(shè)計提供了重要工具。在復(fù)雜機械產(chǎn)品設(shè)計中應(yīng)用虛擬樣機已經(jīng)成為一種趨勢，并可以縮短研發(fā)周期、降低產(chǎn)品研發(fā)成本，提高產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量等。由于虛擬樣機技術(shù)具有如此多的優(yōu)勢，在今后的生產(chǎn)實踐中，虛擬樣機技術(shù)有著廣闊的發(fā)展前景，為產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)發(fā)揮著重要的作用。因此，國內(nèi)各相關(guān)機構(gòu)應(yīng)加強對虛擬樣機技術(shù)的研究力度，使產(chǎn)品更具市場競爭力，促進國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。