郭奕杉

一、虛擬樣機(jī)

虛擬樣機(jī)技術(shù)指的是創(chuàng)建第一臺(tái)物理樣機(jī)前，借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)創(chuàng)建相關(guān)產(chǎn)品數(shù)字模型，以實(shí)體可視化為基礎(chǔ)，通過實(shí)施仿真分析模擬系統(tǒng)在實(shí)際工作環(huán)境下，所具備的運(yùn)行狀態(tài)，包括其具備的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性，經(jīng)過多次修改與設(shè)計(jì)后，最終制定出最佳設(shè)計(jì)方案。虛擬樣機(jī)技術(shù)綜合多種現(xiàn)代技術(shù)，如現(xiàn)代信息技術(shù)、設(shè)計(jì)制造技術(shù)、建模仿真技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)，將上述科技手段應(yīng)用于產(chǎn)品生命周期設(shè)計(jì)與管控中。相比于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)而言，虛擬樣機(jī)技術(shù)更加側(cè)重于系統(tǒng)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品多方面、全方位測試，針對產(chǎn)品性能、質(zhì)量等要素展開科學(xué)分析及評估，各領(lǐng)域均可實(shí)行協(xié)同設(shè)計(jì)。

這一技術(shù)主要研究范圍集中在機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力學(xué)分析上，核心內(nèi)容為通過計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)圍繞此展開分析，據(jù)此明確整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行、不同構(gòu)件所在位置、基本速度等。與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)方式的不同之處主要體現(xiàn)在下述幾點(diǎn)：1.采用數(shù)字化手段，實(shí)施產(chǎn)品虛擬設(shè)計(jì)，為工作人員優(yōu)化產(chǎn)品創(chuàng)造了有利條件;2.可實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)，虛擬企業(yè)各部門、人員基于同一設(shè)計(jì)目標(biāo)，分別從各個(gè)角度、需求進(jìn)行虛擬樣機(jī)測試分析;3.虛擬樣機(jī)技術(shù)下的產(chǎn)品設(shè)計(jì)所用周期短，無需耗費(fèi)過多成本，快速比對產(chǎn)品各項(xiàng)參數(shù)后，得出產(chǎn)品性能信息，直至達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

二、虛擬樣機(jī)在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品研發(fā)中的應(yīng)用

1、制作與測試

現(xiàn)階段部分企業(yè)開始將設(shè)計(jì)流程作出適當(dāng)調(diào)整，將其設(shè)置為方案設(shè)計(jì)——圖紙?jiān)O(shè)計(jì)——虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)——測試——參考測試參數(shù)與結(jié)果優(yōu)化——重新設(shè)計(jì)虛擬樣機(jī)——重新測試虛擬樣機(jī)，直至測試結(jié)果符合設(shè)計(jì)需求，能夠滿足實(shí)際需要，最終進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)。上述過程具有較強(qiáng)的反復(fù)性，尤其是虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)與測試更是十分關(guān)鍵，兩個(gè)環(huán)節(jié)質(zhì)量高低直接關(guān)系到新產(chǎn)品設(shè)計(jì)能否成功。虛擬樣機(jī)具備幾何結(jié)構(gòu)特性的同時(shí)，兼具產(chǎn)品實(shí)物樣機(jī)功能，可圍繞產(chǎn)品指標(biāo)，如外觀設(shè)計(jì)、具體功能、安全性、成本與質(zhì)量等展開設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)初期階段內(nèi)，虛擬樣機(jī)以產(chǎn)品設(shè)計(jì)為出發(fā)點(diǎn)，設(shè)計(jì)逐步深化后，虛擬樣機(jī)開始追求安全性、高質(zhì)量方面的期望。該環(huán)節(jié)十分關(guān)鍵，是根據(jù)市場反饋信息歸納總結(jié)而成的。虛擬樣機(jī)總目標(biāo)被分解后，分發(fā)至虛擬子系統(tǒng)、虛擬部件、虛擬零件，產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員能夠以系統(tǒng)視角為切入點(diǎn)，實(shí)施多目標(biāo)優(yōu)化，最終獲得最佳設(shè)計(jì)方案。

虛擬樣機(jī)應(yīng)用的出發(fā)點(diǎn)與根本目的在于保證測試數(shù)據(jù)與事實(shí)相符，傳統(tǒng)實(shí)物樣機(jī)測試通常表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)室測試、試驗(yàn)場測試，與之相似的是，要想保證虛擬樣機(jī)的正常測試，就必須提供相同條件，細(xì)化至虛擬實(shí)驗(yàn)設(shè)備、儀器、實(shí)驗(yàn)條件。而針對試驗(yàn)場內(nèi)展開的專業(yè)測試，需盡可能的構(gòu)建虛擬環(huán)境，基本上保持一致，包括土壤、水份、硬度等，只有如此方可保證測試數(shù)據(jù)的真實(shí)性。除此之外，由于虛擬測試中涉及到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)全部來源于實(shí)物測試，虛擬測試結(jié)果應(yīng)利用實(shí)物測試結(jié)果進(jìn)行有效驗(yàn)證，虛擬測試未來發(fā)展過程中，試驗(yàn)數(shù)據(jù)將更加豐富多樣，精準(zhǔn)性大幅提升，實(shí)物測試逐漸減少。

2、應(yīng)用必要性

虛擬樣機(jī)技術(shù)自上世紀(jì)傳入我國以來，逐漸被用于多個(gè)領(lǐng)域，技術(shù)本身具有較強(qiáng)的使用優(yōu)勢，但由于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)發(fā)展模式的限制，當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域內(nèi)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)發(fā)展正處于相對滯后狀態(tài)，虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)產(chǎn)品方面的應(yīng)用還不夠深入。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)期間，往往需要經(jīng)過多個(gè)步驟，例如樣機(jī)設(shè)計(jì)、樣機(jī)制作與試驗(yàn)、田間試驗(yàn)、改進(jìn)設(shè)計(jì)、二次試驗(yàn)等，我國國土面積大，幅員廣闊，多樣化地形與農(nóng)作物生產(chǎn)模式下，農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期勢必會(huì)受到多方面因素影響，耗費(fèi)成本較高。這一過程中多數(shù)情況下需借助工作人員以往工作經(jīng)驗(yàn)，最終確定諸多設(shè)計(jì)參數(shù)，圍繞農(nóng)機(jī)產(chǎn)品實(shí)施靜態(tài)分析而非動(dòng)態(tài)特征分析，在較大程度上限制著產(chǎn)品質(zhì)量提升。

農(nóng)機(jī)設(shè)計(jì)初期階段內(nèi)，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)處于計(jì)算機(jī)環(huán)境之中，參考農(nóng)機(jī)實(shí)際性能建模、分析、測試，通過此類仿真試驗(yàn)?zāi)軌驈母旧媳ＷC農(nóng)機(jī)產(chǎn)品質(zhì)量，針對其中存在的缺陷及時(shí)加以調(diào)整改正，做到產(chǎn)品設(shè)計(jì)與完善同步，賦予決策與設(shè)計(jì)方案更多的前瞻性與科學(xué)性。

3、注意要點(diǎn)

虛擬樣機(jī)技術(shù)以其獨(dú)特高質(zhì)量、低成本、縮短產(chǎn)品上市周期等優(yōu)勢，一經(jīng)引入便開始受到一致歡迎與應(yīng)用，而綜合我國眾多企業(yè)發(fā)展實(shí)際情況來看，這一技術(shù)并未得到廣泛運(yùn)用，主要原因如下：①行業(yè)內(nèi)常見的工程類軟件、分析軟件實(shí)施設(shè)計(jì)與分析的主要對象多為零件，以系統(tǒng)優(yōu)化為重點(diǎn)的工程設(shè)計(jì)軟件相對較少，功能不夠齊全，質(zhì)量無法得到根本保證;②工程軟件設(shè)計(jì)及分析軟件使用過程中，零部件數(shù)量持續(xù)增加容易引發(fā)數(shù)據(jù)爆炸，嚴(yán)重情況下甚至可能致使軟件運(yùn)算時(shí)間過長，最終無法得出相應(yīng)結(jié)果;③虛擬樣機(jī)之所以能夠正常使用，基本上依賴于龐大的工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)平臺(tái)，用于確保分析及設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的海量數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)不同環(huán)節(jié)、不同軟件間的有效傳遞與共享。而工程數(shù)據(jù)庫涉及到的數(shù)據(jù)繁多復(fù)雜，對交互性要求更高，目前國內(nèi)尚未研發(fā)出成熟的工程數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)軟件。與此同時(shí)，建立虛擬樣機(jī)系統(tǒng)需耗費(fèi)大量人力、物力，企業(yè)若無強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)實(shí)力、人力與科技資源，虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的建立注定要失敗。

（作者單位：163311 黑龍江省大慶市農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)推廣總站）