摘要：虚拟样机(virtual prototyping)技术是在产品设计开发过程中,把虚拟建模技术(CAD)与分析技术(CAE)相结合,针对产品在投入使用后的各种工况进行动态仿真,预测产品整体性能,从而改进产品设计,提高产品性能,目前已被广泛应用于制造业中.本文针对机械工程设计的概念与基本特点, 将虚拟样机技术应用于机械工程设计当中, 特别是应用在农业机械设计方面, 希望为技术深入研发提供有价值的参考依据。
关键词：机械工程；设计；虚拟样机；运用
引言
基于社会经济与科技水平的提升, 现代企业为实现自身全面可持续发展, 就必须保证研发产品与市场需求相适应, 尽量缩短研发的周期, 提高产品设计的性能, 优化产品质量, 缩减开发成本。与传统物理样机技术相比, 虚拟样机技术的性能优势明显, 备受企业与研发人员认可。在开发新产品的过程中, 将虚拟样机技术应用于前期设计与测试评估中, 能够使开发周期缩短, 减少开发成本, 促进产品设计效果的提升, 特别是在机械工程设计方面的作用十分明显。由此可见, 深入研究并分析机械工程设计中的虚拟样机技术具有一定的现实意义。
1 虚拟样机技术概述
与传统物理样机相比, 虚拟样机技术的虚拟性特征明显, 通过计算机的辅助作用, 借助软件程序为工程师提供必要帮助, 有效构建三维模型, 在仿真模拟系统的基础上, 积极开展仿真模拟实验, 并深入分析评估机械运行的具体状况, 以保证工程师能够对设计工作的不足进行及时查找, 合理采用相应措施有效改进, 进一步优化机械设计工作质量以及效率。总的来讲, 虚拟样机技术就是基于计算机, 对CAD等相关设计制图模型加以运用, 合理采用仿真模拟技术完成机械设计工作的新型技术。
虚拟样机技术最突出的特征就是在机械设计阶段, 通过对高新技术的应用完成开发、分析与设计任务, 使得研发设计的实际周期得以缩减, 不断增强机械设计质量以及效率, 而且达到设计成本缩减的目标, 进一步增强企业市场竞争实力。
2虚拟样机技术在机械工程设计中的实践应用
2.1构建模型
第一, 创建三维模型。在对三维实体模型进行创建, 也是虚拟样机技术应用的重要基础与前提条件, 后期所有的仿真实验都需要以此为基础开展。数字化三维模型的创建过程较为复杂, 不仅要对零部件细部进行科学合理地设计, 同时也必须要综合衡量不同机械内部部件之间存在的驱动关联, 将其作为主要参考依据, 在CAD等相关软件程序的作用下构建机械系统虚拟样机。在CAD软件应用早期, 主要以二维为主, 设计的过程相对繁杂且操控难度较大, 生产优势严重缺失。伴随科学技术的快速发展, 三维CAD推广效果逐渐突显出来, 使得机械产品内部各部件搭接细节、转动惯量以及质心位置都能够被详细地表述出来, 一定程度上优化了设计的深度与效率, 且在应用软件方面也更具人性化特征。
第二, 适当添加约束。在完成数字三维模型以后, 要想对物体间相对运动加以规范与限制, 就要在连接各部件的过程中将约束添加其中。在此期间, 需要结合具体状况, 以保证约束条件添加的科学合理性。现阶段, 我国三维CAD设计软件一般都配备了动力学插件, 在插件的作用下能够有效地映射约束关系与装配关系, 并且保证虚拟装配与约束添加的统一性。与此同时, 通过对三维CAD软件的应用实现预装配, 并将已经构建的数据模型导入到ADAMS运动分析软件当中, 进而实时分析产品的运行状况。
第三, 驱动模型。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆在模型各个零部件之间对约束加以有效设置以实现连接目标, 并在对不同机械运用状况确定以后, 将驱动力与驱动转矩施加到模型当中, 进而确保模型根据事先设计的运动状况完成运动动作。
第四, 虚拟样机的仿真。在成功施加驱动以后, 模型大致完成创建, 且具备了仿真模拟实验条件。针对产品模型开展模拟仿真实验操作, 并对不同的物理指标加以分析和计算, 能够为有限元分析提供必要保障。
2.2有限元分析
对有限元分析方法的应用, 即可系统化地分析机械内部各个构件强度以及运动的特性指标, 具有极强的通用性。与此同时, 在运用有限元分析方法的过程中, 也能够有效地解答相关力学问题, 被广泛应用于机械设计领域。一般来讲, 有限元分析方法的运算速度快, 且具有较高的可靠性, 已经成为虚拟样机技术当中重要的设计工具。
2.3优化设计
要想实现机械使用效率的全面提升, 就必须要严格校验机械模型, 以保证全面优化设计。近年来, 在优化机械模型方面, 要求与各项机械设计条件与变量变化区间相适应, 且借助自动选择系统, 对机械模型设计过程中所涉及到的变量加以选择。而在对目标函数最大值进行求解的过程中, 则要对函数进行分析并计算。借助计算机计算系统对设计参数变量的范围加以改变, 即可实现求解目标, 并完成多次仿真。尤其是在完成仿真模拟以后, 需要反复修改模型参数变量, 并在模拟实验的基础上, 对待求物理量最优解进行计算。
2.4 联合仿真控制系统与机械系统
对于机械开发传统模式来讲, 不管是设计方面亦或是测试方面, 机械系统与控制系统都互相独立, 且不具有互动性, 直接影响了机械设计的效果。但是在引入虚拟样机技术以后, 即可同步控制机械系统与控制系统, 实现两者的统一与融合, 对传统机械开发控制效果不理想的问题加以解决。在联合仿真控制系统与机械系统的过程中, 合理应用虚拟样机技术, 需通过对仿真软件进行应用, 对三维模型力学特性与动力学特性加以分析。在此基础上, 对矩阵实验室等相关控制软件加以利用, 以达到控制计算的目的。根据此设计思路, 控制软件需在运动学仿真软件中合理运用控制命令, 并将反馈信息向虚拟位置传感器发送, 以保证控制系统得到控制。在这种情况下, 控制系统与机械系统就能够有效联合。
3虚拟样机技术应用于机械工程设计中的实例研究
现阶段, 虚拟样机技术被广泛应用于多个领域, 特别是船舶的加工、包装机械设计、武器制造和农业机械设计等多个方面。下文将农业机械设计作为实例展开研究:
第一, 结合仿真技术与多柔体系统建模。其中, 多柔体系统动力学更强调对刚体运动与弹性变形耦合性的研究, 且运动形式较为繁杂, 在计算动力学方面也具有较大的难度。所以, 对虚拟样机加以利用并仿真成为后期研究重点。可以在收割机连个改良实验过程中, 针对其内部各零件刚体进行模型建构, 应用仿真技术, 而针对玉米与小麦等柔体作物, 研究的重点就是模型构建、柔体模型和内部各个部件的综合仿真与模拟[4]。
第二, 协同仿真技术, 具体指的就是不同学科模拟仿真工具相互结合, 形成模拟仿真系统, 将各个模拟仿真系统所具备的优势发挥出来, 以保证各领域开发工作人员配合效率不断提高, 确保研发产品更加多元化。在现代农业机械发展过程中, 对于多种作用集中发挥更加关注, 且农业机械设计所包含学科众多。特别是综合农用拖拉机控制系统与机械系统的模拟仿真, 始终是技术研发领域亟待突破的问题。
结束语
综上所述, 在虚拟样机技术长期发展的过程中, 凭借其短设计周期与高效率等诸多优势, 被广泛应用在机械工程设计领域当中, 且实际应用效果可观。但在实践方面, 仍需要不断改进与健全, 只有这样, 才能够为机械工程设计工作亦或是其他学科领域的发展提供有价值的参考依据, 进一步推动多个领域的进步。
参考文献
[1]李文豪.机械工程设计中的虚拟样机技术分析[J].科技创新与应用, 2016 (4) :128.
[2]刘毅.虚拟样机技术及其在工程机械领域的应用[J].时代农机, 2017, 44 (2) :78, 80.
[3]石跃朋.PDM技术在机械可靠性设计分析中的应用[J].中国设备工程, 2018 (6) :103-104.
[4]杨玉霞, 汤金金, 孙海燕等.PDM技术在机械可靠性设计分析中的应用[J].科学技术创新, 2018 (13) :164-165.
论文作者:许琪,张然
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2019年16期
论文发表时间:2019/11/5
标签：样机论文; 机械论文; 技术论文; 模型论文; 机械设计论文; 过程中论文; 工程设计论文; 《建筑学研究前沿》2019年16期论文;