内容发布更新时间 : 2024/5/21 5:15:21星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

机械系统虚拟样机技术的研究与开发

赵纪国

郑州科技学院，河南 郑州 450064

摘要：随着我国经济不断发展，科学技术的不断进步，机械行业获得了巨大的进步，在进行新的机械设备设计过程中，由于新的技术出现——虚拟样机技术，有效降低了机械企业的研发成本，并且加快了其研发的进步，从而有效提升了企业的竞争力，使其在机械制造行业中建立自身的优势，得到机械企业的广泛认可，鉴于此情况，本文谈谈机械系统虚拟样机技术的研究与开发。

关键词：机械系统；虚拟样机；技术；开发 中图分类号:F407.4文献标识码:A文章标号:

随着社会的不断进步，全球化市场的竞争模式下，我国各行各业的竞争日渐激烈，如何比同行更快开发新的产品，优先抢占市场份额，对于每个行业都这重大的意义，虚拟样机技术的出现有效提升了企业研究的进度已经节约成本，目前已经被广泛应用到多个行业，尤其是机械行业，基于此情况，下文我们将会针对机械系统虚拟样机技术的研究与开发进行相关的探讨。

1 虚拟样机技术

虚拟样机技术是一种崭新的产品开发方法。机械工程学中的虚拟样机技术又称机械系统动态仿真技术,是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。美国机械动力学公司开发的ADAMS是开发虚拟样机的优秀软件。利用它可以对盾构刀盘虚拟样机进行优化设计、试验、仿真分析研究,这样不仅可以降低开发成本、提高开发效率,而且还可以提高产品的质量 1.1 虚拟样机技术的概念

虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中,将分散的零件设计和分析技术揉合在一起,在计算机上建造出产品的整体模型,并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析,预测产品的整机性能,是改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。 1.2 虚拟样机的特点 1.2.1 新的研发模式

传统的设计与制造主要通过周而复始设计-实验-设计的过程,产品才能达到要求的性能。而虚拟样机技术真正地实现了系统角度的产品优化,它基于并行工程,使产品在概念设计阶段就可以迅速地分析。比较多种设计方案,确定影响性能的敏感参数,并通过可视化技术设计产品、预测产品在真实工况下的特征以及所具有的响应,直至获得最优工作性能。 1.2.2 更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量 采用虚拟样机设计方法有助于摆脱对物理样机的依赖。通过计算机技术建立产品的数字化模型,可以完成无数次物理样机无法进行的虚拟试验;使产品的概念设计阶段就可以迅速地分析、比较多种设计方案并能方便地改进和优化设计,节约时间和费用,实现高质量、快速、低成本的设计,而且使一次性开发成功成为可能。 2 虚拟样机的分类

虚拟样机按照实现功能的不同可分为结构虚拟样机、功能虚拟样机和结构与功能虚拟样机。结构虚拟样机主要用来评价产品的外观、形状和装配。新产品设计首先表现出来的就是产品的外观形状是否满意,其次,零部件能否按要求顺利安装,能否满足配合要求,这些都是在产品的虚拟样机中得到检验和评价的。

功能虚拟样机主要用于验证产品的工作原理,如机构运动学仿真和动力学仿真。新产品在满足了外观形状的要求以后,就要检验产品整体上是否符合基于物理学的功能原理。这一过程

往往要求能实时仿真,但基于物理学功能分析,计算量很大,与实时性要求经常冲突。 结构与功能虚拟样机主要用来综合检查新产品试制或生产过程中潜在的各种问题。这是将结构虚拟样机和功能虚拟样机结合在一起的一种完备型的虚拟样机。它将结构检验目标和功能检验目标有机结合在一起,提供全方位的产品组装测试和检验评价,实现真正意义上的虚拟样机系统。这种完备型虚拟样机是目前虚拟样机领域研究的主要方向。 3 机械工程中虚拟样机技术的相关技术

3.1 几何模型的计算机辅助设计软件和技术。用于机械系统的几何建模,或者用来展现机械系统的仿真分析结果。三维CAD系统是较好的建模工具,能支持“自顶向下”和“自底向上”等设计方法,完成结构分析、装配仿真及运动仿真等复杂设计过程,使设计更加符合实际设计过程。三维造型系统能方便地与CAE系统集成,进行仿真分析;三维CAD系统有其自身巨大的优越性,随着计算机软硬件系统的发展,性能价格比的不断上升,这种优越性会越来越明显。 3.2 有限元分析软件和技术。由于机械系统动力学技术的成熟,CAE技术才进入层次上的分析,机械系统和运动学和动力学分析结果,为进行机械系统有限元分析提供了所需的外力和边界条件。或者利用有限元分析对构件的应力、应变和强度进行进一步的分析,从而为产品性能的优化、改进以及评估提供强有力的证据。 3.3 模拟各种各样作用力的软件编程技术。虚拟样机软件运用开放式的软件编程技术来模拟各种力和动力,例如:电动力、液压气动力、风力等等,以适应各种机械系统的要求。 3.4 利用试验装置的试验结果进行某些不见的建模。试验结果经过线性化处理输入机械系统,成为机械系统模型的一个组成部分。

3.5 控制系统设计与分析技术。虚拟样机软件可以运用传统的和现代的控制理论,进行机械系统的运动仿真分析,或者可以应用其他专用的控制系统分析软件,进行机械系统和控制系统的联合分析。

3.6 优化分析技术。运用虚拟样机分析技术进行机械系统的优化设计和分析,是一个重要的应用领域,通过优化分析,确定最佳的设计结构和参数值,是机械系统获得最佳的综合性能。 4 基于虚拟样机技术设计开发机械产品的流程

传统的机械产品的开发通常要经过图纸设计、物理样机试制、工业性试验、改进定型和批量生产五个阶段。由于技术的限制,在设计阶段获取的产品的各类相关信息极为有限,设计者对设计方案的评估也有限,就难以避免在设计过程中会出现差错。对于复杂的机械系统,在设计阶段就更难以了解整个系统。对于成本较高的产品出现差错就会造成极大的损失,为了减少这种风险,通常要建立一个等同于真实产品的物理样机,以获得产品的机械、物理、外观以及可造性、可装配性的全面的信息反馈,但对于复杂的机械系统通常价格昂贵,而且耗时较长。面对竞争日益激烈的市场,企业要保持竞争优势,就必须在最短的时间里设计并制造出高质量的新产品。而物理样机的缺点成为企业保持竞争优势的一大障碍,为了克服这一缺点,就产生了虚拟样机技术。虚拟样机的设计开发分为四个层次(见图1),第一层上为螺旋迭代过程,层与层之间上瀑布式的开发过程。

4.1 建立产品开发模型,采用IDFF3类过程工具进行描述,利用已有知识对产品开发过程进行分析和改进,得到的过程模型。

4.2 利用得到的过程模型,建立产品的数字化模型,包括利用CAD建模,同时建立仿真模型和分析模型,目前常用的三维CAD有Pro/E、UG、Solid-works、Solidedge等。

4.3 利用仿真工具、优化分析工具有限元分析工具对建立的产品模型进行功能和性能分析;目前常用的仿真软件机械动力系统仿真软件ADMAS;有限元软件有NASTRAN、ANSYS、ABAQUS等。

4.4 评估虚拟样机,根据仿真、有限元分析所得的结果对产品的功能和各项性能进行评估。机械系统虚拟样机开发过程实质上是一种基于模型的不断提炼与完善的过程。虚拟样机是数

字化模型,包含物理样机的关键特征,通过虚拟样机可以在虚拟环境中对产品进行功能测试,并基于产品的开发需求,通过各种分析和仿真工具,对虚拟样机的功能和性能进行仿真分析,关键部件的强度分析;在分析、仿真的基础上,对系统模型进行可行性的评估和检测;再修改产品的设计模型和仿真模型,然后再进行功能和性能仿真分析。通过反复的优化改进,最终达到最优化设计的虚拟样机,再将这个虚拟样机直接进行生产制造。

5 结语：

机械行业是一个以“设备第一”的行业，其新产品的推出及使用效果是一个企业发展的核心，系统虚拟样机技术出现，能有效帮助机械行业进行新设备设计的优化，使其节约成本及时间，加快新产品的推出，落后就会被挨打，所以本作者对机械系统虚拟样机技术的研究与开发进行了专门的探讨，就是为了有效推广虚拟样机技术让更多机械行业相关人员认识，促使我国机械行业更快接受虚拟样机技术，从而加快机械行业发展的脚步 参考文献：

[1]熊光楞,郭斌,陈晓波等.协同仿真与虚拟样机技术[M].北京:清华大学出版社.2004

[2]王钢林,武哲.基于虚拟样机的飞机总体设计环境的体系研究.航空学报,2005,26(2):162-167.

[3]贾小龙.空间站粗粒度虚拟样机设计技术研究[D].西安:西北工业大学,2004