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虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用
龍巖學(xué)院 盧建湘 2015/10/18 20:45:55
摘 要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，尤其是在機(jī)械設(shè)計(jì)中，它更是得到了迅猛的發(fā)展。虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可以大大降低前期的成本投入，提高機(jī)械設(shè)計(jì)的效率，縮短工期，同時(shí)機(jī)械設(shè)計(jì)的性能也比較優(yōu)越，所以它被廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、印刷工業(yè)、包裝工業(yè)以及國(guó)防工業(yè)等領(lǐng)域。本文從虛擬樣機(jī)的概述入手，就其在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了探究，并以該技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械和煤礦機(jī)械等中的具體應(yīng)用進(jìn)行了研究，以期給后續(xù)相關(guān)研究提供借鑒。
關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)；機(jī)械設(shè)計(jì)；應(yīng)用
隨著全球化經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)對(duì)外交往的頻率越發(fā)頻繁，同時(shí)國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)也越發(fā)的激烈。如何才能在激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，已經(jīng)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展所亟待解決的難題之一。傳統(tǒng)的物理樣機(jī)不僅工作效率高，且需要投入大量的前期成本，并且具有施工長(zhǎng)、工作性能不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，這大大制約了我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。而隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)的不斷提高為解決上述存在的問(wèn)題提供了極大的幫助，它可以大大省去前期物理樣機(jī)的資本投入，且具有工作效率高、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，所以它被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)中，并均取得了優(yōu)異的成績(jī)。下面就其在機(jī)械設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用進(jìn)行分析和研究。
1 虛擬樣機(jī)概述
1.1 虛擬樣機(jī)的定義
顧名思義，虛擬樣機(jī)技術(shù)就是一種虛擬的技術(shù)，它是相對(duì)于傳統(tǒng)的制造物理實(shí)體樣機(jī)而言的，主要借助計(jì)算機(jī)軟硬件平臺(tái)來(lái)幫助工程師構(gòu)建相關(guān)的三維模型，然后依靠相關(guān)的仿真模擬系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行仿真模擬實(shí)驗(yàn)，從而幫助工程師驗(yàn)證該機(jī)械在實(shí)際中的運(yùn)行情況，有助于及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案中存在的各種問(wèn)題和不足，以及時(shí)讓設(shè)計(jì)人員加以改正，這樣將大大提高機(jī)械設(shè)計(jì)的效率。簡(jiǎn)言之，該技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為平臺(tái)，借助CAD模型制圖等為基礎(chǔ)，采用仿真模擬技術(shù)的一種機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)。
1.2 虛擬樣機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
虛擬樣機(jī)作為一種新型的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，它可以借助先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和管理技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的全過(guò)程進(jìn)行開(kāi)發(fā)、分析和設(shè)計(jì)，可以大大提高機(jī)械設(shè)計(jì)的效率，縮短工期，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的質(zhì)量，同時(shí)也可以大大降低產(chǎn)品設(shè)計(jì)所需的整體成本，有利于企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的提高。
1.3 虛擬樣機(jī)的特點(diǎn)
在十九世紀(jì)八十年代，CAD/CAM/CAE等技術(shù)逐漸得到普及和應(yīng)用，經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，其在眾多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，且均取得了顯著的成效。他們?cè)谠O(shè)計(jì)的過(guò)程中，通常將零部件的性能和質(zhì)量作為設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，但是在設(shè)計(jì)產(chǎn)品的整體質(zhì)量與其零部件之間的聯(lián)系性較差，這在一定程度上制約了產(chǎn)品整體性能和質(zhì)量的進(jìn)一步提升。而虛擬樣機(jī)技術(shù)則是面向系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，涵蓋了機(jī)械設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)、分析和制造等整個(gè)流程，它可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能和質(zhì)量的不斷提高，與傳統(tǒng)的CAD/CAM/CAE等技術(shù)不同，虛擬樣機(jī)技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)不僅可以面向單獨(dú)的零部件，同時(shí)也可以在整體上進(jìn)行機(jī)械的分析和仿真模擬；（2）涉及貫穿于產(chǎn)品的整個(gè)流程，而不僅僅局限于產(chǎn)品生命周期中的一個(gè)階段；（3）可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品的全方位分析、測(cè)試和評(píng)估。
2 虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
2.1 建模
（1）建立三維模型。三維實(shí)體模型的建立使虛擬樣機(jī)得以建立的前提和基礎(chǔ)，所有的后續(xù)仿真實(shí)驗(yàn)也均是在此基礎(chǔ)上開(kāi)展的。數(shù)字化三維模型的建立是一個(gè)繁雜的過(guò)程，不僅需要詳細(xì)設(shè)計(jì)哪些機(jī)械中外形比較復(fù)雜的零部件，如扇葉、齒輪等等，同時(shí)也需要考慮各種機(jī)械中各種部件的驅(qū)動(dòng)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上還要借助CAD軟件來(lái)構(gòu)建一個(gè)完整的機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)。最初的CAD主要是二維的，這種方式過(guò)程比較復(fù)雜，且不易控制，所以不具備生產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)，隨著技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)下的三維CAD技術(shù)得到了普及和推廣，其可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品各部件的質(zhì)心位置、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量以及搭接細(xì)節(jié)等信息進(jìn)行詳細(xì)地表述，所以效率更高，使用也更加便捷。
（2）添加約束。在三維數(shù)字模型建成后，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)物體間發(fā)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行規(guī)范，我們需要建立適當(dāng)?shù)募s束來(lái)連接各個(gè)部件。在具體添加約束的過(guò)程中，我們需要根據(jù)實(shí)際的情況來(lái)選取恰當(dāng)?shù)募s束添設(shè)條件。目前，我國(guó)現(xiàn)階段所用的三維CAD軟件大都配有動(dòng)力學(xué)相關(guān)插件，所以可以借助這些插件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)裝配和約束關(guān)系進(jìn)行映射，進(jìn)而統(tǒng)一添加約束和虛擬裝配過(guò)程。此外，還有一種方式就是先借著三維CAD完成預(yù)裝配，然后將所完成的數(shù)據(jù)模型導(dǎo)入到ADAMS軟件中，借助該運(yùn)動(dòng)分析軟件來(lái)對(duì)產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行分析。
（3）施加模型驅(qū)動(dòng)。在模型中各個(gè)零部件借助合理的約束實(shí)現(xiàn)了連接，并在各種機(jī)械的運(yùn)動(dòng)情況進(jìn)行確定后，我們需要對(duì)模型添加驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩和驅(qū)動(dòng)力，即讓模型可以按照預(yù)先的設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)情況來(lái)進(jìn)行運(yùn)行。
（4）虛擬樣機(jī)（未完，下一頁(yè)）
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