王保愛

（甘肅畜牧工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 武威 733006）

1 仿真技術(shù)的介紹

仿真技術(shù)一般又稱為虛擬現(xiàn)實技術(shù)，仿真技術(shù)就是為了適于對機械系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)技術(shù)要求，利用設(shè)計好的軟件，進行計算機形象的模仿機構(gòu)的運動，并利用計算程序通過組合 給原動件加以動力，再給各個零件賦上不同的材質(zhì)參數(shù)，則整個機構(gòu)就可以按預(yù)定的方式運動，這種技術(shù)就稱為仿真技術(shù)。這種技術(shù)綜合了計算機三維圖形技術(shù)、計算機仿真技術(shù)、多傳感交互技術(shù)、顯示技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種高新技術(shù)的成果，仿真技術(shù)主要體現(xiàn)在仿真的軟件的應(yīng)用上，首先在三維造型軟件上現(xiàn)在運用比較廣泛的有MDT、UG Pro/ENGINEER、SolidWorks、SolidEdge等；在有限元分析軟件上主要有WorkingModel FEA ANSYS等；運動學(xué)分析仿真軟件主要有ADAMS、WorkingModelMotion等；三維動畫設(shè)計軟件主要有3D Studio MAX IPA等。三維設(shè)計軟件MDT是由美國Autodesk公司開發(fā)并研制的將高級三維建模功能和二維繪圖功能融于一體的集成軟件包，它含AutoCAD2000的全部功能，可創(chuàng)建零件的三維模型，也可使用三維零件創(chuàng)建二維工程圖，因此具有強大的三維立體建模和裝配功能。MSC Working knowledge所提供的 Working model系列軟件是對產(chǎn)品功能的設(shè)計、仿真、驗證和優(yōu)化，仿真是個設(shè)計過程中的基本部分。ANSYS軟件是目前世界上最著名的幾大有限元分析軟件之一，他融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁及聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，廣泛應(yīng)用于航空航天、造船、機械制造、能源及生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域；3D Studio MAX軟件是由美國開發(fā)的世界上最著名的三維動畫軟件之一。

2 仿真技術(shù)的在農(nóng)機設(shè)計中的重要意義

隨著科技水平的不斷提高和機械運行環(huán)境的復(fù)雜程度越來越高，對機械設(shè)計與開發(fā)技術(shù)的要求也是越來越高。由于機械工作環(huán)境的復(fù)雜性很難對其模仿，在機械設(shè)計之前很難對系統(tǒng)做出合適的評估，所以需要通過計算機的仿真在對機械部件和系統(tǒng)加工前對機械運動方案以及各類傳動機構(gòu)進行仿真，之后進行綜合分析從而對所設(shè)計的系統(tǒng)進行判斷找出不合適的設(shè)計從而能夠更快、更準(zhǔn)確、成本更低的找出改進的方案。

在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計方面，我國傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計很大一部分是憑借經(jīng)驗進行類比設(shè)計，一般只進行靜態(tài)分析而不注重動態(tài)特征的分析。但是隨著用戶需求多樣化、個性化和市場競爭的激烈化，能否對市場做出迅速的響應(yīng)，生產(chǎn)出最大程度滿足顧客要求的高質(zhì)量低成本的產(chǎn)品是生產(chǎn)廠家要解決的問題，在農(nóng)機設(shè)計方面縮短研發(fā)周期，降低產(chǎn)品成本，是實現(xiàn)農(nóng)業(yè)機械化的一個關(guān)鍵要素。同時，由于我國地形以及作物的多樣性，不同的作物需要不同的機械，同一作物在不同生長階段也需要不同的機械，甚至同一作物在不同的地域、氣候等條件下對機械的要求也不盡相同。因此，需要為每一特定的情況制造出與之相適應(yīng)的機械。因為農(nóng)業(yè)機械的試驗季節(jié)性強，開發(fā)周期長，如果用傳統(tǒng)的設(shè)計模式，這無疑是一項巨大的工程。而使用仿真技術(shù)可以解決上述兩個問題。

在農(nóng)業(yè)設(shè)計上，軟件的作用主要表現(xiàn)在以下幾個方面：①設(shè)計人員可利三維設(shè)計軟件 MDT構(gòu)思和設(shè)計自己的機械，創(chuàng)建各種復(fù)雜的表面，還可以利用曲面在零件上增減材料來創(chuàng)建模型，這樣就解決了農(nóng)業(yè)機械中不規(guī)則曲面設(shè)計的難題；②3D Studio MAX可以使農(nóng)業(yè)機械的運轉(zhuǎn)過程形成真實的動畫文件；③MSC Working knowledge的仿真技術(shù)與可視化處理及協(xié)同工作融為一體，可以為設(shè)計提高產(chǎn)品質(zhì)量和降低成本，縮短產(chǎn)品投放市場的時間提供了非常有效的途徑；④ANSYS軟件也可以大大提高設(shè)計的效率。這些軟件是基于計算機的農(nóng)業(yè)機械的設(shè)計，主要是利用計算機來生成零件或整機的二維或三維圖形，也即是傳統(tǒng)意義上的 CAD建模。

3 農(nóng)機設(shè)計的仿真的基本過程

農(nóng)機設(shè)計的仿真基本過程是三維實體造型和三維實體模型的利用。文章將對這兩個方面進行一些基本的介紹，并結(jié)合當(dāng)前的技術(shù)進步，進一步分析三維實體造型和模型的利用后，提出一些改進型的措施。

（1）三維實體造型方面，利用基于 WINDOWS操作平臺的如 MDT SolidegeSolidwork三維實體造型軟件，這些軟件的基本建模思想都是一致的，由簡單的草圖通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃描和蒙皮等而得到三維實體，進一步得到這些實體構(gòu)成各種各樣的機械零件，零件在裝配模塊中裝配成機械裝置，得到與實際機械1：1尺寸的計算機模型。文章以1GT 210型植被破碎機減速箱蓋的設(shè)計為例，對 MDT在農(nóng)業(yè)機械三維造型技術(shù)中的應(yīng)用加以闡述。具體設(shè)計的過程如下：①首先繪制二維草圖拉伸 15mm得到實體完成了蓋板三維實體圖繪制；②選擇蓋板的一面為坐標(biāo)平面后繪制4個圓拉伸15mm得到 4個圓柱型凸起。③用與拉伸相反的挖削實體特征工具做4個圓的草圖，挖通孔得到軸承端蓋孔；④根據(jù)加強筋和突臺的截面形狀及相關(guān)尺寸繪制二維草圖，選擇適合的草圖平面，拉伸得到加強筋及突臺；第五，選擇合適的尺寸及形狀用打孔工具在指定位置打一個孔，然后用特征陣列得到其它各螺栓孔，其他三個孔用相同的方法來做；⑤在蓋板周圍以要求的距離間隔用打孔工具選擇合適的孔徑及形狀打螺栓孔。這樣就基本完成了減速箱上箱蓋的三維實體模型，在用渲染工具進行渲染。除了上述的建模之外，現(xiàn)代的建模還有功能建模、知識建模、行為建模，這些建模都可以大大提高工作效率，除了上述的建模軟件之外，還有pro/E、UG 等。

（2）在完成三維實體造型之后，還要利用三維實體模型進行進一步的分析，以完善三維實體的利用。①工程圖的構(gòu)造。要在任意方向上的觀察三維實體模型，看其是否滿足設(shè)計與使用要求，如果滿足了設(shè)計要求，則可以直接利用軟件進行任意位置剖視圖或者三視圖，以滿足設(shè)計的需要；②裝配檢測，又稱為虛擬裝配?，F(xiàn)代的軟件一個非常大的好處就是可以利用軟件考慮零件的加工工藝、直接觀測到所設(shè)計的零部件間的裝配關(guān)系及整機的布局，以減少通過實體試驗的方式與方法，節(jié)省了時間和物力、人力；③數(shù)控加工，傳統(tǒng)的設(shè)計方法是在設(shè)計好的零部件的數(shù)據(jù)送到加工中心，在仿真中可以在正式加工之前借助 CAM 軟件進行機械制造仿真，減少加工時產(chǎn)生干涉等不正?，F(xiàn)象，還可以對各部件之間進行靜態(tài)干涉檢查；④生成整機動畫圖像。將所設(shè)計的三維實體模型與3DMAX IPA等軟件結(jié)合就可以生產(chǎn)十分逼真的機器設(shè)備，而且可以通過軟件調(diào)整各種設(shè)計元素；⑤在完成了設(shè)計仿真之后，還要運動學(xué)、動力學(xué)仿真。使用動態(tài)仿真軟件進行運動學(xué)和動力學(xué)分析，得出各個點的如力、加速度、速度及位移等運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)，以供今后分析之用，常用的運動學(xué)與動力學(xué)仿真分析軟件有 ADAMS、DADS、SIMPACK 等；⑥最后一步，就是利用有限元分析軟件進行對機器的應(yīng)力、振動以及屈曲、撓度等有限元的分析，優(yōu)化機械設(shè)計中的力學(xué)和材料的參數(shù)，達到最優(yōu)化的設(shè)計目的；⑦在仿真設(shè)計之后，還要與物理實驗進行對比分析，如果兩者的結(jié)果一致，則進行優(yōu)化設(shè)計，這個過程是把虛擬樣機和虛擬環(huán)境結(jié)合，把虛擬樣機導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)中建立人機交互的模擬程式得出對虛擬樣機的認識和評價，這一步也是在當(dāng)前科技發(fā)展的結(jié)果，建立人機交互的模擬程式的軟件有 EON Studio、VRML、WTK 等，其中EON Studio與 WTKT和 VRML比較它的編程工作量要少，用可視化節(jié)點來實現(xiàn)實體的行為功能和人機交互，比較容易掌握。

4 結(jié)語

當(dāng)前基于仿真技術(shù)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)尤其是虛擬現(xiàn)實技術(shù)中的人機交互這一技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計上的應(yīng)用還很少，基于仿真技術(shù)的虛擬現(xiàn)實技術(shù)一門多學(xué)科融合的交叉技術(shù)和前沿科學(xué)領(lǐng)域，要實現(xiàn)農(nóng)機設(shè)計的仿真的應(yīng)用，首先是要有強大的軟件的支撐和完善的計算機、試驗設(shè)備作為保障才能夠完成。農(nóng)機設(shè)計部門也要及時突破傳統(tǒng)的設(shè)計思想和設(shè)計方法，不斷更新設(shè)計的思維、學(xué)習(xí)先進的設(shè)計方法才能夠真正掌握好仿真設(shè)計的技術(shù)。

[1]鄒湘軍，孫健，何漢武，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的演變發(fā)展與展望[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，2004，（9）.

[2]王志華，陳翠英.基于ADAMS的聯(lián)合收割機振動篩虛擬設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2003，（4）.