摘 要：虛擬樣機(jī)技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用到制造業(yè)中，較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法而言，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)能大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)周期，提高產(chǎn)品的質(zhì)量。本文主要從概念、特點(diǎn)以及應(yīng)用和發(fā)展對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行了闡述。

關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)；物理樣機(jī)；計(jì)算機(jī)仿真；應(yīng)用與發(fā)展

引言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，這種外部因素的影響下，機(jī)械產(chǎn)品要提高競(jìng)爭(zhēng)力、滿足客戶需求，就必須針對(duì)市場(chǎng)環(huán)境和需求，改變產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式，提高產(chǎn)品技術(shù)含量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，現(xiàn)代信息技術(shù)已逐漸的應(yīng)用到機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與研發(fā)中，并成為提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能的一種新技術(shù)手段，同時(shí)也為虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了更為方便的操作平臺(tái)[1]。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種通過(guò)綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中先進(jìn)的建模、信息管理和多領(lǐng)域仿真等對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析的方法。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品計(jì)算機(jī)模型，對(duì)模型進(jìn)行仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)產(chǎn)品的后續(xù)研發(fā)以及產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)；同時(shí)可以分析機(jī)械產(chǎn)品在不同應(yīng)用環(huán)境下的整體性能，進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量性能進(jìn)行評(píng)價(jià)[2-3]。

在以往的機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中，對(duì)方案進(jìn)行論證、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)、后續(xù)的細(xì)節(jié)進(jìn)一步修正或改進(jìn)設(shè)計(jì)等一系列流程總是在不斷的循環(huán)討論當(dāng)中。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理、可行，功能能否實(shí)現(xiàn)，還需要對(duì)物理樣機(jī)進(jìn)行多次的測(cè)試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)再次制造或改進(jìn)物理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)中應(yīng)用數(shù)字化的虛擬樣機(jī)技術(shù)改變了產(chǎn)品設(shè)計(jì)→樣機(jī)建造→測(cè)試評(píng)估→反饋設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，避免了物理樣機(jī)的生產(chǎn)及其修改加工，節(jié)約了設(shè)計(jì)研發(fā)成本。通過(guò)數(shù)字化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，可迅速縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)也有利于不同設(shè)計(jì)工作的協(xié)同進(jìn)行。

2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程如圖1所示，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷的循環(huán)過(guò)程。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否合理，需要制造樣機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，但設(shè)計(jì)過(guò)程中往往需要對(duì)設(shè)計(jì)及樣機(jī)進(jìn)行多次改進(jìn)，才能獲得符合要求的設(shè)計(jì)方案，這種設(shè)計(jì)方法往往耗時(shí)、耗力、耗物。

圖1 傳統(tǒng)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行的設(shè)計(jì)研發(fā)是一個(gè)并行的過(guò)程，其設(shè)計(jì)流程如圖2所示。通過(guò)對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行如有限元、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等仿真分析，對(duì)仿真結(jié)果比較，最終確定一個(gè)最優(yōu)化的方案，產(chǎn)品研發(fā)周期短，研發(fā)成本低，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量。

圖2 虛擬樣機(jī)技術(shù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程

與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法對(duì)比，虛擬樣機(jī)技術(shù)主要有以下特點(diǎn)：

（1）全新的研發(fā)模式。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)是一個(gè)串行的過(guò)程，而采用虛擬樣機(jī)技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品不同設(shè)計(jì)工作的同時(shí)進(jìn)行，通過(guò)仿真得到產(chǎn)品在不同使用環(huán)境下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而評(píng)價(jià)不同設(shè)計(jì)方案可行性。

（2）產(chǎn)品研發(fā)周期短、成本低、質(zhì)量高?；谔摂M仿真平臺(tái)建立初步設(shè)計(jì)完成后的產(chǎn)品模型，對(duì)所建模型進(jìn)行多次仿真試驗(yàn)，這樣省去了樣機(jī)的制作時(shí)間，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，同時(shí)也能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。

（3）實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的重要手段。企業(yè)間可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將各自的產(chǎn)品的信息進(jìn)行傳遞，以便雙方就一些產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息進(jìn)行交流，同時(shí)可以就設(shè)計(jì)問(wèn)題進(jìn)行討論，實(shí)現(xiàn)了不同時(shí)間、地點(diǎn)、人員對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的進(jìn)行。

（4）支持產(chǎn)品的全方位測(cè)試、分析與評(píng)估。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對(duì)產(chǎn)品在不同應(yīng)用環(huán)境下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真，根據(jù)結(jié)果對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到產(chǎn)品全方位的測(cè)試結(jié)果，有利于對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行全方位的分析和評(píng)估。

3 虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

虛擬樣機(jī)技術(shù)在國(guó)外已得到了深入的研究，并已成功的應(yīng)用在汽車(chē)制造、武器裝備制造、船舶制造、醫(yī)療機(jī)械制造等諸多制造行業(yè)中。無(wú)論是海里的軍艦、奔馳的火車(chē)等這些大型復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，還是自行車(chē)的鏈條、減速器的齒輪等較小的結(jié)構(gòu)件，虛擬樣機(jī)技術(shù)在其研發(fā)過(guò)程中都有應(yīng)用，并為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)提供了重要的保障。

隨著我國(guó)對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究不斷開(kāi)展，虛擬樣機(jī)技術(shù)在我國(guó)應(yīng)用的領(lǐng)域也在不斷擴(kuò)大，但主要集中在一些大學(xué)、科研院所和一些大型的制造企業(yè)。其中武漢理工大學(xué)利用虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)對(duì)船用起重機(jī)在各種工況下作業(yè)過(guò)程的三維可視化仿真分析[4]；西北機(jī)電工程研究所采用虛擬樣機(jī)聯(lián)合仿真平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了發(fā)射藥協(xié)調(diào)器的機(jī)電液一體化仿真[5]；交通運(yùn)輸部水運(yùn)科學(xué)研究院對(duì)軌道式集裝箱門(mén)式起重機(jī)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，并對(duì)門(mén)架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性分析[6]；遼寧工程技術(shù)大學(xué)通過(guò)建立采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)和刨煤機(jī)的剛?cè)狁詈夏Ｐ停瑢?duì)不同工況下機(jī)械部件的可靠性、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了分析，將虛擬樣機(jī)技術(shù)成功的應(yīng)用于工礦企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)當(dāng)中[7]。

雖然我國(guó)對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究雖然取得了快速的發(fā)展，但在理論和實(shí)踐的深度方面的研究與國(guó)際水平還存在著較大的差距，應(yīng)用范圍還不夠廣闊，還有很大的提升空間。

4 結(jié)束語(yǔ)

虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一種新興的設(shè)計(jì)制造技術(shù)，有著廣闊的發(fā)展和應(yīng)用前景，并且已被廣泛的應(yīng)用到機(jī)械制造業(yè)的設(shè)計(jì)研發(fā)中，對(duì)其進(jìn)行深入的研究，有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量，使其能夠及時(shí)的適應(yīng)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。同時(shí)對(duì)虛擬樣機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，擴(kuò)大該項(xiàng)技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)于我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展也具有重大的戰(zhàn)略意義。

參考文獻(xiàn)

[1]張衛(wèi)，吳慧中.虛擬樣機(jī)概念及體系結(jié)構(gòu)研究[J].組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2002（10）：12-14.

[2]劉國(guó)昌，韓虎.基于ADAMS協(xié)同仿真技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2008（6）：38-40.

[3]胡蓉，胡如夫.機(jī)械產(chǎn)品虛擬樣機(jī)協(xié)同開(kāi)發(fā)技術(shù)[J].機(jī)床與液壓，2003（7）：145-146.

[4]楊寶林.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的船用起重機(jī)技術(shù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2008.

[5]梁輝，王玉林，馬春茂，等.發(fā)射藥協(xié)調(diào)器虛擬樣機(jī)建模與仿真[J].兵工自動(dòng)化，2011，30（5）：86-88.

[6]李益琴，劉晉川，李志建.軌道式集裝箱門(mén)式起重機(jī)的虛擬樣機(jī)仿真[J].水運(yùn)科學(xué)研究，2010（1）：17-21.

[7]趙麗娟，田震.采煤機(jī)截割部工作穩(wěn)定性研究[J].機(jī)械傳動(dòng)，2012，36（7）：14-16.

作者簡(jiǎn)介：徐雷（1987，2-），男，遼寧阜新，本科學(xué)歷，助理工程師，研究方向：煤化工方向。