黎運宇

（1.廣西民族師范學(xué)院物理與電子工程系，廣西崇左 532200；2.西南林業(yè)大學(xué)機械與交通學(xué)院，昆明云南 650224）

虛擬樣機技術(shù)助推農(nóng)業(yè)機械設(shè)計?

黎運宇1，2

（1.廣西民族師范學(xué)院物理與電子工程系，廣西崇左 532200；2.西南林業(yè)大學(xué)機械與交通學(xué)院，昆明云南 650224）

結(jié)合農(nóng)業(yè)機械設(shè)計的需求，通過對虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用進行歸納，分析了三方面的現(xiàn)狀，討論了對農(nóng)機設(shè)計制造的助推作用，試圖為加快我國農(nóng)機設(shè)計制造現(xiàn)代化建設(shè)的速度服務(wù)。

虛擬樣機技術(shù)；應(yīng)用；現(xiàn)狀；助推作用

1 引 言

農(nóng)業(yè)機械化是我國建設(shè)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化強國的必由之路，農(nóng)業(yè)機械要實現(xiàn)現(xiàn)代化需要先進的農(nóng)業(yè)機械，好的產(chǎn)品需要先進的設(shè)計理念和方法，隨著計算機技術(shù)的應(yīng)用，機械設(shè)計方法和理念發(fā)生著巨大的轉(zhuǎn)變，過去靠筆和紙繪圖設(shè)計機械的過程；用紙筆設(shè)計、做模型、生產(chǎn)樣機、反復(fù)試驗、修改設(shè)計、定型后生產(chǎn)成品，如此的設(shè)計制造過程的規(guī)律正在改變，農(nóng)機的設(shè)計緊跟其后，先進的設(shè)計思想理念正在不斷的應(yīng)用和實施，目前多種現(xiàn)代機械設(shè)計方法論正被采用。如技術(shù)預(yù)測法、創(chuàng)造性設(shè)計法、系統(tǒng)設(shè)計法信號分析法、相似設(shè)計法、模糊設(shè)計法、動態(tài)分析設(shè)計法、有限元和邊界元分析設(shè)計法、優(yōu)化設(shè)計法、可靠性設(shè)計法、計算機輔助設(shè)計CAD法和藝術(shù)造型設(shè)計法［1］。這些方法為我國的農(nóng)機設(shè)計制造快速發(fā)展，起到了十分重要的作用，為我國在2012年成為世界的農(nóng)機制造大國，起到了技術(shù)支撐和保障。

2 傳統(tǒng)設(shè)計過程存在的缺陷

（1）設(shè)計方法和理念的傳統(tǒng)化，繪圖過程繁瑣，計算復(fù)雜困難。

（2）精確度不高（如計算受力、尺寸、配合程度、畫圖）。

（3）實驗過程復(fù)雜，需選用實物，一個個元件組裝好一個試驗機，生產(chǎn)樣機時間長，且費用昂貴。

（4）修改設(shè)計困難，不清晰，計算量大，新繪制圖周期長。

（5）兩次或多次重復(fù)試制最終實驗樣機，花費人力物力大且時間漫長。

（6）設(shè)計圖紙轉(zhuǎn)化為量產(chǎn)化圖紙困難，很難實現(xiàn)全球化協(xié)同設(shè)計制造。

計算機的廣泛應(yīng)用，各種設(shè)計、仿真軟件的使用，就出現(xiàn)了基于計算機軟件的現(xiàn)代設(shè)計方法和數(shù)控制造過程及仿真實驗虛擬樣機技術(shù)。

3 虛擬樣機技術(shù)的定義及優(yōu)點分析

虛擬樣機是用來代替物理產(chǎn)品的計算機數(shù)字模型，它可以像真實的物理模型一樣，用來對所關(guān)心的產(chǎn)品的全壽命周期，如設(shè)計、制造、服務(wù)、循環(huán)利用等進行展示、分析和測試，這種構(gòu)造和使用虛擬樣機的技術(shù)就叫虛擬樣機技術(shù)［2］（Virtual Prototype Tech?nology）。

虛擬樣機技術(shù)的優(yōu)點分析：

（1）能減少大量的人工計算工作，避免多次試制零部件及機構(gòu)過程，節(jié)省材料、人力資源。

（2）仿真后能及時快速修改數(shù)據(jù)和設(shè)計圖紙，縮短時間，可重復(fù)仿真實驗修改，做到一次試制成功達到更高的質(zhì)量要求，搶占市場先機。

（3）能適應(yīng)當(dāng)前以計算機為主要的辦公平臺需要，開展網(wǎng)絡(luò)化協(xié)同設(shè)計制造新模式，快速傳輸、交換數(shù)據(jù)和圖紙，實現(xiàn)由過去的串行設(shè)計制造過渡到并行設(shè)計制造的模式，提高創(chuàng)新機械設(shè)計生產(chǎn)效率。

4 虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1 虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及常用軟件

虛擬樣機技術(shù)在一些較發(fā)達國家的應(yīng)用和研究具有一定優(yōu)勢。如美國、德國、日本等已得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造業(yè)、工程機械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機械電子工業(yè)、國防工業(yè)、通用機械到人機工程學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等很多方面［3］。近十年以來，虛擬樣機技術(shù)在我國的汽車、航空、機械設(shè)備制造等領(lǐng)域得到了推廣應(yīng)用，常用分析計算、仿真軟件如ADAMS（Aut01natjc Dynamic Anal?ysis of Mechanical System）、DADS、SIMPACK、ANSYS、Working Model、SolidWorks、IDEAS、PHOERNIS（Para?bolic Hyperbolic Or Elliptic Numerical Integration Code Series）、SIMILINK等，這些軟件的功能各有側(cè)重并均有各自的優(yōu)勢和應(yīng)用領(lǐng)域。

4.2 我國虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用農(nóng)機設(shè)計領(lǐng)域現(xiàn)狀分析

4.2.1 兩種設(shè)計方式

設(shè)計方式比較如表1所列。

表1 兩種設(shè)計方式比較表

前后兩種方式比較：前者受試驗室外環(huán)境影響，存在用時長，材料和人工費高，靜態(tài)和動態(tài)分離設(shè)計等缺陷；后者時間明顯縮短，計算分析準確，靜態(tài)和動態(tài)結(jié)合優(yōu)化設(shè)計，試制物理樣機次數(shù)少，能保障質(zhì)量優(yōu)，出新產(chǎn)品快，物料、人工成本較低，還可實現(xiàn)并行多公司同時設(shè)計生產(chǎn)后迅速組裝等優(yōu)點，因此新的設(shè)計開發(fā)過程明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的開發(fā)過程。

4.2.2 虛擬樣機技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械中應(yīng)用現(xiàn)狀特點

（1）農(nóng)機企業(yè)發(fā)展存在滯后性 虛擬樣機技術(shù)依托計算機技術(shù)而存在和發(fā)展，因此我國的農(nóng)機設(shè)計行業(yè)計算機技術(shù)應(yīng)用相對于其他如航空和汽車等設(shè)計制造業(yè)有一定的滯后性，原因有以下幾點：由于行業(yè)的資金實力不夠，農(nóng)業(yè)機械類院校發(fā)展重視不夠，學(xué)習(xí)農(nóng)業(yè)機械專業(yè)的積極性不高，導(dǎo)致農(nóng)業(yè)機械專業(yè)院校投入不足、發(fā)展緩慢，因而高技術(shù)農(nóng)機設(shè)計開發(fā)人才規(guī)模小，農(nóng)機企業(yè)的銷售方式單一，銷售量及利潤低，技術(shù)人員待遇低，導(dǎo)致企業(yè)壯大困難，缺少足夠的資金投入研發(fā)，引進、留住人才困難。農(nóng)機企業(yè)上市較少，目前有一拖股份，吉峰農(nóng)機等十余家上市公司，很多農(nóng)機企業(yè)還是作坊式企業(yè)，科研和先進制造技術(shù)運用較少。因此制約了虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用和推廣實踐。

（2）在農(nóng)業(yè)機械裝備中的應(yīng)用，在高校研究機構(gòu)中逐漸形成團隊化，成果轉(zhuǎn)化步伐加快。如中國農(nóng)業(yè)大學(xué)，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，廣西大學(xué)，分別在不同的應(yīng)用方向取得了顯著的效果，華南農(nóng)業(yè)大學(xué)首次把虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用到機械手的研究中，并相繼開展機械手在水稻拋秧機和水果采摘機器人等方面的應(yīng)用，實現(xiàn)了整體設(shè)計方案的優(yōu)化；廣西大學(xué)對甘蔗收獲機整機及關(guān)鍵部件的虛擬樣機模型進行了一系列連續(xù)深入的研究后，建立了基于產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）的甘蔗收獲機可視化虛擬設(shè)計平臺，涉及整個產(chǎn)品生命周期的描述、控制和管理，基于虛擬樣機技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械裝備正逐漸從對虛擬樣機模型的理論研究指導(dǎo)物理樣機試制階段發(fā)展到產(chǎn)品化生產(chǎn)階段，并取得了一定的經(jīng)濟效益［4］。另外如山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，華南理工大學(xué)、沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)等學(xué)校的學(xué)者們也致力于研究這項技術(shù)在農(nóng)機設(shè)計制造中應(yīng)用與推廣實踐。

（3）國內(nèi)的研究者越來越多，并取得了一定成果。龐思紅［5］等完成了液壓挖掘機虛擬樣機技術(shù)的實現(xiàn)，李寒杰［6］在虛擬樣機技術(shù)及其在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用中構(gòu)建了研究平臺，王朝娜［7］等通過比較傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)模式和基于虛擬樣機技術(shù)的產(chǎn)品開發(fā)模式的不同來說明虛擬樣機技術(shù)在我國農(nóng)業(yè)裝備中的應(yīng)用及發(fā)展前景。李勇［8］等將虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用在小型農(nóng)用裝載機設(shè)計中的，利用Solid－Works設(shè)計裝載機虛擬樣機的過程，實現(xiàn)了設(shè)計制造周期不足兩個月。馬斌強［4］等闡述了虛擬樣機技術(shù)的內(nèi)涵和特點，并結(jié)合農(nóng)業(yè)機械系統(tǒng)的特點，概述了虛擬樣機技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械領(lǐng)域中應(yīng)用的情況。馬少輝，韓勇［9］總結(jié)了虛擬樣機在農(nóng)機設(shè)計中應(yīng)用存在四個方面的制約因素。李杰［10］等展望了農(nóng)業(yè)機械虛擬樣機設(shè)計發(fā)展方向：①多柔體系統(tǒng)的建模與仿真技術(shù)；②協(xié)同仿真技術(shù)；③多目標（學(xué)科）設(shè)計優(yōu)化技術(shù)。還有馬少輝、王剛、陸林、李霞、李勇、王凱湛、張布、蘇中濱等很多學(xué)者、專家都在為虛擬樣機技術(shù)在農(nóng)業(yè)機械設(shè)計生產(chǎn)中的應(yīng)用做出了貢獻，并取得了一定成果。這些科技工作者的辛勤勞動和努力，使虛擬樣機技術(shù)更加快速的應(yīng)用和普及到農(nóng)機設(shè)計制造的各個環(huán)節(jié)及各類農(nóng)機的設(shè)計生產(chǎn)中。

5 虛擬樣機技術(shù)對農(nóng)業(yè)機械設(shè)計助推作用

任何一項技術(shù)的誕生對社會發(fā)展都會起到一定推動作用，虛擬樣機技術(shù)對航空、汽車等行業(yè)的促進作用已經(jīng)凸顯，它在農(nóng)機設(shè)計與制造領(lǐng)域中的應(yīng)用已經(jīng)起步，隨著我國現(xiàn)代化進程加快，應(yīng)用的科研機構(gòu)、企業(yè)不斷增多，領(lǐng)域日益廣泛，正是由于科研機構(gòu)的應(yīng)用，培養(yǎng)出了大量的相關(guān)技術(shù)人才，企業(yè)的實踐已不再限于實驗室。我國近幾年農(nóng)機企業(yè)和研發(fā)機構(gòu)發(fā)展也在提速，國家的農(nóng)機補貼政策落實，勞動強度減少，我國社會財富積累增加，使農(nóng)機的購買力增強；航空、汽車行業(yè)的發(fā)展帶動，給農(nóng)機企業(yè)的擴張?zhí)峁┝藙恿?；企業(yè)競爭加劇，因此運用新技術(shù)新工藝的欲望和可行性也在提升，這推動了虛擬樣機技術(shù)在農(nóng)機設(shè)計中的運用和推廣。這種推動作用會促使農(nóng)機的設(shè)計制造更快更好的發(fā)展，由我國現(xiàn)階段的農(nóng)機制造大國成為農(nóng)機設(shè)計制造強國邁進早日變?yōu)楝F(xiàn)實，真正實現(xiàn)農(nóng)機設(shè)計制造的現(xiàn)代化。

推動作用會使農(nóng)機的設(shè)計呈現(xiàn)以下特點：①發(fā)展和創(chuàng)新設(shè)計速度更快；②規(guī)模增大，應(yīng)用程度更深；③由單個的設(shè)計變?yōu)槎鄠€設(shè)計同時進行的協(xié)同設(shè)計；④單機的模擬仿真變?yōu)槎鄼C的系統(tǒng)仿真；⑤創(chuàng)新設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計必然。

6 結(jié) 語

進入21世紀以來，我國現(xiàn)代化進程加快，需要農(nóng)機業(yè)新技術(shù)應(yīng)用快速發(fā)展。農(nóng)業(yè)部稱，2012年全國農(nóng)機總動力邁上10億千瓦臺階，預(yù)計達到10.2億千瓦，同比增長4.3%。大中型拖拉機預(yù)計達到490萬臺，同比增長11.2%［11］。農(nóng)機工業(yè)總產(chǎn)值突破3000億元，成為世界農(nóng)機制造大國［11］。快速發(fā)展催生創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)向速度、質(zhì)量要效益，以技術(shù)、人才作支撐。因此虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機械中，就會達到以上所追尋的目標，虛擬技術(shù)作為國家“十二五”科技發(fā)展重點，有益助推農(nóng)業(yè)機械化的發(fā)展，使我國農(nóng)機設(shè)計制造業(yè)的發(fā)展早日實現(xiàn)3D打印、虛擬化、信息化、并行化、智能化、數(shù)控化的中國夢。

［1］ 李彩風(fēng)，劉俊峰，馮曉靜，等.現(xiàn)代機械設(shè)計方法與農(nóng)機設(shè)計［J］.農(nóng)機化研究，2006（5）：186－188.

［2］ 祖 旭，黃洪鐘，張旭.虛擬樣機技術(shù)及其發(fā)展［J］.農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2004，35（2）：168－171.

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［10］ 李 杰，閻楚良，楊方飛.農(nóng)業(yè)機械設(shè)計中虛擬樣機技術(shù)的應(yīng)用與展望［C］.中國農(nóng)業(yè)機械化科學(xué)研究院，中國農(nóng)業(yè)機械學(xué)會2006年學(xué)術(shù)年會論文集，2006：820－822.

［11］ 曉 林.2012年全國農(nóng)機化10大新聞揭曉［J］.農(nóng)業(yè)工程，2013，3（1）：108－109.

Virtual Prototype Technology Promoting Agricultural Machinery Design

LI Yun－yu1，2

（1 Physics and Electronic Engineering Department，Guangxi Normal University for Nationalities，Chongzuo Guangxi 532200，China；2 College of Mechanical and Transport，Southwest Forestry University，Kunming Yunnan 650224，China）

With the demand of agricultural machinery design，the present situations of three aspects are analyzed and the role of agricultural machinery design and manufacture are discussed through summarizing the application of virtual prototype tech?nology.The aims are to speed up the construction for design and manufacture of modernization agricultural machinery in China.

virtual prototyping technology；application；present situation；promotion

TH122

A

1007－4414（2013）04－0193－03

2013－06－13

2013年度廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究項目（2013LX164）

黎運宇（1974－），男，湖南張家界人，講師，研究方向：農(nóng)業(yè)機械化、機械電子工程。