淺談虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展

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)計研發(fā)能大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計、開發(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，市場競爭日趨激烈，這種外部因素的影響下，機(jī)械產(chǎn)品要提高競爭力、滿足客戶需求，就必須針對市場環(huán)境和需求，改變產(chǎn)品開發(fā)模式，提高產(chǎn)品技術(shù)含量。隨著計算機(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[1]。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念

虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種通過綜合運(yùn)用計算機(jī)輔助設(shè)計中先進(jìn)的建模、信息管理和多領(lǐng)域仿真等對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計和分析的方法。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品計算機(jī)模型，對模型進(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；同時可以分析機(jī)械產(chǎn)品在不同應(yīng)用環(huán)境下的整體性能，進(jìn)而對產(chǎn)品的質(zhì)量性能進(jìn)行評價[2-3]。

在以往的機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)過程中，對方案進(jìn)行論證、根據(jù)經(jīng)驗進(jìn)行初步的設(shè)計、后續(xù)的細(xì)節(jié)進(jìn)一步修正或改進(jìn)設(shè)計等一系列流程總是在不斷的循環(huán)討論當(dāng)中。為了驗證設(shè)計是否合理、可行，功能能否實現(xiàn)，還需要對物理樣機(jī)進(jìn)行多次的測試實驗，根據(jù)實驗結(jié)果，再對產(chǎn)品的設(shè)計方案進(jìn)行改進(jìn)，同時再次制造或改進(jìn)物理樣機(jī)進(jìn)行實驗以達(dá)到設(shè)計的要求。在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計和研發(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→樣機(jī)建造→測試評估→反饋設(shè)計的傳統(tǒng)設(shè)計流程，避免了物理樣機(jī)的生產(chǎn)及其修改加工，節(jié)約了設(shè)計研發(fā)成本。通過數(shù)字化的計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)，可迅速縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，同時也有利于不同設(shè)計工作的協(xié)同進(jìn)行。

2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程如圖1所示，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計是一個不斷的循環(huán)過程。為了驗證設(shè)計方案是否合理，需要制造樣機(jī)進(jìn)行性能測試，但設(shè)計過程中往往需要對設(shè)計及樣機(jī)進(jìn)行多次改進(jìn)，才能獲得符合要求的設(shè)計方案，這種設(shè)計方法往往耗時、耗力、耗物。

圖1 傳統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)過程

利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行的設(shè)計研發(fā)是一個并行的過程，其設(shè)計流程如圖2所示。通過對多種設(shè)計方案進(jìn)行如有限元、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)等仿真分析，對仿真結(jié)果比較，最終確定一個最優(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)品開發(fā)流程

與傳統(tǒng)設(shè)計方法對比，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)計研發(fā)是一個串行的過程，而采用虛擬樣機(jī)技術(shù)則可以實現(xiàn)產(chǎn)品不同設(shè)計工作的同時進(jìn)行，通過仿真得到產(chǎn)品在不同使用環(huán)境下的動態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而評價不同設(shè)計方案可行性。

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

（3）實現(xiàn)動態(tài)設(shè)計的重要手段。企業(yè)間可以通過網(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)計信息進(jìn)行交流，同時可以就設(shè)計問題進(jìn)行討論，實現(xiàn)了不同時間、地點(diǎn)、人員對產(chǎn)品設(shè)計的進(jìn)行。

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

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)在國外已得到了深入的研究，并已成功的應(yīng)用在汽車制造、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。無論是海里的軍艦、奔馳的火車等這些大型復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，還是自行車的鏈條、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)過程中都有應(yīng)用，并為產(chǎn)品的設(shè)計生產(chǎn)提供了重要的保障。

隨著我國對虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究不斷開展，虛擬樣機(jī)技術(shù)在我國應(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)實現(xiàn)了計算機(jī)對船用起重機(jī)在各種工況下作業(yè)過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)合仿真平臺實現(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)研究院對軌道式集裝箱門式起重機(jī)虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行了動力學(xué)仿真，并對門架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性分析[6]；遼寧工程技術(shù)大學(xué)通過建立采煤機(jī)、掘進(jìn)機(jī)和刨煤機(jī)的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，對不同工況下機(jī)械部件的可靠性、動態(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)計研發(fā)當(dāng)中[7]。

雖然我國對虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究雖然取得了快速的發(fā)展，但在理論和實踐的深度方面的研究與國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

虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一種新興的設(shè)計制造技術(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)計研發(fā)中，對其進(jìn)行深入的研究，有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量，使其能夠及時的適應(yīng)市場經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要。同時對虛擬樣機(jī)及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，擴(kuò)大該項技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，對于我國制造業(yè)的發(fā)展也具有重大的戰(zhàn)略意義。

參考文獻(xiàn)

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作者簡介：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。