探究虚拟样机技术与机械设计的结合

探究虚拟样机技术与机械设计的结合

李洋

广东美的暖通设备有限公司   528000

摘要：虚拟样机主要是指基于计算机系统，利用相关软件对机械产品的应用功能与应用环境进行真实性模拟，属于模型建立和虚拟仿真的结合。在机械设计过程中，借助虚拟样机技术，可以提高机械产品的实际性能，如外观、空间关系，以及运动学和动力学特性，是提高机械设计效率与可靠性的重要支承技术。本文主要探究了虚拟样机技术在机械设计的应用。

关键词：虚拟样机技术；机械设计；应用

引言：机械设计是一个复杂而综合性的过程，旨在创造出满足特定功能和性能要求的机械产品。传统的机械设计方法往往依赖于物理样机的制造和试验，这种方法不仅周期长、成本高，而且在设计的早期阶段难以全面评估设计方案的性能。随着计算机技术的飞速发展，虚拟样机技术应运而生，为机械设计优化提供了一种高效、精确的新途径。

一、虚拟样机技术的概述

虚拟样机技术属于一种与多个学科相结合的技术，它以动力学、机械系统运动学、控制离乱和有限元分析等技术为核心，运用计算机图形技术，将产品的各个部件设计、分析、研发等集成一体，从而实现机械设计的数字模型，为工程机械产品的设计、研发和优化等功能提供了计算机虚拟现实的平台。因此，虚拟样机也被称作数字化样机。相对于传统的仿真技术，虚拟样机技术的优势主要体现在以下两点：（1）传统仿真技术侧重于单个子系统，而虚拟样机则侧重于系统整体的优化。将虚拟环境与虚拟征集相结合，以多个方案来设计、分析与评价产品，并持续改善与优化产品设计，直至达到某一产品的最佳综合性能；（2）传统的产品设计，如液压系统，整机结构，控制系统，都是单独设计的，是一种串联的流程，往往忽视了产品中各子系统之间的联系和互动，这种方法有较大的缺点，即产品问题总是到了后期才被发现，造成极大的浪费。利用虚拟样机技术，能够迅速地构建出包括控制系统、液压系统、气动系统在内的多体动力学虚拟样机，从而实现对产品的并行设计，能够在产品设计的最初阶段及时地发现问题和解决问题，并将系统的测试分析作为整个产品设计过程的驱动因素。

二、虚拟样机技术在机械设计的应用

1、构建模型

首先，创建三维模型。三维实体模型创建是虚拟样机技术应用的重要基础与前提条件，后期所有的仿真实验都需要以此为基础开展。数字化三维模型的创建过程较为复杂，不仅要对零部件细部进行科学合理设计，同时也必须综合衡量不同机械内部部件之间存在的驱动关联，将其作为主要参考依据，在CAD等相关软件程序的作用下构建机械系统虚拟样机。在CAD软件应用早期，主要以二维为主，设计的过程相对繁杂且操控难度较大，生产优势严重缺失。伴随科学技术的快速发展，三维CAD推广效果逐渐突显出来，使得机械产品内部各部件搭接细节、转动惯量以及质心位置都能够被详细地表述出来，一定程度上优化了设计的深度与效率，且在应用软件方面也更具人性化特征。

其次，适当添加约束。在完成数字三维模型后，为了对物体间相对运动加以规范与限制，需要在连接各部件的过程中将约束添加其中。在此期间，需要结合具体状况，以保证约束条件添加的科学合理性。现阶段，我国三维CAD设计软件一般都配备了动力学插件，在插件的作用下能够有效地映射约束关系与装配关系，并且保证虚拟装配与约束添加的统一性。与此同时，通过对三维CAD软件的应用实现预装配，并将已经构建的数据模型导入到ADAMS运动分析软件中，进而实时分析产品的运行状况。

再次，驱动模型。在模型各个零部件之间对约束加以有效设置以实现连接目标，并在对不同机械运用状况确定后，将驱动力与驱动转矩施加到模型中，进而确保模型根据事先设计的运动状况完成运动动作。

最后，虚拟样机仿真。在成功施加驱动后，模型大致完成创建，且具备了仿真模拟实验条件。针对产品模型开展模拟仿真实验操作，并对不同的物理指标加以分析和计算，能够为有限元分析提供必要保障。

2、有限元分析

现阶段机械工程规模普遍较大，机械内部结构也更加趋于复杂，这需要对内部构件之间的运动情况进行系统分析，有限元分析法的应用则能为设计效果的提升夯实基础，该方法不仅具有较强的适用性优势，更能科学解决广泛存在的力学问题，为其拓展性应用带来积极有效的助推力。尤其在机械设计中，其应用频率普遍较高。有限元分析方法作为虚拟样机技术中较为重要的一部分，能够以工具形式在机械工程设计中发挥其运算作用，对于设计效果而言其可靠性也会极大增强。

3、优化设计

在机械模型校验完成后，还需要对其进行优化处理，以使其保持更为高效的工作效率。现阶段我国所用的机械模型优化方法主要包括以下几步：在各种机械设计条件均满足和变量变化范围适宜的前提下，借助自动选择系统来对机械模型设计的变量进行选择；也可以借助分析函数来对目标的函数最大值进行求解；借助计算机的计算系统来对设计变量的参数范围进行改变，并进行求解，以达到多次仿真的目的。另外，每次仿真模拟结束后，均需要对机械设计模型的变量参数进行更改，直到求出物理量的最优化解为止。

4、联合仿真控制系统与机械系统

对于机械开发传统模式而言，无论设计还是测试，机械系统与控制系统都是互相独立，且不具有互动性，这样会直接影响机械设计的效果。然而，在引入虚拟样机技术后，即可同步控制机械系统与控制系统，实现两者的统一与融合，对传统机械开发控制效果不理想的问题加以解决。在联合仿真控制系统与机械系统的过程中，合理应用虚拟样机技术，需合理应用仿真软件，对三维模型力学特性与动力学特性加以分析。在此基础上，对矩阵实验室等相关控制软件加以利用，以达到控制计算的目的。根据此设计思路，控制软件需在运动学仿真软件中合理运用控制命令，并将反馈信息向虚拟位置传感器发送，以保证控制系统得到控制。在这种情况下，控制系统与机械系统能够有效联合。

三、虚拟样机技术在机械设计的发展趋势

虚拟样机技术在机械设计中的发展趋势主要包括以下方面：第一，模拟仿真技术将更加成熟。随着计算机技术和仿真技术的不断发展，模拟仿真技术将越来越成熟和精确，这将使虚拟样机技术在机械设计中的应用更加广泛。第二，多学科融合。虚拟样机技术在机械设计中的应用将与多学科融合，例如材料科学、电子技术和控制技术等，这将使机械设计更加全面和高效。第三，可视化技术将变得更加先进。随着可视化技术的不断发展，虚拟样机技术在机械设计中的应用将变得更加真实和生动，这将使机械设计人员能更好地理解机械系统的运作。第四，智能化设计。虚拟样机技术将越来越智能化，例如采用人工智能技术对设计进行优化和改进，这将使机械设计更加高效和准确。第五，云计算技术的应用。随着云计算技术的不断发展，虚拟样机技术在机械设计中的应用将更加便捷和高效，设计人员可以随时随地访问虚拟样机，并进行设计和仿真分析。

四、结束语

综上所述，在虚拟样机技术的长期发展过程中，由于它具有较短的设计周期和较高的效率等许多优点，因此它被广泛地应用于机械工程设计领域，并且在实际应用中取得良好的效果。然而，在虚拟样机技术的实际应用中，该技术还需要不断完善和优化，只有这样才能为机械工程的设计工作和其他学科的发展提供有益的借鉴，从而促进各个领域的发展。

参考文献

[1]王江月.虚拟样机技术在机械产品设计中的应用[J].山东工业技术，2017，（16）：43.

[2]李文豪.机械工程设计中的虚拟样机技术分析[J].科技创新与应用，2021（4）：128.

[3]刘毅.虚拟样机技术及其在工程机械领域的应用[J].时代农机，2020，44（2）：78-80.

[4]张行，江帆，贾晨曦等.结合虚拟样机技术的刮板链故障受力特性分析[J].机械设计与制造，2023（1）：247－251.