機械工程的畢業(yè)論文
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《 機械工程設計中的虛擬樣機技術(shù)探析 》
摘要：文章簡(jiǎn)單介紹了虛擬樣機技術(shù)的概念及其特點(diǎn)，對機械工程設計中虛擬樣機技術(shù)的應用，尤其是在農業(yè)機械設計中的應用做了深入分析和探討，以期為技術(shù)研發(fā)提供方向性的參考。
關(guān)鍵詞：機械工程;設計;虛擬樣機;技術(shù)分析
隨著(zhù)經(jīng)濟和科技的迅猛發(fā)展，企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競爭中要想謀求長(cháng)期穩定的發(fā)展，就要不斷研發(fā)適應市場(chǎng)需求的新產(chǎn)品，并縮短研發(fā)周期、優(yōu)化設計性能、提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低開(kāi)發(fā)成本。虛擬樣機技術(shù)相較于傳統的物理樣機技術(shù)而言，以其卓越的性能受到企業(yè)和研發(fā)者的青睞。以虛擬樣機取代物理樣機進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的前期設計和測試評估，可有效縮短開(kāi)發(fā)周期和降低開(kāi)發(fā)成本，同時(shí)能優(yōu)化產(chǎn)品的設計效果，尤其在機械工程設計中發(fā)揮著(zhù)舉足輕重的作用。
1虛擬樣機技術(shù)的概念及其特點(diǎn)
虛擬樣機技術(shù)相對傳統物理樣機而言的顯著(zhù)特點(diǎn)是;虛擬，即通過(guò)計算機借助特定的軟件程序幫助工程師建立三維模型，依靠先進(jìn)的仿真模擬系統實(shí)施仿真模擬實(shí)驗，對機械在實(shí)際運行中的情況加以分析和評估，幫助工程師及時(shí)找出設計不足和缺陷，并采取針對性的措施加以改進(jìn)，提高機械設計的效率和質(zhì)量[1]。簡(jiǎn)單地講，該技術(shù)是在計算機基礎上，運用CAD等設計制圖模型，借助仿真模擬技術(shù)進(jìn)行機械設計的一種新技術(shù)。該技術(shù)的特點(diǎn)是：在機械設計整個(gè)過(guò)程中借助高科技的設計和管理技術(shù)實(shí)施開(kāi)發(fā)、分析和設計，極大地縮短了研發(fā)設計周期，提高了機械設計的質(zhì)量和效率，同時(shí)也降低了設計成本，有助于提高企業(yè)的市場(chǎng)競爭力。
2機械工程設計中虛擬樣機技術(shù)的應用
2.1模型建立
2.1.1三維模型的建立建立三維的實(shí)體模型是運用虛擬樣機技術(shù)的基礎和前提，后續的仿真實(shí)驗都要在這個(gè)基礎上進(jìn)行[2]。建立數字化的三維模型過(guò)程極其繁雜，除了對諸如齒輪、扇葉等外形復雜的零部件進(jìn)行詳細的細部設計，還要對各種機械內部的每種部件間的相關(guān)驅動(dòng)聯(lián)系予以充分考慮，以此為基礎再借助CAD等軟件程序搭建完整的機械系統的虛擬樣機。早期的CAD以二維為主，這種方式的設計過(guò)程復雜且不容易操控，在生產(chǎn)中不具有優(yōu)勢，科技發(fā)展使得當前的三維CAD得到了普遍推廣，機械產(chǎn)品內部的每個(gè)部件的轉動(dòng)慣量、質(zhì)心位置和搭接的細節都能得到詳盡的設計和明確表述，設計深度和效率都得到了顯著(zhù)提高，軟件應用更加便捷人性化。
2.1.2添加約束建成數字三維模型后，為了規范和限制物體之間的相對運動(dòng)，在對各個(gè)部件進(jìn)行連接時(shí)要添加適當的約束。添加約束時(shí)，要從實(shí)際情況出發(fā)注意所添加約束條件的合理性。當前，國內使用的三維CAD設計軟件多配有相關(guān)的動(dòng)力學(xué)插件，通過(guò)這些插件對約束關(guān)系和裝配關(guān)系加以映射，可實(shí)現對虛擬裝配和添加約束的過(guò)程相統一。另一種方式是，借助三維CAD軟件進(jìn)行預裝配，繼而在A(yíng)DAMS運動(dòng)分析軟件中導入已經(jīng)完成的數據模型，通過(guò)ADAMS實(shí)現對產(chǎn)品運動(dòng)情況的如實(shí)分析[3]。
2.1.3對模型施加驅動(dòng)通過(guò)設置合理的約束在模型的各零部件之間實(shí)現連接，在確定各種機械運用的情況后，對模型施加驅動(dòng)力及驅動(dòng)轉矩，以使模型能夠按照預先設計好的運動(dòng)情況進(jìn)行運動(dòng)。
2.1.4虛擬樣機仿真驅動(dòng)施加完成后，模型已基本建成，已經(jīng)具備仿真模擬的實(shí)驗條件。進(jìn)一步，對產(chǎn)品模型實(shí)施模擬仿真的實(shí)驗操作，分析計算各項物理指標，如速度和加速度、作用力和反作用力以及位移等，為后續有限元的分析做準備。
2.2有限元分析
有限元的分析方法能對機械內部各構件的強度和運動(dòng)特性指標等進(jìn)行全面、精準的分析，其顯著(zhù)特點(diǎn)是通用性強[4]。另外，有限元的分析方法還能實(shí)現對諸如邊界條件和結構形狀等力學(xué)問(wèn)題的專(zhuān)業(yè)解答，目前在機械設計中得到了比較廣泛的應用。有限元的分析方法運算速度和可靠性都比較高，在虛擬樣機技術(shù)中是不可或缺的設計工具。
2.3優(yōu)化設計
為提高機械使用的工作效率，在對機械模型進(jìn)行必要的校驗后，還要對其設計進(jìn)一步優(yōu)化。目前，國內在對機械模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)主要方法包括：在滿(mǎn)足各項機械設計的條件、變量的變化區間也適宜的基礎上，通過(guò)自動(dòng)選擇系統來(lái)選擇機械模型設計中涉及的變量;在求解目標函數的最大值時(shí)可以通過(guò)分析函數進(jìn)行計算;通過(guò)計算機計算系統改變設計參數的變量范圍并加以求解，并可進(jìn)行多次仿真[5]。特別是在每一次的仿真模擬完成后，要對模型的參數變量進(jìn)行多次更改，通過(guò)反復的模擬實(shí)驗，求得待求物理量的最優(yōu)解。
2.4控制、機械系統聯(lián)合仿真
在機械開(kāi)發(fā)的傳統模式中，機械系統和控制系統不管是在設計還是測試上都是相互獨立的，二者之間并沒(méi)有有效的.互動(dòng)，從而導致機械設計的實(shí)際效果并不理想。虛擬樣機技術(shù)可將機械系統和控制系統實(shí)現一體化控制，將二者進(jìn)行有效融合和統一，切實(shí)解決了傳統的機械開(kāi)發(fā)中控制效能低下等問(wèn)題。虛擬樣機技術(shù)中機械和控制系統的聯(lián)合仿真思路具體如下：借助仿真軟件分析三維模型的力學(xué)及動(dòng)力學(xué)特性，再利用矩陣實(shí)驗室等控制軟件加以控制計算。這種設計思路中，控制軟件將控制命令作用于運動(dòng)學(xué)的仿真軟件，后者將作用結果的反饋信息發(fā)送到虛擬的位置傳感器，從而實(shí)現對控制系統的有效控制。兩者綜合，機械系統和控制系統的聯(lián)合就能順利實(shí)現。
3例證分析
目前，虛擬樣機技術(shù)應用的范圍和領(lǐng)域非常廣，例如船舶加工、武器制造和包裝機械設計及農業(yè)機械設計等。下面以其在農業(yè)機械設計中的應用為例加以分析。一方面是仿真技術(shù)和多柔體的系統建模相結合。由于多柔體系統中的動(dòng)力學(xué)重在研究剛體運動(dòng)和彈性變形之間的耦合性，所包含的運動(dòng)形式復雜多樣，動(dòng)力學(xué)方面的計算難度大，借助虛擬樣機進(jìn)行仿真研究是當下的一個(gè)重點(diǎn)。比如在聯(lián)合收割機的改良實(shí)驗中，比較成熟的是對收割機的內部各種零件等剛體的建模和仿真技術(shù)，而針對小麥、水稻和玉米等柔體作物進(jìn)行完整模型的建立以及柔體模型與收割機內部各部件的綜合仿真模擬則是研發(fā)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。另一方面是協(xié)同仿真技術(shù)，即將各個(gè)學(xué)科的模擬仿真工具加以結合，進(jìn)而構建復雜多樣的模擬仿真系統，在充分發(fā)揮各模擬仿真系統的單獨作用時(shí)，協(xié)調不同領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行高效配合，實(shí)現產(chǎn)品研發(fā)的多元化和復合化�，F代化農業(yè)機械越來(lái)越注重減輕農民的操作難度，也越來(lái)越注重多種作用的綜合和集中，農業(yè)機械設計中所涉及的學(xué)科及領(lǐng)域也越來(lái)越多、越來(lái)越廣，比如，如何把農用拖拉機的控制系統和機械系統加以高效綜合的系統模擬仿真一直是技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)。
4結束語(yǔ)
綜上，虛擬樣機技術(shù)在長(cháng)期的研發(fā)和應用過(guò)程中以其設計周期短、效率高和產(chǎn)品性能穩定等優(yōu)勢在機械工程設計領(lǐng)域得到了普遍推廣和普及，但仍需進(jìn)一步完善和改進(jìn)，從而更好地為機械工程設計及其他學(xué)科和領(lǐng)域提供更大的便捷和更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。
參考文獻
[1]盧建湘.虛擬樣機技術(shù)在機械設計過(guò)程中的應用[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2015，31(9)：45-47.
[2]張鳴，任建平，等.基于虛擬樣機的機械設計方法[J].機械設計，2006，19(11)：49-51.
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[4]李杰，閆楚良，等.農業(yè)機械設計中虛擬樣機技術(shù)的應用與展望[J].中國農業(yè)機械協(xié)會(huì )，2013，13(3)：820-821.
[5]王剛，楊鶯，劉少軍.虛擬樣機技術(shù)在工程機械領(lǐng)域的應用[J].工程機械，2003(8)：11-13.
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