机械工程设计中的虚拟样机技术分析庞行行

机械工程设计中的虚拟样机技术分析庞行行

庞行行

浙江精功科技股份有限公司312030

摘要：依托经济及技术发展，现代生产形式也随之呈现出了多样化特点，机械化应用逐渐成为主流趋势。在市场竞争愈发激烈的背景下，对产品质量及技术革新则提出了更高的要求，这就需要结合时代发展需求，采取积极有效的措施提高产品性能，促使其整体质量与预期目标高度相符。现阶段机械工程设计的重要性不断凸显，虚拟样机技术则依托自身强大的优势特点被广泛应用，本文就以此为切入点，对虚拟样机技术展开了讨论，旨在为机械工程设计的优化夯实基础。

关键词：机械工程设计；虚拟样机技术；技术分析

以经济技术发展为主线，企业处于市场竞争环境下，只有不断优化生产流程，更新并引进新技术，才能在平稳建设中谋求更为优质的发展前景，因此，提升产品质量，生产并研发出新产品势在必行，这不仅能够提升产品性能优势，更能合理缩减生产成本，创造出更多经济及社会效益。虚拟样机技术的应用具有革新性特点，通过对以往的物理样机技术进行替换，能够突破以往产品生产及开发中的局限性，依托其强大的前期设计及评估能效，能够在缩短产品开发周期的基础上提高产品质量，因此，将其应用到机械工程设计中具有重要意义。

一、机械工程设计中虚拟样机技术的应用

虚拟样机技术之所以能够替代传统的物理样机技术，是因为其本身应用优势更加显著。虚拟从本质上来看就是以计算机为主导，利用软件程序创建与设计指标相契合的三维模型，而后再借助仿真模拟系统开展与之对应的实验，依托模拟技术实现对机械运行情况进行判断，通过实时分析就能精准定位机械故障及不足，工程师通过系统评估也能对设计效果进行衡量，进而确定机械设计缺陷，通过应用可行性措施则能将设计问题修正，促使机械设计质量达到预期标准。通俗来说就是虚拟样机技术通过融合运用现代计算机及制图模型技术，能够实现对机械设计的预先模拟，进而提高设计质量的新型技术。

1.建立模型

将虚拟样机技术应用到机械工程设计中创建三维模型是首要条件，在后期技术操作的各个环节中都需要依托模型才能顺利完成，因此，创建三维模型，提高其数字化指标至关重要，但是实际的建模流程往往较为复杂，无论是齿轮还是扇叶等零部件的设计都应当被纳入到重点研究范畴中，同时还应当结合机械运作情况，协调好内部各个零件之间的联系，促使其驱动效果更加趋于理想状态，而后再利用软件程序就能实现对整个机械系统的创建，虚拟样机在进入这一步骤时也基本搭建完成。在最初阶段，CAD软件程序只能完成二维操作，而机械设计流程的复杂化往往会对技术操作产生阻滞性影响，机械生产中难免出现相应不足及缺陷。在现代科学技术水平的提升，促使CAD软件程序依托三维技术得到了拓展性应用，这不仅优化了设计性能，更能实现对产品内部各个细节的高效衔接，设计质量也因此而提高。

其次，三维模型完成创建后，提升机械内部物体运行的规范性，则应当确保各个部分保持相对运动，这就需要对在连接各个关联部件的过程中，增加与实际情况相符合的约束条件，促使其稳定性及运行效率双向提升。从当前形势来看，我国频繁应用的三维CAD设计软件中大多都配备了动力学插件，依托于此就能实现对约束及机械装配的映射，进而提高二者的协调性及默契度。另外，三维模型还能应用到预装配中，在实际操作阶段，通过对机械内部各个部件的运动情况进行分析，再将数据模型与之结合，就能提高分析的精确度，促使设计质量达到最佳标准。

第三，在完成上述操作后，还应当在各个关联的零部件之间配置相应约束模型，提高整体连接效率，当明确各个机械运行轨迹及实际情况后，还应当以模型为基准适当增加驱动力，促使模型能够按照预设轨迹进行规范化运动；最后，判断模型是否达到实验要求，需要对驱动施加情况进行衡量，在确定模型达到创建标准后，则可以有序推进仿真实验操作，并对其中逐渐产生的各类指标进行全面分析，例如速度及作用力指标都是不可或缺的，也只有将各个指标整合在一起，才能提高分析的精确度，进而优化机械工程设计结构，推动其质量的全面提升。

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，这就为其拓展性应用带来了积极有效的助推力，尤其是在机械设计中，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，对于设计效果来说其可靠性也会大大增强。

3.控制及机械系统的有机结合及仿真

机械工程设计在传统模式中存在相应局限性，由于机械及控制系统在设计及测试中都处于分离状态，不能高效互动，这就使得机械设计质量与预期目标存在较大差距。虚拟样机技术的应用，则能将机械系统及控制系统有机结合，通过集中控制，提高机械开发效率，激发系统控制潜能，在实际操作中其主要思路为：通过利用仿真软件对三维模型的力学特征系统科学分析，而后借助控制软件实现对数据的计算，实际上在该种仿真模拟环境下，控制软件会向仿真软件发出运动指令，在这一过程中产生的数据信息则能够直接传递到传感器中，进而完成对系统的操控，因此不难发现，将机械系统与控制系统有机结合，就能促使仿真思路更加趋于现实。

4.提高设计质量

机械工程设计的最终目标就是优化机械性能，促使其运行效率不断提高，因此，机械生产前期对开展科学有效的设计工作至关重要，在实际操作中不仅需要对机械模型的各项指标进行检验，更需要在原有基础上对设计进行完善及优化。从当前形势来看，我国对机械模型的优化主要呈现以下特点：以机械设计的要求为主导，确保变量变化区间达到常规标准，依托自动化技术，对机械模型设计中的各类变量因素进行精确选择；基于函数分析及计算，获取函数最大值；通过对计算机系统的应用，通过转变设计参数，对变量范畴进行确定，完成求解，在这一过程中仿真次数可以不受限制。需要注意的是，在仿真模拟结束后，应当对变量值进行实时更新，依托多次的模拟实验，提高试验结果的精确度，促使物理量达到最优化标准。

二、实例分析

从当前形势来看，虚拟样机技术的应用范围较为广泛，例如船舶工厂、武器制造和包装机械设计、农业机械设计等。本文就对虚拟样机技术在农业机械设计中的应用为例加以分析。首先，仿真技术和多柔体系统建模相结合，由于多柔体系统中的动力学重在研究刚体运动和弹性变形之间的耦合性，所包含的运动形式复杂多样，动力学方面的计算难度大，借助虚拟样机进行仿真是当下研究的一个重点；其次是协同仿真技术，即将各个学科的模拟仿真工具加以结合，进而构建复杂多样的模拟仿真系统，在充分发挥各模拟仿真系统的单独作用时，协调不同领域的开发人员进行高效配合，实现产品研发的多元化和复合化。

结语：

综上，虚拟样机技术在长期的研发及应用过程中以其设计周期短、效率高和产品性能稳定等优势在机械工程设计领域得到了普遍推广及普及，但是仍需进一步完善和改进，从而更好的为机械工程设计及其他学科和领域提供更大的便于和更优质的服务。

参考文献：

[1]许红静,段国林,蔡瑾,等.面向复杂产品的可重构虚拟样机技术研究[J].机械设计,2012,29(9):25-28.

[2]孙伏.基于虚拟样机技术的渐开线少齿数齿轮传动性能分析[J].机械设计与制造,2012(2):154-155.

[3]高福利.现代机械工程设计中虚拟制造技术的应用探讨[J].建筑工程技术与设计,2016(35).