虚拟样机技术在农业机械领域中的应用分析

徐金苏 浙江省台州学院，浙江省台州市 318000

虚拟样机技术在农业机械领域中的应用分析

徐金苏 浙江省台州学院，浙江省台州市 318000

文章通过介绍虚拟样机技术的基本情况，对虚拟样机技术在农业机械领域的应用进行了分析。随着技术进步和成本降低，虚拟样机技术在农业机械中的全面应用将势不可挡。

虚拟样机技术；农业领域

引言

传统的物理样机设计由于要考虑研制成本、周期等因素，只能进行有限范围、有限次数的试验，而虚拟样机技术则可实现对虚拟样机无数次的仿真测试，便于及时发现产品在设计、制造和使用中的各种缺陷并采取有效措施并修正之。

1 虚拟样机技术简介

1.1 虚拟样机技术的定义

虚拟样机技术是一门综合多学科的技术，源于对多体系统动力学的研究。虚拟样机技术就不同的领域，有着不同的定义。机械工程中的虚拟样机技术称为机械系统动态仿真技术，是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程技术。多体系统动力学是虚拟样机技术的核心理论。

1.2 虚拟样机技术的优点

虚拟样机技术优点：①全新的研发模式；②更低的研发成本、更短的研发周期、更高的产品质量；③实现动态联盟的重要手段等。它是许多技术的综合。目前，最先进的虚拟样机技术及其分析软件包含以下技术：几何形体的计算机辅助设计（CAD）软件和技术；动态仿真；有限元分析（FEA）软件和技术；模拟各种各样作用力的软件编程技术；利用试验装置的实验结果进行某些构件的建模；控制系统设计与分析软件和技术和优化分析软件和技术等。

1.3 虚拟样机技术的研究范围

虚拟样机技术的研究范围主要是机械系统运动学和动力学分析，其核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的运动学和动力学分析，以确定系统及其各构件在任意时间的位置、速度和加速度，同时，通过求解代数方程组确定引起系统及其各构件运动所需的作用力和其反作用力。

1.4 虚拟样机技术的发展现状

目前，虚拟样机技术已在我国得到了应用与推广，主要在汽车、航天航空、武器制造、机械工程等。

1.4.1 虚拟样机技术在国内的应用。中航第一飞机研究院成功推出了国内首架飞机全机规模电子样机；在863项目“月球表面探测机器人方案研究”中运用虚拟样机技术构造虚拟月球面计算仿真环境，并对涉及的多项关键技术进行了深入研究，取得了很好的成果。但从我国目前的情况来看，虚拟样机技术只停留在初步应用阶段，有很大的提升空间。

1.4.2 虚拟样机技术在国外的应用。虚拟样机技术最早在一些发达国家，如美国、德国、日本等。在各领域，针对各种产品，虚拟样机技术都为用户节约开支、时间并提供满意的设计方案。

约翰·迪尔（John Deere）利用虚拟样机技术解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题；福特汽车公司在某一款新车的开发中也采用了虚拟样机技术，缩短设计周期70天；美国海军的NAVAIR/APL项目，利用虚拟样机技术，实现多领域多学科的设计并行和协同，形成了协同虚拟样机技术；当然最为熟悉的是，美国波音飞机公司的波音777飞机是世界上首家以无图纸方式研发并制造的飞机。

综上，从产品优化设计到工程咨询，虚拟样机技术的应用无处不在。

2 虚拟样机技术在农业机械领域的应用

2.1 虚拟样机技术在农业机械领域的应用现状

目前，虚拟样机技术在我国正被引起重视，但在农业机械设计开发上的应用还不是很普遍。今后，应该进一步加强虚拟样机在农业机械设计开发中的推广应用，增强我国农业机械产品的开发能力。

2.2 农业机械虚拟研究的必要性

由于我国多样性的地形和作物以及农业机械对季节性的高要求，决定了农业机械设计研发过程周期长，成本高，加上有些理论的分析和综合计算过程复杂，计算量相当大，农业机械的研制存在较大的困难。而传统的农业机械设计对于相对复杂的机构分析和综合问题，往往借助于作图法和经验的拼凑。由于这些原因，传统的理论分析，很多只是定性地说明问题，缺乏精确的计算和验证。同时，传统的农业机械设计中很多设计参数靠设计人员的经验决定，并且常常只是对产品进行静态分析而不注重动态特征分析，这些都严重制约了产品质量的提高。

2.3 农业机械关键部件虚拟研究的意义

对农业机械进行虚拟研究可克服传统物理样机设计中的不足之处，可降低成本，提高效益，实现信息资源共享等。同时，利用虚拟样机技术对农业机械关键部件的虚拟研究具有如下意义：①对农业机械关键部件的工作性能好坏严重影响到整机的工作性能。利用虚拟样机对其关键部件的参数进行动态仿真分析，并进行有效结构优化是必要的；②利用虚拟样机技术，对农业机械的关键部件进行动力学仿真研究，可以在较短的时间内，以较小的成本分析确定影响整机工作性能的主要因素。

3 结束语

根据农艺要求，利用虚拟样机创新性地设计制作农业机械，并尝试利用相关CAD技术对关键机构进行参数优化、二维草图设计、三维建模、虚拟样机仿真和有限元强度分析。通过虚拟样机的制作及相关CAD技术的使用，对农业机械进行不断改进，最后设计出结构简单、工作性能可靠、成本可行的农业机械，这为物理样机的制造及其使用提供了理论依据和科学指导。

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徐金苏（1983-），女，浙江台州，工学硕士，机构学与机械动力学。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.08.056