仿真技术在农机设计中的应用

王保爱

（甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃 武威 733006）

1 仿真技术的介绍

仿真技术一般又称为虚拟现实技术，仿真技术就是为了适于对机械系统的设计与开发技术要求，利用设计好的软件，进行计算机形象的模仿机构的运动，并利用计算程序通过组合 给原动件加以动力，再给各个零件赋上不同的材质参数，则整个机构就可以按预定的方式运动，这种技术就称为仿真技术。这种技术综合了计算机三维图形技术、计算机仿真技术、多传感交互技术、显示技术、网络技术等多种高新技术的成果，仿真技术主要体现在仿真的软件的应用上，首先在三维造型软件上现在运用比较广泛的有MDT、UG Pro/ENGINEER、SolidWorks、SolidEdge等；在有限元分析软件上主要有WorkingModel FEA ANSYS等；运动学分析仿真软件主要有ADAMS、WorkingModelMotion等；三维动画设计软件主要有3D Studio MAX IPA等。三维设计软件MDT是由美国Autodesk公司开发并研制的将高级三维建模功能和二维绘图功能融于一体的集成软件包，它含AutoCAD2000的全部功能，可创建零件的三维模型，也可使用三维零件创建二维工程图，因此具有强大的三维立体建模和装配功能。MSC Working knowledge所提供的 Working model系列软件是对产品功能的设计、仿真、验证和优化，仿真是个设计过程中的基本部分。ANSYS软件是目前世界上最著名的几大有限元分析软件之一，他融结构、热、流体、电磁及声学于一体的大型通用有限元分析软件，广泛应用于航空航天、造船、机械制造、能源及生物医学等领域；3D Studio MAX软件是由美国开发的世界上最著名的三维动画软件之一。

2 仿真技术的在农机设计中的重要意义

随着科技水平的不断提高和机械运行环境的复杂程度越来越高，对机械设计与开发技术的要求也是越来越高。由于机械工作环境的复杂性很难对其模仿，在机械设计之前很难对系统做出合适的评估，所以需要通过计算机的仿真在对机械部件和系统加工前对机械运动方案以及各类传动机构进行仿真，之后进行综合分析从而对所设计的系统进行判断找出不合适的设计从而能够更快、更准确、成本更低的找出改进的方案。

在农业机械设计方面，我国传统的农业机械的设计很大一部分是凭借经验进行类比设计，一般只进行静态分析而不注重动态特征的分析。但是随着用户需求多样化、个性化和市场竞争的激烈化，能否对市场做出迅速的响应，生产出最大程度满足顾客要求的高质量低成本的产品是生产厂家要解决的问题，在农机设计方面缩短研发周期，降低产品成本，是实现农业机械化的一个关键要素。同时，由于我国地形以及作物的多样性，不同的作物需要不同的机械，同一作物在不同生长阶段也需要不同的机械，甚至同一作物在不同的地域、气候等条件下对机械的要求也不尽相同。因此，需要为每一特定的情况制造出与之相适应的机械。因为农业机械的试验季节性强，开发周期长，如果用传统的设计模式，这无疑是一项巨大的工程。而使用仿真技术可以解决上述两个问题。

在农业设计上，软件的作用主要表现在以下几个方面：①设计人员可利三维设计软件 MDT构思和设计自己的机械，创建各种复杂的表面，还可以利用曲面在零件上增减材料来创建模型，这样就解决了农业机械中不规则曲面设计的难题；②3D Studio MAX可以使农业机械的运转过程形成真实的动画文件；③MSC Working knowledge的仿真技术与可视化处理及协同工作融为一体，可以为设计提高产品质量和降低成本，缩短产品投放市场的时间提供了非常有效的途径；④ANSYS软件也可以大大提高设计的效率。这些软件是基于计算机的农业机械的设计，主要是利用计算机来生成零件或整机的二维或三维图形，也即是传统意义上的 CAD建模。

3 农机设计的仿真的基本过程

农机设计的仿真基本过程是三维实体造型和三维实体模型的利用。文章将对这两个方面进行一些基本的介绍，并结合当前的技术进步，进一步分析三维实体造型和模型的利用后，提出一些改进型的措施。

（1）三维实体造型方面，利用基于 WINDOWS操作平台的如 MDT SolidegeSolidwork三维实体造型软件，这些软件的基本建模思想都是一致的，由简单的草图通过拉伸、旋转、扫描和蒙皮等而得到三维实体，进一步得到这些实体构成各种各样的机械零件，零件在装配模块中装配成机械装置，得到与实际机械1：1尺寸的计算机模型。文章以1GT 210型植被破碎机减速箱盖的设计为例，对 MDT在农业机械三维造型技术中的应用加以阐述。具体设计的过程如下：①首先绘制二维草图拉伸 15mm得到实体完成了盖板三维实体图绘制；②选择盖板的一面为坐标平面后绘制4个圆拉伸15mm得到 4个圆柱型凸起。③用与拉伸相反的挖削实体特征工具做4个圆的草图，挖通孔得到轴承端盖孔；④根据加强筋和突台的截面形状及相关尺寸绘制二维草图，选择适合的草图平面，拉伸得到加强筋及突台；第五，选择合适的尺寸及形状用打孔工具在指定位置打一个孔，然后用特征阵列得到其它各螺栓孔，其他三个孔用相同的方法来做；⑤在盖板周围以要求的距离间隔用打孔工具选择合适的孔径及形状打螺栓孔。这样就基本完成了减速箱上箱盖的三维实体模型，在用渲染工具进行渲染。除了上述的建模之外，现代的建模还有功能建模、知识建模、行为建模，这些建模都可以大大提高工作效率，除了上述的建模软件之外，还有pro/E、UG 等。

（2）在完成三维实体造型之后，还要利用三维实体模型进行进一步的分析，以完善三维实体的利用。①工程图的构造。要在任意方向上的观察三维实体模型，看其是否满足设计与使用要求，如果满足了设计要求，则可以直接利用软件进行任意位置剖视图或者三视图，以满足设计的需要；②装配检测，又称为虚拟装配。现代的软件一个非常大的好处就是可以利用软件考虑零件的加工工艺、直接观测到所设计的零部件间的装配关系及整机的布局，以减少通过实体试验的方式与方法，节省了时间和物力、人力；③数控加工，传统的设计方法是在设计好的零部件的数据送到加工中心，在仿真中可以在正式加工之前借助 CAM 软件进行机械制造仿真，减少加工时产生干涉等不正常现象，还可以对各部件之间进行静态干涉检查；④生成整机动画图像。将所设计的三维实体模型与3DMAX IPA等软件结合就可以生产十分逼真的机器设备，而且可以通过软件调整各种设计元素；⑤在完成了设计仿真之后，还要运动学、动力学仿真。使用动态仿真软件进行运动学和动力学分析，得出各个点的如力、加速度、速度及位移等运动学和动力学参数，以供今后分析之用，常用的运动学与动力学仿真分析软件有 ADAMS、DADS、SIMPACK 等；⑥最后一步，就是利用有限元分析软件进行对机器的应力、振动以及屈曲、挠度等有限元的分析，优化机械设计中的力学和材料的参数，达到最优化的设计目的；⑦在仿真设计之后，还要与物理实验进行对比分析，如果两者的结果一致，则进行优化设计，这个过程是把虚拟样机和虚拟环境结合，把虚拟样机导入虚拟现实系统中建立人机交互的模拟程式得出对虚拟样机的认识和评价，这一步也是在当前科技发展的结果，建立人机交互的模拟程式的软件有 EON Studio、VRML、WTK 等，其中EON Studio与 WTKT和 VRML比较它的编程工作量要少，用可视化节点来实现实体的行为功能和人机交互，比较容易掌握。

4 结语

当前基于仿真技术的虚拟现实技术尤其是虚拟现实技术中的人机交互这一技术在农业机械设计上的应用还很少，基于仿真技术的虚拟现实技术一门多学科融合的交叉技术和前沿科学领域，要实现农机设计的仿真的应用，首先是要有强大的软件的支撑和完善的计算机、试验设备作为保障才能够完成。农机设计部门也要及时突破传统的设计思想和设计方法，不断更新设计的思维、学习先进的设计方法才能够真正掌握好仿真设计的技术。

[1]邹湘军，孙健，何汉武，等.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报，2004，（9）.

[2]王志华，陈翠英.基于ADAMS的联合收割机振动筛虚拟设计[J].农业机械学报，2003，（4）.