基于虚拟样机技术的工程机械仿真分析与应用研究

黄爱文

摘要：近年来，机械领域的虚拟样机技术发展迅速，并将以迅猛的势头逐渐取代传统的机械设计、试验和研究方法。本文首先简单阐述了虚拟样机技术，以及一款虚拟仿真软件，然后重点阐述了这款应用仿真软件对工程机械进行优化设计的内容，以及一些机械产品设计中的具体应用，其中，用真实的例子说明了具体方法，希望能够为基于虚拟样机技术的工程机械研究设计提供有价值的参考和借鉴。

关键词：虚拟样机技术;工程机械仿真;应用

1.虚拟样机技术

所谓虚拟样机技术，就是在制造真实样机之前，以计算机虚拟现实的研究平台为基础进行工程机械产品的设计研发，其依托的核心理论基础是多体动力学、现代控制理论等等，同时利用计算机、三维图形处理、信息集成等技术，把需要设计的工程机械产品的分散的零部件的有关分析信息结合在一起，从而建立起工程接卸产品的数学模型，并且针对产品应用中的工况开展仿真分析，从而对该产品的整体性能、使用性能等进行科学的预测，再进行系统的细节上的整改优化[1]。

虚拟样机技术已经被应用于工程机械产品仿真设计开发的整个过程，是一个面向系统的技术设计，其中包括数字样机，包括功能虚拟样机，还包括虚拟工厂仿真，这三个方面有效地结合，从而实现了工程机械产品样机从实体向虚拟的有效转化。虚拟样机技术为虚拟工程机械产品的开发提供了非常强大的技术支撑。

基于虚拟样机技术设计开发工程机械产品的基本流程可以分为以下四个步骤：第一步是，先建立起工程机械产品的开发模型，利用现有的知识对开发过程进行分析改进;第二步是，利用上一环节得到的模型，建立起产品的数字化、仿真和分析模型;第三步是，运用仿真和分析工具对产品模型进行功能和性能分析;第四步是，根据仿真和分析得出的结果，对虚拟样机产品的各方面性能进行综合评估改进[2]。与传统的基于物理样机的方法比，它具有更多的优点。

2.虚拟样机技术依托的几款常用软件

虚拟样机技术的应用需要借助一些虚拟样机软件来实现，这些软件要求界面比较友好，要求功能比较强大，要求性能比较稳定。当前市场上存在的软件比较繁多，二十几家家公司进行激烈的竞争。其中，被广泛应用、口碑比较好的，有美国的机械系统动力学自动分析软件，德国的SIM PACK，Phoenics等等，而美国的机械系统动力学自动分析软件占据的市场份额最大，也是其中最受欢迎的一款虚拟样机软件。

机械系统动力学自动分析软件可用于虚拟样机分析，用户用来对样机进行静力、动力和运动学方面的有效分析。同时，机械系统动力学自动分析软件也可以用于虚拟样机开发，它开放性的程序结构以及多种接口，能够被特殊用户开展特殊样机分析开发提供一个非常良好的开发平台。机械系统动力学自动分析软件一般运用部件库、交互图形环境、约束库等，建立起来参数化的几何模型，求解器构建动力学方程，对虚拟系统开展分析，从而输出速度、加速度以及位移和反作用的曲线。这款软件的仿真能够用来测试工程机械产品的运动范围、峰值载荷，也能够用来进行碰撞监测等等[3]。

3.机械系统动力学自动分析软件的应用

机械系统动力学自动分析软件能够有效地解决挖掘机等的研究设计中的许多问题。比如，挖掘机是由斗杆、动臂、铲斗和液压缸构成。（如图2）

1：动臂;2：斗杆;3：铲斗;4：动臂液压缸;5：斗杆液压缸;

6：铲斗液压缸;7：连杆;8：回转平台

图2 挖掘机的装置

目前挖掘机出现了几个问题，我们可以用仿真分析分析挖掘机不工作了、斗杆、动臂、铲斗转动围绕F、C、Q转动时候的情况下，F、C、Q三点的力矩和角速度变化情况。我们在建立仿真模型的时候可以忽略油缸，因为它所产生的力矩能够转移至关节。我们可以先创建二百七十八千克重、四米长、十毫米厚的大臂，二百四十五千克重、三米长、十毫米厚的小臂以及重达三百八十一千克的铲斗，然后再增加约束力，再增加驱动力。我们可以假设在上述情况下，三点的运动函数，Function=sin（ - 100d* tmie），仿真的时间为五秒，步数是二百步，结果就是，F在时间为1.975秒时扭矩最大为1.234×104Nm，C在时间为0.625秒时扭矩最大时为3670×104Nm，Q在时间为2.525秒时扭矩最大为1.58×103Nm，可以得出F、C、Q三点的角速度的变化是一样的。由此可以看出，机械系统动力学自动分析软件能够得出关节力矩图，甚至还能够计算其数值。机械系统动力学自动分析软件还能够在得知运动轨迹的情况下，计算出关节需要的力矩等等，具有非常强大的仿真计算的能力[4]。

4.虚拟样机技术的意义

虚拟样机技术的发展，可以说充分体现了全新的研发模式，它使工程机械产品的设计开发能够摆脱对实物样机依赖，能够为企业的发展带来非常大的作用，主要体现在：

一是能够大大地降低工程机械产品更新换代情况下产品开发的风险，从而有效的提高企业的生产效率，从而在激烈的竞争中得以健康发展。二是虚拟样机技术的发展能够使之前无法想象的销售虚拟产品成为一种现实，企业能够事先凭借设计开发出来的虚拟样机寻找合适的客户，然后在充分吸收客户的意见的基础上，再投入实体生产，在工程机械产品的开发中更加灵活，在市场竞争中也更能够掌握主动权[5]。三是工程机械产品的虚拟化和数字化能够使企业能够通过互联网优先进行相关产品信息的无障碍交流，通过共享来学习借鉴其他企业的先进技术，从而克服了资源获取的局限性，在这个过程中可以寻找一些企业组成联盟，來共同开发和获取所需要的知识技术，从而借助团体的力量来增强对变化莫测的市场的适应性。四是基于虚拟样机技术工程机械产品的设计研发，要求设计开发人员必须具有雄厚的虚拟样机技术理论基础，专业分析员最后也就成为产品的设计者，这对技术人员的业务素质技能以及协同工作的能力都带来了更高的要求。

5.结语

综上所述，本文认为，随着科学技术的迅猛发展，以及市场竞争的日益加剧，在工程机械领域，虚拟样机技术已经越来越成为工程机械产品设计研发的主流支撑技术。各大企业应当加强对虚拟样机技术的深入了解，招聘更多的高技能专业技术人员强化对虚拟样机技术的应用，从而降低产品生产成本、提高产品生产效率、优化产品质量、提升企业的经济效益，不断增强在激励的市场竞争中持续健康发展的能力。

参考文献：

[1]王洪伦，龚烈航，肖斌安.基于虚拟样机技术的工程机械仿真分析与应用研究[J].机床与液压，2008.07：140-142+163.

[2]郭俊英.基于虚拟样机技术的机械仿真分析与结构设计[J].新技术新工艺，2009，11：43-45.

[3]李寒杰.虚拟样机技术及其在工程机械领域的应用[J].装备制造技术，2012，06：302-304.