數(shù)字樣機技術在復雜產(chǎn)品工程設計中的應用研究

1、<p>　　數(shù)字樣機技術在復雜產(chǎn)品工程設計中的應用研究</p><p>　　[摘 要]本文首先講述了虛擬樣機技術的概念，然后介紹了虛擬樣機技術的特點，接著介紹了應用現(xiàn)狀，最后介紹了虛擬樣機技術在機械領域的應用。 </p><p>　　[關鍵詞]數(shù)字樣機技術，工程設計，應用研究 </p><p>　　中圖分類號：TB21 文獻標識碼：A 文章編號：1009-

2、914X（2015）15-0382-01 </p><p><b>　　一、前言 </b></p><p>　　數(shù)字樣機技術是使用數(shù)字代替實物進行產(chǎn)品數(shù)字化設計的技術。使用數(shù)字樣機能夠快速靈活的進行設計，而且更加有真實感。并且能夠縮短研發(fā)周期，降低成本。 </p><p>　　二、虛擬樣機技術的概念 </p><p>　

3、　虛擬樣機技術是一種通過綜合運用計算機輔助設計中先進的建模、信息管理和多領域仿真等對產(chǎn)品進行設計和分析的方法。利用虛擬樣機技術建立產(chǎn)品計算機模型，對模型進行仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果指導產(chǎn)品的后續(xù)研發(fā)以及產(chǎn)品的改進設計；同時可以分析機械產(chǎn)品在不同應用環(huán)境下的整體性能，進而對產(chǎn)品的質(zhì)量性能進行評價。 </p><p>　　在以往的機械產(chǎn)品研發(fā)過程中，對方案進行論證、根據(jù)經(jīng)驗進行初步的設計、后續(xù)的細節(jié)進一步修正或改進設計

4、等一系列流程總是在不斷的循環(huán)討論當中。為了驗證設計是否合理、可行，功能能否實現(xiàn)，還需要對物理樣機進行多次的測試實驗，根據(jù)實驗結(jié)果，再對產(chǎn)品的設計方案進行改進，同時再次制造或改進物理樣機進行實驗以達到設計的要求。在機械產(chǎn)品設計和研發(fā)中應用數(shù)字化的虛擬樣機技術改變了產(chǎn)品設計→樣機建造→測試評估→反饋設計的傳統(tǒng)設計流程，避免了物理樣機的生產(chǎn)及其修改加工，節(jié)約了設計研發(fā)成本。通過數(shù)字化的計算機輔助設計技術，可迅速縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，同時也有利于不

5、同設計工作的協(xié)同進行。 </p><p>　　三、虛擬樣機技術的特點 </p><p>　　機械產(chǎn)品的設計是一個不斷的循環(huán)過程。為了驗證設計方案是否合理，需要制造樣機進行性能測試，但設計過程中往往需要對設計及樣機進行多次改進，才能獲得符合要求的設計方案，這種設計方法往往耗時、耗力、耗物。 </p><p>　　利用虛擬樣機技術對機械產(chǎn)品進行的設計研發(fā)是一個并行的過程

6、。通過對多種設計方案進行如有限元、運動學和動力學等仿真分析，對仿真結(jié)果比較，最終確定一個最優(yōu)化的方案，產(chǎn)品研發(fā)周期短，研發(fā)成本低，有效地提高了產(chǎn)品質(zhì)量。 </p><p>　　1、全新的研發(fā)模式 </p><p>　　傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計研發(fā)是一個串行的過程，而采用虛擬樣機技術則可以實現(xiàn)產(chǎn)品不同設計工作的同時進行，通過仿真得到產(chǎn)品在不同使用環(huán)境下的動態(tài)響應，進而評價不同設計方案可行性。 <

7、/p><p>　　2、產(chǎn)品研發(fā)周期短、成本低、質(zhì)量高 </p><p>　　基于虛擬仿真平臺建立初步設計完成后的產(chǎn)品模型，對所建模型進行多次仿真試驗，這樣省去了樣機的制作時間，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，同時也能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。 </p><p>　　3、實現(xiàn)動態(tài)設計的重要手段 </p><p>　　企業(yè)間可以通過網(wǎng)絡將各自的產(chǎn)品的信息進行傳遞，以

8、便雙方就一些產(chǎn)品設計信息進行交流，同時可以就設計問題進行討論，實現(xiàn)了不同時間、地點、人員對產(chǎn)品設計的進行。 </p><p>　　4、支持產(chǎn)品的全方位測試、分析與評估 </p><p>　　利用虛擬樣機技術對產(chǎn)品在不同應用環(huán)境下的動態(tài)響應進行仿真，根據(jù)結(jié)果對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行分析，得到產(chǎn)品全方位的測試結(jié)果，有利于對產(chǎn)品進行全方位的分析和評估。 </p><p><b

9、>　　四、應用現(xiàn)狀 </b></p><p>　　數(shù)字樣機技術在一些工程設計與制造技術較發(fā)達國家，如美國、德國、日本等已得到廣泛的應用，應用領域從汽車制造業(yè)、航空航天業(yè)、國防工業(yè)到人機工程學、醫(yī)學以及工程咨詢等很多方面。所涉及的產(chǎn)品從龐大的卡車到照相機的快門、火箭到輪船的錨鏈。在各個領域里，針對各種產(chǎn)品，數(shù)字樣機技術都為用戶節(jié)約了開支、時間并提供了滿意的設計方案。采用虛擬現(xiàn)實技術，基于數(shù)字樣機軟

10、件，借助VR外設工具可對產(chǎn)品的不同層面（零部件級、組件級、系統(tǒng)級）進行數(shù)字化樣機裝配和維護，實現(xiàn)具有沉浸感的產(chǎn)品裝配與維護，對產(chǎn)品裝配性能、裝配工藝性和維護性進行評估和優(yōu)化，在設計階段驗證產(chǎn)品的裝配和維護性能。如在寶馬汽車公司，虛擬裝配被用于驗證整車裝配，在整車總計806個裝配操作中，有494個操作得到評估，并且據(jù)此制定了標準的操作規(guī)程。該公司為車門的裝配操作設計了一個虛擬裝配系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠識別語言輸入，完成相應的操作，當發(fā)生干涉碰撞

11、時，能夠發(fā)出聲音報警。 </p><p>　　洛克希德馬丁在戰(zhàn)斗機系統(tǒng)F-16項目研究中，為了解決F-16維護性和人因?qū)W方面的技術問題，公司經(jīng)過多次論證，淘汰了基于金屬實物模型方案，轉(zhuǎn)而利用數(shù)字樣機進行維護性和人因?qū)W設計評估與驗證，從經(jīng)濟角度看，飛機裝置的一次重新設計和樣式翻新所 </p><p>　　需要的金屬模型的造價就會超出一個虛擬維修系統(tǒng)的費用。虛擬維護的其他優(yōu)勢還在于它比金屬模型

12、更能夠縮短研制進度。利用金屬模型的時候，設計組對模型進行設計審查的準備工作要花費數(shù)周時間；而利用虛擬維護系統(tǒng)，在幾天內(nèi)就可以將模型轉(zhuǎn)換成虛擬維修模型，在一周內(nèi)就可以將詳細的分析結(jié)果返回到設計組。通過利用數(shù)字樣機技術，極大地改善了維修性設計技術手段，該公司提出在以后的飛機維修性設計與分析中要廣泛采用數(shù)字樣機技術。 </p><p>　　五、虛擬樣機技術在機械領域的應用 </p><p>　　

13、產(chǎn)品的設計流程包含結(jié)構(gòu)設計、結(jié)構(gòu)有限元分析、系統(tǒng)運動學與動力學分析、控制系統(tǒng)設計、虛擬樣機作業(yè)過程模擬、系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性評價、系統(tǒng)故障預測及冗余設計等。該設計過程在設計初期就充分考慮結(jié)構(gòu)系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的相互耦合作用，并進行產(chǎn)品作業(yè)全過程的計算機模擬，預測產(chǎn)品的性能、壽命及可靠性，從而縮短了開發(fā)周期，降低產(chǎn)品開發(fā)成本和開發(fā)風險。 </p><p>　　1.虛擬樣機技術軟件 </p><p>

14、;　　比較有影響的有美國MSC公司的ADAMS、比利時LMS公司的DADS以及德國航天局的SIMPACK。ADAMS占據(jù)市場50%以上份額。其他軟件還有：WorkingModel、Flow3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS和Pamcrash。ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisMechanicalSystem）軟件是美國MDI公司（現(xiàn)已并入MSC公司）開發(fā)的機械系統(tǒng)動力學仿真分析軟件，是目前世界上最具

15、權威的，使用最廣的機械動力學分析軟件。ADAMS軟件的仿真可用于預測機械系統(tǒng)的性能、運動范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計算有限元的輸入載荷等。包括ADAMS/ViewADAMS/Solver及其他擴展模塊 </p><p>　　2.虛擬樣機技術在機械系統(tǒng)中有三種不同性質(zhì)的分析 </p><p>　?。?）機械系統(tǒng)的靜力學分析：剛性系統(tǒng)。（2）機械系統(tǒng)的運動學分析：主要涉及系統(tǒng)及其構(gòu)件的運動分

16、析。當機構(gòu)的自由度=0時，進行運動學分析。（3）機械系統(tǒng)的動力學分析：主要涉及由外力作用引起的系統(tǒng)運動分析 </p><p>　　當機構(gòu)的自由度>0時，進行動力學分析。主要有基于運動學和動力學可靠性分析技術：基于運動學和動力學虛擬樣機制造技術；基于運動學和動力學結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化技術；基于運動學和動力學機構(gòu)優(yōu)化分析技術（如多連桿桿系分析）；運動學和動力學設備故障分析技術；下面就我們機械壓力機的曲柄連桿結(jié)構(gòu)用虛擬樣

17、機如果處理來舉例一下： </p><p><b>　　六、結(jié)束語 </b></p><p>　　數(shù)字樣機技術是使用數(shù)字代替實物進行產(chǎn)品數(shù)字化設計的技術，被廣泛的應用。使用數(shù)字樣機能夠快速靈活的驚醒設計，而且更加有真實感。并且能夠說短研發(fā)周期，降低成本。 </p><p><b>　　參考文獻 </b></p>

18、<p>　　[1] 劉國昌，韓虎.基于ADAMS協(xié)同仿真技術的研究與實現(xiàn)[J].起重運輸機械，2010（6）：38-40. </p><p>　　[2] 楊寶林.基于虛擬樣機技術的船用起重機技術結(jié)構(gòu)動力學仿真[D].武漢：武漢理工大學，2010. </p><p>　　[3] 梁輝，王玉林，馬春茂，等.發(fā)射藥協(xié)調(diào)器虛擬樣機建模與仿真[J].兵工自動化，2011，30（5）：86