數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在復(fù)雜產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

1、<p>　　數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在復(fù)雜產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究</p><p>　　[摘 要]本文首先講述了虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念，然后介紹了虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)，接著介紹了應(yīng)用現(xiàn)狀，最后介紹了虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用。 </p><p>　　[關(guān)鍵詞]數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，工程設(shè)計(jì)，應(yīng)用研究 </p><p>　　中圖分類號：TB21 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)技術(shù)是使用數(shù)字代替實(shí)物進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)的技術(shù)。使用數(shù)字樣機(jī)能夠快速靈活的進(jìn)行設(shè)計(jì)，而且更加有真實(shí)感。并且能夠縮短研發(fā)周期，降低成本。 </p><p>　　二、虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念 </p><p>　

3、　虛擬樣機(jī)技術(shù)是一種通過綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中先進(jìn)的建模、信息管理和多領(lǐng)域仿真等對產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析的方法。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)建立產(chǎn)品計(jì)算機(jī)模型，對模型進(jìn)行仿真分析，根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)產(chǎn)品的后續(xù)研發(fā)以及產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)；同時(shí)可以分析機(jī)械產(chǎn)品在不同應(yīng)用環(huán)境下的整體性能，進(jìn)而對產(chǎn)品的質(zhì)量性能進(jìn)行評價(jià)。 </p><p>　　在以往的機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)過程中，對方案進(jìn)行論證、根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行初步的設(shè)計(jì)、后續(xù)的細(xì)節(jié)進(jìn)一步修正或改進(jìn)設(shè)計(jì)

4、等一系列流程總是在不斷的循環(huán)討論當(dāng)中。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否合理、可行，功能能否實(shí)現(xiàn)，還需要對物理樣機(jī)進(jìn)行多次的測試實(shí)驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，再對產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)再次制造或改進(jìn)物理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)和研發(fā)中應(yīng)用數(shù)字化的虛擬樣機(jī)技術(shù)改變了產(chǎn)品設(shè)計(jì)→樣機(jī)建造→測試評估→反饋設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程，避免了物理樣機(jī)的生產(chǎn)及其修改加工，節(jié)約了設(shè)計(jì)研發(fā)成本。通過數(shù)字化的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，可迅速縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，同時(shí)也有利于不

5、同設(shè)計(jì)工作的協(xié)同進(jìn)行。 </p><p>　　三、虛擬樣機(jī)技術(shù)的特點(diǎn) </p><p>　　機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是一個(gè)不斷的循環(huán)過程。為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案是否合理，需要制造樣機(jī)進(jìn)行性能測試，但設(shè)計(jì)過程中往往需要對設(shè)計(jì)及樣機(jī)進(jìn)行多次改進(jìn)，才能獲得符合要求的設(shè)計(jì)方案，這種設(shè)計(jì)方法往往耗時(shí)、耗力、耗物。 </p><p>　　利用虛擬樣機(jī)技術(shù)對機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行的設(shè)計(jì)研發(fā)是一個(gè)并行的過程

6、。通過對多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行如有限元、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等仿真分析，對仿真結(jié)果比較，最終確定一個(gè)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(shè)計(jì)研發(fā)是一個(gè)串行的過程，而采用虛擬樣機(jī)技術(shù)則可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品不同設(shè)計(jì)工作的同時(shí)進(jìn)行，通過仿真得到產(chǎn)品在不同使用環(huán)境下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，進(jìn)而評價(jià)不同設(shè)計(jì)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(tái)建立初步設(shè)計(jì)完成后的產(chǎn)品模型，對所建模型進(jìn)行多次仿真試驗(yàn)，這樣省去了樣機(jī)的制作時(shí)間，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，同時(shí)也能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量和性能。 </p><p>　　3、實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的重要手段 </p><p>　　企業(yè)間可以通過網(wǎng)絡(luò)將各自的產(chǎn)品的信息進(jìn)行傳遞，以

8、便雙方就一些產(chǎn)品設(shè)計(jì)信息進(jìn)行交流，同時(shí)可以就設(shè)計(jì)問題進(jìn)行討論，實(shí)現(xiàn)了不同時(shí)間、地點(diǎn)、人員對產(chǎn)品設(shè)計(jì)的進(jìn)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(jī)技術(shù)對產(chǎn)品在不同應(yīng)用環(huán)境下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行仿真，根據(jù)結(jié)果對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jìn)行全方位的分析和評估。 </p><p><b

9、>　　四、應(yīng)用現(xiàn)狀 </b></p><p>　　數(shù)字樣機(jī)技術(shù)在一些工程設(shè)計(jì)與制造技術(shù)較發(fā)達(dá)國家，如美國、德國、日本等已得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造業(yè)、航空航天業(yè)、國防工業(yè)到人機(jī)工程學(xué)、醫(yī)學(xué)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(jī)的快門、火箭到輪船的錨鏈。在各個(gè)領(lǐng)域里，針對各種產(chǎn)品，數(shù)字樣機(jī)技術(shù)都為用戶節(jié)約了開支、時(shí)間并提供了滿意的設(shè)計(jì)方案。采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基于數(shù)字樣機(jī)軟

10、件，借助VR外設(shè)工具可對產(chǎn)品的不同層面（零部件級、組件級、系統(tǒng)級）進(jìn)行數(shù)字化樣機(jī)裝配和維護(hù)，實(shí)現(xiàn)具有沉浸感的產(chǎn)品裝配與維護(hù)，對產(chǎn)品裝配性能、裝配工藝性和維護(hù)性進(jìn)行評估和優(yōu)化，在設(shè)計(jì)階段驗(yàn)證產(chǎn)品的裝配和維護(hù)性能。如在寶馬汽車公司，虛擬裝配被用于驗(yàn)證整車裝配，在整車總計(jì)806個(gè)裝配操作中，有494個(gè)操作得到評估，并且據(jù)此制定了標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)程。該公司為車門的裝配操作設(shè)計(jì)了一個(gè)虛擬裝配系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠識別語言輸入，完成相應(yīng)的操作，當(dāng)發(fā)生干涉碰撞

11、時(shí)，能夠發(fā)出聲音報(bào)警。 </p><p>　　洛克希德馬丁在戰(zhàn)斗機(jī)系統(tǒng)F-16項(xiàng)目研究中，為了解決F-16維護(hù)性和人因?qū)W方面的技術(shù)問題，公司經(jīng)過多次論證，淘汰了基于金屬實(shí)物模型方案，轉(zhuǎn)而利用數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行維護(hù)性和人因?qū)W設(shè)計(jì)評估與驗(yàn)證，從經(jīng)濟(jì)角度看，飛機(jī)裝置的一次重新設(shè)計(jì)和樣式翻新所 </p><p>　　需要的金屬模型的造價(jià)就會(huì)超出一個(gè)虛擬維修系統(tǒng)的費(fèi)用。虛擬維護(hù)的其他優(yōu)勢還在于它比金屬模型

12、更能夠縮短研制進(jìn)度。利用金屬模型的時(shí)候，設(shè)計(jì)組對模型進(jìn)行設(shè)計(jì)審查的準(zhǔn)備工作要花費(fèi)數(shù)周時(shí)間；而利用虛擬維護(hù)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(xì)的分析結(jié)果返回到設(shè)計(jì)組。通過利用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)，極大地改善了維修性設(shè)計(jì)技術(shù)手段，該公司提出在以后的飛機(jī)維修性設(shè)計(jì)與分析中要廣泛采用數(shù)字樣機(jī)技術(shù)。 </p><p>　　五、虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用 </p><p>　　

13、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程包含結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)有限元分析、系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)分析、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)作業(yè)過程模擬、系統(tǒng)穩(wěn)定性與安全性評價(jià)、系統(tǒng)故障預(yù)測及冗余設(shè)計(jì)等。該設(shè)計(jì)過程在設(shè)計(jì)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(jìn)行產(chǎn)品作業(yè)全過程的計(jì)算機(jī)模擬，預(yù)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(fēng)險(xiǎn)。 </p><p>　　1.虛擬樣機(jī)技術(shù)軟件 </p><p>

14、;　　比較有影響的有美國MSC公司的ADAMS、比利時(shí)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(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件，是目前世界上最具

15、權(quán)威的，使用最廣的機(jī)械動(dòng)力學(xué)分析軟件。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。包括ADAMS/ViewADAMS/Solver及其他擴(kuò)展模塊 </p><p>　　2.虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)械系統(tǒng)中有三種不同性質(zhì)的分析 </p><p>　?。?）機(jī)械系統(tǒng)的靜力學(xué)分析：剛性系統(tǒng)。（2）機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析：主要涉及系統(tǒng)及其構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)分

16、析。當(dāng)機(jī)構(gòu)的自由度=0時(shí)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。（3）機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析：主要涉及由外力作用引起的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)分析 </p><p>　　當(dāng)機(jī)構(gòu)的自由度>0時(shí)，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。主要有基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)可靠性分析技術(shù)：基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)虛擬樣機(jī)制造技術(shù)；基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化技術(shù)；基于運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析技術(shù)（如多連桿桿系分析）；運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)設(shè)備故障分析技術(shù)；下面就我們機(jī)械壓力機(jī)的曲柄連桿結(jié)構(gòu)用虛擬樣

17、機(jī)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(jī)技術(shù)是使用數(shù)字代替實(shí)物進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)的技術(shù)，被廣泛的應(yīng)用。使用數(shù)字樣機(jī)能夠快速靈活的驚醒設(shè)計(jì)，而且更加有真實(shí)感。并且能夠說短研發(fā)周期，降低成本。 </p><p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p>

18、<p>　　[1] 劉國昌，韓虎.基于ADAMS協(xié)同仿真技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].起重運(yùn)輸機(jī)械，2010（6）：38-40. </p><p>　　[2] 楊寶林.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的船用起重機(jī)技術(shù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真[D].武漢：武漢理工大學(xué)，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(jī)建模與仿真[J].兵工自動(dòng)化，2011，30（5）：86