数字样机技术在复杂产品工程设计中的应用研究
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[摘 要]本文首先讲述了虚拟样机技术的概念，然后介绍了虚拟样机技术的特点，接着介绍了应用现状，最后介绍了虚拟样机技术在机械领域的应用。
中图分类号：TB21 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）15-0382-01
一、前言
数字样机技术是使用数字代替实物进行产品数字化设计的技术。使用数字样机能够快速灵活的进行设计，而且更加有真实感。并且能够缩短研发周期，降低成本。
二、虚拟样机技术的概念
虚拟样机技术是一种通过综合运用计算机辅助设计中先进的建模、信息管理和多领域仿真等对产品进行设计和分析的方法。利用虚拟样机技术建立产品计算机模型，对模型进行仿真分析，根据分析结果指导产品的后续研发以及产品的改进设计；同时可以分析机械产品在不同应用环境下的整体性能，进而对产品的质量性能进行评价。
在以往的机械产品研发过程中，对方案进行论证、根据经验进行初步的设计、后续的细节进一步修正或改进设计等一系列流程总是在不断的循环讨论当中。为了验证设计是否合理、可行，功能能否实现，还需要对物理样机进行多次的测试实验，根据实验结果，再对产品的设计方案进行改进，同时再次制造或改进物理样机进行实验以达到设计的要求。在机械产品设计和研发中应用数字化的虚拟样机技术改变了产品设计样机建造测试评估反馈设计的传统设计流程，避免了物理样机的生产及其修改加工，节约了设计研发成本。通过数字化的计算机辅助设计技术，可迅速缩短产品开发周期，同时也有利于不同设计工作的协同进行。
三、虚拟样机技术的特点
机械产品的设计是一个不断的循环过程。为了验证设计方案是否合理，需要制造样机进行性能测试，但设计过程中往往需要对设计及样机进行多次改进，才能获得符合要求的设计方案，这种设计方法往往耗时、耗力、耗物。
利用虚拟样机技术对机械产品进行的设计研发是一个并行的过程。通过对多种设计方案进行如有限元、运动学和动力学等仿真分析，对仿真结果比较，最终确定一个最优化的方案，产品研发周期短，研发成本低，有效地提高了产品质量。
1、全新的研发模式
传统的产品设计研发是一个串行的过程，而采用虚拟样机技术则可以实现产品不同设计工作的同时进行，通过仿真得到产品在不同使用环境下的动态响应，进而评价不同设计方案可行性。
2、产品研发周期短、成本低、质量高
基于虚拟仿真平台建立初步设计完成后的产品模型，对所建模型进行多次仿真试验，这样省去了样机的制作时间，缩短产品开发周期，同时也能够提高产品的质量和性能。
3、实现动态设计的重要手段
企业间可以通过网络将各自的产品的信息进行传递，以便双方就一些产品设计信息进行交流，同时可以就设计问题进行讨论，实现了不同时间、地点、人员对产品设计的进行。
4、支持产品的全方位测试、分析与评估
利用虚拟样机技术对产品在不同应用环境下的动态响应进行仿真，根据结果对产品结构进行分析，得到产品全方位的测试结果，有利于对产品进行全方位的分析和评估。
四、应用现状
数字样机技术在一些工程设计与制造技术较发达国家，如美国、德国、日本等已得到广泛的应用，应用领域从汽车制造业、航空航天业、国防工业到人机工程学、医学以及工程咨询等很多方面。所涉及的产品从庞大的卡车到照相机的快门、火箭到轮船的锚链。在各个领域里，针对各种产品，数字样机技术都为用户节约了开支、时间并提供了满意的设计方案。采用虚拟现实技术，基于数字样机软件，借助VR外设工具可对产品的不同层面（零部件级、组件级、系统级）进行数字化样机装配和维护，实现具有沉浸感的产品装配与维护，对产品装配性能、装配工艺性和维护性进行评估和优化，在设计阶段验证产品的装配和维护性能。如在宝马汽车公司，虚拟装配被用于验证整车装配，在整车总计806个装配操作中，有494个操作得到评估，并且据此制定了标准的操作规程。该公司为车门的装配操作设计了一个虚拟装配系统。该系统能够识别语言输入，完成相应的操作，当发生干涉碰撞时，能够发出声音报警。
洛克希德马丁在战斗机系统F-16项目研究中，为了解决F-16维护性和人因学方面的技术问题，公司经过多次论证，淘汰了基于金属实物模型方案，转而利用数字样机进行维护性和人因学设计评估与验证，从经济角度看，飞机装置的一次重新设计和样式翻新所
需要的金属模型的造价就会超出一个虚拟维修系统的费用。虚拟维护的其他优势还在于它比金属模型更能够缩短研制进度。利用金属模型的时候，设计组对模型进行设计审查的准备工作要花费数周时间；而利用虚拟维护系统，在几天内就可以将模型转换成虚拟维修模型，在一周内就可以将详细的分析结果返回到设计组。通过利用数字样机技术，极大地改善了维修性设计技术手段，该公司提出在以后的飞机维修性设计与分析中要广泛采用数字样机技术。
五、虚拟样机技术在机械领域的应用
产品的设计流程包含结构设计、结构有限元分析、系统运动学与动力学分析、控制系统设计、虚拟样机作业过程模拟、系统稳定性与安全性评价、系统故障预测及冗余设计等。该设计过程在设计初期就充分考虑结构系统与控制系统的相互耦合作用，并进行产品作业全过程的计算机模拟，预测产品的性能、寿命及可靠性，从而缩短了开发周期，降低产品开发成本和开发风险。
1.虚拟样机技术软件
比较有影响的有美国MSC公司的ADAMS、比利时LMS公司的DADS以及德国航天局的SIMPACK。ADAMS占据市场50%以上份额。其他软件还有：WorkingModel、Flow3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS和Pamcrash。ADAMS（AutomaticDynamicAnalysisMechanicalSystem）软件是美国MDI公司（现已并入MSC公司）开发的机械系统动力学仿真分析软件，是目前世界上最具权威的，使用最广的机械动力学分析软件。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。包括ADAMS/ViewADAMS/Solver及其他扩展模块
2.虚拟样机技术在机械系统中有三种不同性质的分析
（1）机械系统的静力学分析：刚性系统。（2）机械系统的运动学分析：主要涉及系统及其构件的运动分析。当机构的自由度=0时，进行运动学分析。（3）机械系统的动力学分析：主要涉及由外力作用引起的系统运动分析
当机构的自由度>0时，进行动力学分析。主要有基于运动学和动力学可靠性分析技术：基于运动学和动力学虚拟样机制造技术；基于运动学和动力学结构综合优化技术；基于运动学和动力学机构优化分析技术（如多连杆杆系分析）；运动学和动力学设备故障分析技术；下面就我们机械压力机的曲柄连杆结构用虚拟样机如果处理来举例一下：
六、结束语
数字样机技术是使用数字代替实物进行产品数字化设计的技术，被广泛的应用。使用数字样机能够快速灵活的惊醒设计，而且更加有真实感。并且能够说短研发周期，降低成本。
参考文献
[1] 刘国昌，韩虎.基于ADAMS协同仿真技术的研究与实现[J].起重运输机械，2010（6）：38-40.
[2] 杨宝林.基于虚拟样机技术的船用起重机技术结构动力学仿真[D].武汉：武汉理工大学，2010.
[3] 梁辉，王玉林，马春茂，等.发射药协调器虚拟样机建模与仿真[J].兵工自动化，2011，30（5）：86-88.