[基于虚拟样机的机械设计方法研究] 机械设计研究方法
时间：2019-04-08 03:17:48 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘要：科学技术水平的不断进步，特别是计算机技术的发展，极大地方便了人们的生产和生活，改变了人们的生产和生活方式，引起了社会性的变革。当前，在机械设计领域，依托计算机技术而产生的虚拟样机技术逐渐发展起来，并且越来越成熟，为机械设计工作的顺利展开提供了良好的契机，成为机械设计工作中的重点。特别是随着市场竞争的日益激烈，机械制造企业面临更大的生存压力，缩短产品研发周期成为企业制胜的关键，这就更加需要成熟的虚拟样机技术作为辅助。本文主要从对虚拟样机技术的基本认识、以及基于虚拟样机的机械设计方法研究两方面来进行简单分析。
关键词：虚拟样机技术 机械设计 方法研究
随着经济全球化趋势的不断深化，国内外的竞争越来越激烈，为了在激烈的国际和国内竞争中占据一席之地，获取长远的发展，各个企业都在积极采取有效措施来提高自身的核心竞争力。对机械制造企业而言，如何在短时间内设计出质量高性能好的机械设备成为企业制胜的关键。由于虚拟样机技术大大减少了机械设计所需的时间，因此高效利用虚拟样机技术提高企业机械设计的效率和效果成为机械企业设计工作的重点。
一、对虚拟样机技术的基本认识
1. 虚拟样机技术的含义
当前世界范围内对于虚拟样机技术还没有一个统一的概念，总的来讲虚拟样机技术就是以依靠计算机技术而产生的数字模型来代替物理机械产品的一种新型技术。它可以如具体的物理模型那样，对机械产品的设计、制造、使用等全过程进行比较准确的分析和测试，从而对其中存在的不足及时修正，达到机械设计的最终目的。
2. 虚拟样机技术的出现
经济全球化的快速发展和生活水平的不断提高，使得人们对产品的需求越来越多，对产品的性能和质量也有了更高的要求。但是在产品设计中，为了设计出成功的产品需要多次的实验，而物理样机制造所需的时间较长，这就直接延长了产品的开发周期。在二十世纪九十年代，计算机技术的发展使虚拟样机技术成为可能，逐渐弥补了这一缺陷。
3. 虚拟样机技术的作用
在机械设计中，传统的物理样机制造不仅消耗较多的人力、物力和财力，而且对于其中存在的问题也需要花费较多的时间来进行修复。而虚拟样机的制造成本较低、周期较多、且问题修复较为简便，对于节约设计成本、提高设计质量、缩短机械产品的研发周期具有积极的作用，有利于提高企业的核心竞争力，促进企业的健康长远发展。
二、基于虚拟样机的机械设计方法研究
1. 建模技术
虚拟样机建模技术一般分为三个步骤：首先，要建立三维模型。建立三维实体模型是虚拟样机技术得以实现的基础和前提，任何仿真技术都要从三维模型开始。在建立三维模型的过程中，一般会遇到两个难题，一是齿轮、扇叶等机械零件的外形结构复杂，二是约束关系较为复杂，这就要求设计虚拟样机需要依靠专业的三维CAD软件。其次，要为三维模型添加约束。建立三维模型后，需要依靠约束副把它们相互连接起来，从而定义物体间的相对运动。目前比较常用的CAD软件一般都有动力或运动学插件，以实现约束关系与装配关系的映射。此外，还要为三维模型施加驱动。施加驱动的目的是为了让虚拟样机能够按照一定的运动规律来进行运动。
2. 协同仿真技术
仿真技术指的是在缺乏实际系统的情况下，实现活动或系统本质的一种技术，是一种以模型为基础的活动，它的基本框架是先建模，然后进行实验，最后再进行分析。而协同仿真技术就是指在复杂产品的仿真过程中，采用多种仿真软件来建立不同的模型，通过各种通讯方法来实现信息的交流，并利用求解器来进行求解，最终完成整个系统的仿真。
当前的仿真技术一般侧重于电子、机械或控制等的单个领域，相互间的联系非常少甚至是根本没有联系，这就很难满足机械设计的要求。现今大多数的机械研发过程需要涉及到机械、电子、液压、控制、以及计算机软件或硬件等多种学科领域，再加上产品本身是由多个子系统和零部件组合而成的，相互之间有着或多或少的联系，单一的仿真技术不能实现对复杂产品的准确完整分析，因此必须采用协同仿真技术来实现对机械设计全过程的分析和评估。
3. 协同设计技术
协同设计技术是设计领域的一项新型设计技术，是指在计算机技术的支持和辅助下，所有设计成员对同一个设计项目，各自承担一部分设计任务，并交互进行设计工作，从而得到一个最为符合设计要求的设计方法。协同工作的主要目标就是尽可能地缩短机械产品的研发周期、降低产品成本、提高产品质量，从而提高企业的经济和社会效益，增强企业的竞争力，促进企业实现更好的发展。协同设计一般需要做到以下几点：首先，需要认知同步，建立共享的知识和语义；其次，要共同协商设计方法和策略，一般协同策略分为提案型、层次型、代理型、以及对等伙伴型四种类型；最后还要规划设计的任务和方法。
4. 有限元分析
有限元是一种现代化的设计方法，可以比较准确地分析机械结构件的强度和动态特征。它的主要优点是通用性，可以求解边界条件和结构形状都较为随意的有关力学的问题，是一种比较值得信赖的计算方法，特别是对于虚拟样机而言，是一种必不可少的工具。当前市场上有限元分析的软件多种多样，比较简单方便的例如Cosmos/Works软件。
总结：
在激烈的市场竞争中，企业要想继续生存和发展就必须要不断进行创新，提高生产效率。对于机械制造企业来说，机械设计是非常重要的一个部分，设计工作的好坏直接影响企业的经济效益。因此在计算机技术高速发展的今天，进行机械设计时需要充分利用虚拟样机技术，以适应时代和社会发展的需要，促进企业的发展。
参考文献：
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