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文檔簡介
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)動學(xué)和動力學(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)動學(xué)與動力學(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)動學(xué)分析:主要涉及系統(tǒng)及其構(gòu)件的運(yùn)動分
16、析。當(dāng)機(jī)構(gòu)的自由度=0時(shí),進(jìn)行運(yùn)動學(xué)分析。(3)機(jī)械系統(tǒng)的動力學(xué)分析:主要涉及由外力作用引起的系統(tǒng)運(yùn)動分析 </p><p> 當(dāng)機(jī)構(gòu)的自由度>0時(shí),進(jìn)行動力學(xué)分析。主要有基于運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)可靠性分析技術(shù):基于運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)虛擬樣機(jī)制造技術(shù);基于運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)結(jié)構(gòu)綜合優(yōu)化技術(shù);基于運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)機(jī)構(gòu)優(yōu)化分析技術(shù)(如多連桿桿系分析);運(yùn)動學(xué)和動力學(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].兵工自動化,2011,30(5):86
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