虚拟样机技术的实践

虚拟样机技术的实践

发表时间：2010-10-11T09:01:35.110Z 来源：《魅力中国》2010年8月第2期供稿作者：杨淑贞田萌[导读] 我国虚拟样机技术最早应用于军事、航空领域，如飞行器动力学设计、武器制造、导弹动力学分析等

杨淑贞田萌（郑州交通职业学院车辆工程系河南郑州 450062）

中图分类号：U461 文献标识码：A

摘要：阐述了虚拟样机技术的思想，国内外发展现状。通过对矿井提升机齿轮离合器进行数字建模和动力学仿真，探索虚拟样机技术的应用。

关键词：虚拟样机技术建模仿真

虚拟样机技术(Virtual Prototyping Technology，VPT)是上90年代中后期发展起来的一种现代设计方法和手段，是CAx／DFx、建模，仿真、虚拟现实等技术相互结合的产物。其基本思想是，首先在计算机上建立样机模型，对模型进行各种动态性能分析，然后改进样机设计方案，用数字化形式替代传统的物理样机。虚拟样机技术的引入，大大简化了工业产品的设计开发过程，缩短了产品开发周期，减少了产品开发费用、成本和风险，明显提高了产品的质量和性能。

一、国内外虚拟样机技术的研究现状

1.国外虚拟样机技术的研究现状

在美国、德国等发达国家虚拟样机技术已被广泛应用。Caterpillar公司采用了虚拟样机技术，从根本上改进了设计和试验步骤，实现了快速虚拟试验多种设计方案，从而使其产品成本降低，性能却更加优越。John Deere公司利用虚拟样机技术找到了工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题的原因，提出了改进方案，且在虚拟样机上得到了验证。世界上最大的工程机械制造商卡特彼勒公司的工程师采用虚拟样机技术，对装载机和挖掘机的工作装置进行了上万个工位的运动和受力分析。通用动力公司1997年建成了第一个全数字化机车虚拟样机，并行地进行产品的设计、分析、制造及夹具、模具工装设计和可维修性设计。日产汽车公司，利用虚拟样机进行概念设计、包装设计、覆盖件设计、整车仿真设计等。还有像波音、福特等世界性的大公司都在不同程度的将虚拟样机技术引入到自己的产品开发中，并取得非常好的经济效益。

2.国内虚拟样机技术的研究现状

我国虚拟样机技术最早应用于军事、航空领域，如飞行器动力学设计、武器制造、导弹动力学分析等。随着计算机技术的发展，虚拟样机技术在机械工程、汽车制造、航空航天、军事国防等领域得到了一些应用，在很多具体机械产品的设计制造中发挥了作用。例如月球表面探测机器人方案研究，就是运用虚拟样机技术对涉及到的多项关键技术进行深入研究，并取得可喜成果的。在高校研究机构中，清华大学进行了虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床和虚拟汽车训练系统等方面的研究；浙江大学进行了分布式虚拟现实技术、VR工作台和虚拟产品装配等研究；西安交通大学和北京航空航天大学进行了远程智能协同设计研究，天津大学、西北工业大学等单位也进行了这方面的研究。

二、应用实例

本文针对矿井提升机齿轮离合器进行数字建模和动力学仿真，通过三维建模软件Pro/E建立矿井提升机离合器模型，应用动力学仿真软件ADAMS，探索运用虚拟样机技术研究。

1.离合器的实体建模

运用Pro/E软件对齿轮离合器的内齿轮和外齿轮进行建模，由于离合器两齿轮在运行中只传递力，没有相对的滚动，建模时不考虑齿轮齿间间隙。采用渐开线齿轮，Pro/E环境下进行建模。

2.离合器仿真模型

通过数据转换将提升机离合器模型导入仿真软件ADAMS，并在仿真环境下对系统进行约束，运用ADAMS/Hydraulics模块建立离合器仿真模型，最终完成提升机齿轮离合系统的完整模型。

3.离合系统仿真

将齿轮离合器模型和驱动系统进行关联，通过定义仿真的初始条件，应用动力学仿真软件ADAMS对模型进行仿真，并针对仿真和相关试验数据进行对比分析：

在提升机卷筒静止时，齿轮离合器齿轮间无碰撞力；在卷筒加速运行时，接触力开始变大；当卷筒转动速度一定时，齿轮间接触力又降低为零。同样在4.0-4.5秒卷筒减速运行过程中接触力也开始变大，并与加速时力的方向相反。所以，只有在卷筒有加速度运行的过程中，齿轮间才存在相互碰撞的现象，也就产生了接触力。

三、结束语

虚拟样机技术为制造技术的革新提供了新的设计方法，并已在制造业中发挥了不可忽视的作用，虚拟样机技术的优势使其日益受到机械领域的重视，虚拟样机技术的合理应用，将大大提高我国的制造水平。

参考文献：

[1]郭俊英．基于虚拟样机技术的机械仿真分析与结构设计[J]．新技术新工艺．2009．11:43-45；

[2]董江华，姜大成．基于ADAMS的虚拟样机技术实践[J]．制造业信息化．2009．1：85-86；

[3]李丹，李印川．虚拟样机技术在制造业中应用及研究现状[J]．机械．2008．6（35）：1-4。