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虚拟样机技术在机械产品设计中的应用
内容摘要：简要介绍了虚拟样机技术的基本概念和关键技术。将虚拟样机技术应用于机械产品的设计开发阶段，并阐述了利用Pro-E三维建模功能对机械零部件进行实体建模和样机虚拟装配的过程；利用ANSYS和ADAMS软件对建立的虚拟样机中的关键零件和机构进行运动学和动力学仿真分析。结合实例说明了虚拟样机的建模和仿真过程。
关键词：机械产品； 虚拟样机； 有限元分析； 仿真模拟
1、引言
为了在激烈的市场竞争中保持优势，改进和更新产品的开发模式，提高工作效率和收益，成为各企业追求的目标。而现代社会，已经进入高速信息时代，随着社会经济全球化的发展，各企业的竞争焦点已经发生了改变，除了高质量和低成本，更重要的是缩短产品的开发时间。因此，时间、质量、成本和服务的最优化已经成为众多企业的发展方向。
在产品的总体成本中，设计阶段决定了产品百分之八十的成本。传统的产品开发过程为“概念设计—详细设计—工艺设计—制造与测试—批量生产”，在这个过程中，只要有一个环节失败，就会导致产品开发的失败，设计返工次数多。这样就使产品的开发周期长，开发成本也高，对于复杂产品更是如此。因此我们需要先进的设计方法和工具的支持，在原有的优化的设计方法的基础上，要更进一步的提高我们的设计效率。在产品的概念设计阶段，对产品的设计方面的因素综合考虑，应用虚拟样机技术可以充分实现产品开发过程的集成，这个过程用图1所示的框图来表示。
图1 虚拟样机设计产品流程
2、虚拟样机的基本概念
虚拟样机（Virtual Prototype，VP）是产品的多领域数字化模型的集合体，包含有真实产品的所有关键特征。运用虚拟样机技术，通过对零部件的虚拟制造和装配，应用技术软件对虚拟制造的部件进行运动学和动力学的仿真分析，使产品在开发的初级阶段，就能及时的发现产品设计的不足，进而改进设计方法，减少了产品的返工次数，大大缩短了产品的开发周期，降低产品的开发成本。基于虚拟样机的产品设计过程能够以较低的开发成本并展示产品的各种方案，评估用户的需求，提前对产品的用户满意度作检查，提高了产品设计的自由度；能够快速方便地将设计人员的想法展示给客户；同时虚拟样机技术可以对产品进行全方面的测试和评估，省去了重复建立物理样机的麻烦和时间，降低了开发成本。
三维虚拟设计环境下的机械产品设计具有直观性和可视性。在机械系统的可行设计方案形成以后，零件的三维结构设计、系统的可装配性设计、可靠性设计、虚拟装配、三维实体的仿真运动干涉检查等都可在面向对象的环境下，具体化、三维化和形象化。因此，三维设计环境下的虚拟设计是一种创新设计，设计的结果是一种可视化的概念样机。在对机械系统进行虚拟样机设计的过程中，主要进行3种不同性质的仿真分析：静力学分析、动力学分析和运动学分析。
3、产品的建模、虚拟装配和运动仿真
3.1 利用主流CAD软件Pro/E建模仿真
在机械产品设计开发过程中，利用Pro/E（或UG，Solidworks等软件）强大的造型功能，按照零件最初的设计尺寸，快速的对机械零件进行单个零件建模，生成三维图形。同时，对零件模型进行颜色、表面纹理、材质、质量、转动惯量、重心位置等特有属性进行虚拟设计，实现精确的对零件模型进行运动学和动力学的仿真分析。将机械系统中的所有零件都进行精确的三维建模完成后，就可以利用三维软件的装配功能在装配的环境下，调入所需的零件模型，利用各种约束条件（平行、垂直、重合、距离、角度等）进行模拟装配。先进行部件的模拟装配，最后将各部件模拟装配成样机。Pro /MECHANICA MOTION模块是Pro / E的集成运动模块，它是一个完善的三维实体静力学、运动学、动力学和逆动力学仿真与优化设计工具；利用该模块可以快速创建机械模型并能方便地进行分析，从而改善机构的设计。该模块具有以下功能：（1）校验机构运动的正确性，进行运动仿真，计算任意时刻的机构位置、速度、加速度；（2）通过运动分析，得出装配的最佳配置；（3）根据给出的力决定运动状态及反作用力；（4）根据运动反求所需的力；（5）求出铰接点所受的力及轴承力；（6）通过尺寸变量，对机构进行优化设计；（7）干涉检查。在Pro/MECANICA MOTION模块中进行机械动态仿真的一般过程如图2所示。
总体设计建立连接连接轴设置运动副伺服电机运动学动态静态力平衡重复组件重力执行电机弹簧阻尼力扭矩初始条件运动回放干涉检验运动包络测量轨迹曲线建立运动模型设置运动环境分析运动机构获取分析结果
图2 机械动态仿真的一般过程
3.2 利用虚拟样机软件ADAM进行机构运动和动力学仿真
利用ADAMS软件对机械系统机构进行动力学仿真分析。可以在ADAMS中直接建模，也可以将用Pro/E建好的整体模型导入到ADAMS软件中，根据零件间的装配关系，对ADAMS软件环境下的虚拟样机添加约束和驱动，实现要求的
动力学分析和运动仿真。同时，可以利用ADAMS软件强大的设计功能，使设计人员通过改变机械系统参数的方式来实现机械系统设计的系列化、模块化和多样性。利用ADAMS机械系统动态仿真分析的一般步骤如图3示。
机械系统建模 1、几何建模 2、施加运动副和运动约束 3、施加载荷仿真分析 1、设置测量和仿真输出 2、进行仿真分析仿真结果分析 1、回放仿真结果 2、绘制仿真结果曲线验证仿真分析结果 1、输入实验数据 2、添加实验数据曲线与实验结果一致?否 1、增加摩擦力，改进载荷函数精制机械系统模型 2、定义柔性物体和连接 3、定义控制是重复仿真分析 1、设置可变参数点 2、定义设计变量机械系统优化分析 1、进行主要设计影响因素研究 2、进行试验设计研究 3、进行最优化研究 图3机械系统动态仿真分析的步骤
3.3 数控机床主轴系统的虚拟样机
按照上述步骤先建立主轴系统各个零部件的模型，再进行装配，机床的主轴系统虚拟装配全部完成后，利用Pro/E的结构和机构功能模块，对装配体施加必要的约束和运动就可以进行运动仿真，以测试样机是否满足预先给定的运动规律，如果不满足设计要求，就可修改零件模型重新进行仿真，直至达到设计要求；也可以从不同的角度检查整个的模拟系统有无运动干涉的情况，及早的发现设计过程中的问题，及时解决问题，降低设计风险。图4为某机床主轴系统的虚拟样机，图5为主轴系统虚拟分解模型。