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摘 要:分析机械设备仿真的应用.指出了机械设备设计、工艺、制造中的一些先进技术,并且以虚拟样机为例,展示了仿真技术在机械领域的应用.
关 键 词:仿真,虚拟样机,计算机辅助设计
以信息技术、计算机技术、系统理论、通信技术为基础的系统仿真技术得到了前所未有的发展.特别的是,系统仿真技术在机械设备制造领域也得到了广泛的应用.比如世界上的许多大飞机制造公司(如美国波音、洛克希德马丁、法国空中客车等公司)和大汽车制造公司(如通用、福特、戴姆勒-奔驰、丰田、宝马、大众等公司)都在产品的开发设计、实验分析、制造和管理的各个阶段大量地、充分地使用仿真技术,不仅大大地缩短了产品的开发周期,极大地减少了人力.
一、机械设备制造仿真技术概论
仿真技术的迅猛发展,为机械产品的设计开发、性能分析与制造提供了强有力的利研手段,逐渐形成了专业的机械系统仿真技术.主要的仿真技术包括cAD三维建模、结构有限元分析、多体系统动力学分析、优化设计.应用它们可以解决从零件到装配件的结构刚强度和产品的各项性能要求等问题,这些技术作为机械系统仿真技术中的几个最为关键的部分,相互渗透,相互关联,大有一体化和集成化趋势.
二、设备仿真技术发展
(一)加工设备布局仿真
设备布局是构造一个有效车间系统最为重要的环节,相同车间地址、相同的人员、相同的技术和设备,仅仅由于布置方式的不同,生产系统的功能可产生天壤之别.高效率的设备布局作为提高企业生产效率和效益的手段之～,越来越受到人们的重视.在工业发达国家,除了降低原材料和能源消耗外,已把改进物料搬运、改善工厂中的物流组织看作是减少和节省开支以获取利润的重要方面.现代生产管理理论减少企业内部生产物流的具体途径可以概括为以下三点:
一是通过最优的工厂布局,建立顺畅的物流线路,或者采用加工中心,实现工序集中,减少运输次数,缩短物流距离,二是成组搬运,直接减少搬运次数,三是确定最优的运输路线和运输速度,建立连续短捷的运输路线,减少运输的停顿、路线交叉和倒流现象.
(二)多学科优化理论在仿真中的应用
机械设计技术及设计方法学的研究大都开始于工程应用问题的研究,再随着研究工作的进展逐步上升为独立的理论,然后反馈应用于产品设计的实践.多学科设计优化理
论的研究也遵循了同样的规律.在航空航天领域发展起来的MDO技术是当前国际上一个最活跃的研究课题.MDO问题涉及到的变量数目较多,学科之间的信息交换极为复杂,直接搜索目标函数和约束值的计算量令人难以忍受,某些学科分析会产生一些无法预计的失真,难以采用效率较高的梯度算法进行设计空间搜索,影响处理速度.因此,优化过程中一般不将设计空间搜索程序与多学科分析直接祸合起来,而是对目标函数和约束给予近似的表达,将直接搜索和这些易于计算的近似表达祸合起来,得到近似问题的最优解后,通过最优解处的重分析来修正改进近似模型,避免频繁的多学科全分析.
(三)基于虚拟样机的机械仿真
在机械设计领域,虚拟样机技术作为一种崭新的产品开发方法,更是一种十分重要的综合仿真式开发手段.机械系统虚拟样机是基于虚拟样机的机械系统仿真技术,是指在制造的一台物理样机生产出来之前,利用计算机技术建立该机械系统f产品)的三维数字化模型(即虚拟样机),对其进行静力学、运动学和动力学分析,较好地仿真该机械系统的运动过程,以预测机械系统的整体性能.该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术,将分散的零部件设计和分析技术集成在一起,提供一个全新的研发机械产品的设计方法.它通过设计中的反馈信息不断的指导设计,保证产品寻优过程的顺利进行.
三、sOILDwROK建模导入ADAMS
ADAMS软件具有强大的动力学解算器,但其实体建模功能相对比较薄弱.对于比较复杂的零部件,如用ADAMS建模模块进行三维实体建模,不能保证模型的尺寸精度和装配的位置精度.应用SoildWorks软件对设备进行整机建模,按工程图纸将其变为一个数字样机,然后将其转换并导入到ADAMS坏境中使用.由于SoildWorks和ADAMS是两个完全不同的系统,所以各自的数据都难以被对方识别.要将SoildWorks中创建的三维实体模型导入到ADAMS环境中,必须两种软件具备某一相同的几何数据转换模块,先将SoildW01.ks的数据转换成中性(不依赖于SoildWoI_ks系统),然后将中性数据通过几何数据转换模块转换成AI)AMS数据.
虚拟设备的装配经上面步骤零部件导入AI)AMS后,各构件之间还只是毫无联系地独立存在于ADAMS中.这种状态下即使全部零部件都己导入,也不能构成一台具有现实意义的虚拟样机.这就如一堆拆散的零件摆在地上不能构成一台完整的机器.下面的工作就是要将这些分散的零部件"装配"成一台完整的机械,并赋予一定的工作环境,使其能够模拟现实的工况工作.
仿真实验所谓仿真就是在模型上进行实验,它是将被研究的对象及其特征抽象成模型,通过对模型的实验操作及实验结果的分析,探讨和推断对象本身所具有的性质及其运动变化规律.
四、结束语
机械设备制造中的仿真技术,其本质也是一种计算机辅助设计.但是与以往技术相比,它更形象、更先进.需要看到的是,与发达国家我们的路还很漫长,只有迎头赶上才能满足国家经济发展的要求.