淺析機(jī)械設(shè)備的仿真技術(shù)

　摘 要:分析機(jī)械設(shè)備仿真的應(yīng)用.指出了機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)、工藝、制造中的一些先進(jìn)技術(shù),并且以虛擬樣機(jī)為例,展示了仿真技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用。
　　關(guān)鍵詞:仿真;虛擬樣機(jī);計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)
　　
　　以信息技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)理論、通信技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)仿真技術(shù)得到了前所未有的發(fā)展。特別的是,系統(tǒng)仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)備制造領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。比如世界上的許多大飛機(jī)制造公司(如美國(guó)波音、洛克希德?馬丁、法國(guó)空中客車等公司)和大汽車制造公司(如通用、福特、戴姆勒-奔馳、豐田、寶馬、大眾等公司)都在產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)分析、制造和管理的各個(gè)階段大量地、充分地使用仿真技術(shù),不僅大大地縮短了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期,極大地減少了人力。
　　一、機(jī)械設(shè)備制造仿真技術(shù)概論
　　仿真技術(shù)的迅猛發(fā)展,為機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、性能分析與制造提供了強(qiáng)有力的利研手段,逐漸形成了專業(yè)的機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù)。主要的仿真技術(shù)包括cAD三維建模、結(jié)構(gòu)有限元分析、多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用它們可以解決從零件到裝配件的結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度和產(chǎn)品的各項(xiàng)性能要求等問(wèn)題,這些技術(shù)作為機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù)中的幾個(gè)最為關(guān)鍵的部分,相互滲透,相互關(guān)聯(lián),大有一體化和集成化趨勢(shì)。
　　二、設(shè)備仿真技術(shù)發(fā)展
　　(一)加工設(shè)備布局仿真
　　設(shè)備布局是構(gòu)造一個(gè)有效車間系統(tǒng)最為重要的環(huán)節(jié),相同車間地址、相同的人員、相同的技術(shù)和設(shè)備,僅僅由于布置方式的不同,生產(chǎn)系統(tǒng)的功能可產(chǎn)生天壤之別。高效率的設(shè)備布局作為提高企業(yè)生產(chǎn)效率和效益的手段之～,越來(lái)越受到人們的重視。在工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家,除了降低原材料和能源消耗外,已把改進(jìn)物料搬運(yùn)、改善工廠中的物流組織看作是減少和節(jié)省開(kāi)支以獲取利潤(rùn)的重要方面。現(xiàn)代生產(chǎn)管理理論減少企業(yè)內(nèi)部生產(chǎn)物流的具體途徑可以概括為以下三點(diǎn):
　　一是通過(guò)最優(yōu)的工廠布局,建立順暢的物流線路,或者采用加工中心,實(shí)現(xiàn)工序集中,減少運(yùn)輸次數(shù),縮短物流距離;二是成組搬運(yùn),直接減少搬運(yùn)次數(shù);三是確定最優(yōu)的運(yùn)輸路線和運(yùn)輸速度,建立連續(xù)短捷的運(yùn)輸路線,減少運(yùn)輸?shù)耐ｎD、路線交叉和倒流現(xiàn)象。
　　(二)多學(xué)科優(yōu)化理論在仿真中的應(yīng)用
　　機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)及設(shè)計(jì)方法學(xué)的研究大都開(kāi)始于工程應(yīng)用問(wèn)題的研究,再隨著研究工作的進(jìn)展逐步上升為獨(dú)立的理論,然后反饋應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的實(shí)踐。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化理
　　論的研究也遵循了同樣的規(guī)律。在航空航天領(lǐng)域發(fā)展起來(lái)的MDO技術(shù)是當(dāng)前國(guó)際上一個(gè)最活躍的研究課題。MDO問(wèn)題涉及到的變量數(shù)目較多,學(xué)科之間的信息交換極為復(fù)雜,直接搜索目標(biāo)函數(shù)和約束值的計(jì)算量令人難以忍受,某些學(xué)科分析會(huì)產(chǎn)生一些無(wú)法預(yù)計(jì)的失真,難以采用效率較高的梯度算法進(jìn)行設(shè)計(jì)空間搜索,影響處理速度。因此,優(yōu)化過(guò)程中一般不將設(shè)計(jì)空間搜索程序與多學(xué)科分析直接禍合起來(lái),而是對(duì)目標(biāo)函數(shù)和約束給予近似的表達(dá),將直接搜索和這些易于計(jì)算的近似表達(dá)禍合起來(lái),得到近似問(wèn)題的最優(yōu)解后,通過(guò)最優(yōu)解處的重分析來(lái)修正改進(jìn)近似模型,避免頻繁的多學(xué)科全分析。
　　(三)基于虛擬樣機(jī)的機(jī)械仿真
　　在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域,虛擬樣機(jī)技術(shù)作為一種嶄新的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方法,更是一種十分重要的綜合仿真式開(kāi)發(fā)手段。機(jī)械系統(tǒng)虛擬樣機(jī)是基于虛擬樣機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)仿真技術(shù),是指在制造的一臺(tái)物理樣機(jī)生產(chǎn)出來(lái)之前,利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立該機(jī)械系統(tǒng)f產(chǎn)品)的三維數(shù)字化模型(即虛擬樣機(jī));對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析,較好地仿真該機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,以預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的整體性能。該技術(shù)以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心加上成熟的三維計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)和基于圖形的用戶界面技術(shù),將分散的零部件設(shè)計(jì)和分析技術(shù)集成在一起,提供一個(gè)全新的研發(fā)機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法。它通過(guò)設(shè)計(jì)中的反饋信息不斷的指導(dǎo)設(shè)計(jì),保證產(chǎn)品尋優(yōu)過(guò)程的順利進(jìn)行。
　　三、sOILDwROK建模導(dǎo)入ADAMS
　　ADAMS軟件具有強(qiáng)大的動(dòng)力學(xué)解算器,但其實(shí)體建模功能相對(duì)比較薄弱。對(duì)于比較復(fù)雜的零部件,如用ADAMS建模模塊進(jìn)行三維實(shí)體建模,不能保證模型的尺寸精度和裝配的位置精度。應(yīng)用SoildWorks軟件對(duì)設(shè)備進(jìn)行整機(jī)建模,按工程圖紙將其變?yōu)橐粋�(gè)數(shù)字樣機(jī),然后將其轉(zhuǎn)換并導(dǎo)入到ADAMS壞境中使用。由于SoildWorks和ADAMS是兩個(gè)完全不同的系統(tǒng),所以各自的數(shù)據(jù)都難以被對(duì)方識(shí)別。要將SoildWorks中創(chuàng)建的三維實(shí)體模型導(dǎo)入到ADAMS環(huán)境中,必須兩種軟件具備某一相同的幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊,先將SoildW01.ks的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成中性(不依賴于SoildWoI_ks系統(tǒng)),然后將中性數(shù)據(jù)通過(guò)幾何數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成AI)AMS數(shù)據(jù)。
　　(一)虛擬設(shè)備的裝配
　　經(jīng)上面步驟零部件導(dǎo)入AI)AMS后,各構(gòu)件之間還只是毫無(wú)聯(lián)系地獨(dú)立存在于ADAMS中。這種狀態(tài)下即使全部零部件都己導(dǎo)入,也不能構(gòu)成一臺(tái)具有現(xiàn)實(shí)意義的虛擬樣機(jī)。這就如一堆拆散的零件擺在地上不能構(gòu)成一臺(tái)完整的機(jī)器。下面的工作就是要將這些分散的零部件

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