虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

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摘要：近年來，隨著科技的發(fā)展和時(shí)代的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)技術(shù)中的虛擬樣機(jī)技術(shù)被合理地引入和應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，取得了很好的效果。文章首先介紹了什么是虛擬樣機(jī)技術(shù)，之后分析了農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)的重要性以及虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用的有利條件，并探討了應(yīng)用的具體方式，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)的工作提供借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：虛擬樣機(jī)技術(shù)；農(nóng)業(yè)；機(jī)械設(shè)計(jì)；ADAMS；仿真

以往傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)存在諸如成本過高、周期過長(zhǎng)等問題，而在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，極大地提高了機(jī)械研發(fā)的效率，并且促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的發(fā)展。

1虛擬樣機(jī)技術(shù)概述

虛擬樣機(jī)技術(shù)是21世紀(jì)新興的數(shù)字化仿真技術(shù)，簡(jiǎn)稱VPT技術(shù)，這種技術(shù)充分融合了建模、機(jī)械、仿真、網(wǎng)絡(luò)等元素，和過去的技術(shù)相比，仿真效果更好，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行分析和測(cè)評(píng)。在特定的機(jī)械設(shè)計(jì)中，相關(guān)的技術(shù)人員可以借助相關(guān)軟件完成一系列的操作，目前常用的軟件是美國的ADAMS軟件。實(shí)際上，虛擬樣機(jī)技術(shù)是借助于網(wǎng)絡(luò)通信以及多媒體技術(shù)，對(duì)機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成機(jī)型，同時(shí)評(píng)價(jià)機(jī)型的特點(diǎn)和性能，這種樣機(jī)模型是虛擬的，可以在很大程度上代替物理樣機(jī)，并且能夠極大地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，顯著提升開發(fā)效率，而且虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用范圍十分廣泛。

2農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)的重要性

農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，能夠給保證和提高農(nóng)業(yè)機(jī)械的質(zhì)量和性能，這對(duì)于中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展具有戰(zhàn)略意義，因?yàn)橹袊寝r(nóng)業(yè)大國，每年需要使用大量的農(nóng)業(yè)設(shè)備，這些機(jī)械設(shè)備的質(zhì)量好壞直接關(guān)系著農(nóng)業(yè)的發(fā)展水平。由于以往在對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員只是根據(jù)已有的經(jīng)驗(yàn)和一些常識(shí)來進(jìn)行設(shè)計(jì)，但是這種方法極易出現(xiàn)問題。一旦樣機(jī)與事先的設(shè)計(jì)存在出入，就需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣比較浪費(fèi)時(shí)間，并且耽誤生產(chǎn)，無形中延長(zhǎng)了機(jī)械設(shè)備投入市場(chǎng)的時(shí)間，可能會(huì)失去使用價(jià)值，同時(shí)浪費(fèi)了成本，降低了企業(yè)的利益，也不利于行業(yè)的發(fā)展和穩(wěn)定。通過應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，將機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)、方案的選擇、零件的裝配以及性能的優(yōu)化等操作和工藝都在計(jì)算機(jī)形成的虛擬環(huán)境中進(jìn)行，這樣有效避免了出現(xiàn)重復(fù)的可能，并且發(fā)揮了計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高了準(zhǔn)確性，也使得農(nóng)業(yè)機(jī)械產(chǎn)品更早和更快地投放到市場(chǎng)中，幫助企業(yè)搶占先機(jī)。

3虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

整體而言，虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)在以下兩方面。第一方面，升級(jí)了機(jī)械設(shè)計(jì)的理念。通過將原本復(fù)雜繁瑣的設(shè)計(jì)工序變得簡(jiǎn)單直觀，使得老舊的設(shè)計(jì)理念問題凸顯，從而順理成章地進(jìn)行升級(jí)和創(chuàng)新。而且在設(shè)計(jì)之初就能夠直接通過計(jì)算機(jī)完成虛擬樣機(jī)的創(chuàng)建工作，并保證機(jī)械的整體結(jié)構(gòu)和功能都與實(shí)際模型相吻合，從而客觀、準(zhǔn)確和真實(shí)地反映設(shè)計(jì)產(chǎn)品的各項(xiàng)指標(biāo)[1]。第二方面，借助虛擬樣機(jī)技術(shù)，能夠第一時(shí)間找到產(chǎn)品存在的缺陷和問題，并且省去后期檢測(cè)和分析的時(shí)間以及成本，并且這些缺陷發(fā)現(xiàn)的越早，改進(jìn)工作展開地越快，越有利于機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)和投入使用。過去對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行分析時(shí)，需要綜合比對(duì)大量數(shù)據(jù)且容易出錯(cuò)，這為后續(xù)的工作制造了不小的困難，而通過虛擬樣機(jī)技術(shù)，簡(jiǎn)化流程，科學(xué)分析，精確處理，能夠避免上述問題。

4虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中應(yīng)用的具體方式

4.1仿真技術(shù)

簡(jiǎn)而言之，這種應(yīng)用方法指的是通過ADAMS軟件，建立虛擬樣機(jī)的相關(guān)模型，之后繼續(xù)仿真。這種應(yīng)用特點(diǎn)明顯，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫連接，完全能夠滿足中小型建模的功能需求，但是一旦涉及到大型的模型，建立時(shí)比較困難。舉個(gè)簡(jiǎn)單的例子，在進(jìn)行農(nóng)業(yè)運(yùn)輸車，主要是四輪拖拉機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)，完全可以根據(jù)固定的動(dòng)力學(xué)模型，使用ADAMS軟件進(jìn)行仿真，測(cè)試性能。對(duì)于一些大型的收割機(jī)，比如玉米收割機(jī)，就需要不斷地優(yōu)化模型的結(jié)構(gòu)，尤其是要注意切割的動(dòng)作，爭(zhēng)取做到仿真結(jié)構(gòu)的逼真和合理，提高準(zhǔn)確性，完善設(shè)計(jì)要求。值得一提的是，仿真也可以聯(lián)合進(jìn)行，比如先建立農(nóng)業(yè)機(jī)械的模型，之后導(dǎo)入ADAMS軟件里，再進(jìn)行虛擬樣機(jī)的構(gòu)建，這樣就能夠使得后期的分析更加準(zhǔn)確，仿真更加靈活[2]。

4.2分析軟件

因?yàn)锳DAMS軟件的仿真能力比較強(qiáng)，相對(duì)的結(jié)構(gòu)分析能力不是十分出眾，而且ADAMS軟件主要分析剛性的設(shè)計(jì)，如果涉及到柔性的機(jī)械，那么就需要結(jié)合和使用必要的結(jié)構(gòu)分析軟件，常見的ANSYS軟件，它能夠與ADAMS軟件配合工作。比如建立水稻移栽機(jī)模型，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)驗(yàn)，結(jié)合仿真結(jié)果，分析模型的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，并不斷進(jìn)行優(yōu)化，從而研發(fā)出更高效的產(chǎn)品。對(duì)農(nóng)田耕整機(jī)的設(shè)計(jì)，也可以發(fā)揮這兩個(gè)軟件的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行實(shí)際測(cè)量的同時(shí)，根據(jù)震動(dòng)的物理原理，結(jié)合具體的應(yīng)用場(chǎng)景和使用需求，進(jìn)行分析和調(diào)整。值得一提的是，對(duì)于農(nóng)作物不同的特性，分析軟件也有很好的用武之地，比如根據(jù)大豆的物理特性，使用ANSYS軟件建立數(shù)字模型，之后找到虛擬樣機(jī)與大豆植株的聯(lián)系，從而更好地進(jìn)行收割工作。

4.3控制系統(tǒng)

現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展目標(biāo)是不斷降低機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，并且利用控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)一系列的復(fù)雜操作，保證人員安全。要想做到這點(diǎn)，需要將控制系統(tǒng)與機(jī)械系統(tǒng)相結(jié)合，提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和可靠性。舉個(gè)常見的例子，在進(jìn)行彈性軸承系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，可以借助Matlab這種軟件，之后使用ADAMS進(jìn)行仿真，對(duì)載荷能力進(jìn)行分析，并與動(dòng)力學(xué)特征進(jìn)行比對(duì)。在設(shè)計(jì)收割機(jī)時(shí)，需要對(duì)輸送臂以及相關(guān)的液壓模塊進(jìn)行仿真，形成系統(tǒng)模型，之后在對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行分析，明確收割機(jī)輸送臂的作用原理。而且對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)進(jìn)行控制系統(tǒng)方面的仿真，能夠保證機(jī)械運(yùn)動(dòng)的科學(xué)性和連貫性，并且為后期的設(shè)計(jì)打好基礎(chǔ)，如果出現(xiàn)問題，也能根據(jù)分析結(jié)果找到故障原因，從而進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整[3]。

4.4運(yùn)動(dòng)造型

因?yàn)樵谵r(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，相關(guān)的設(shè)備日益復(fù)雜，種類也變得多樣，那么這些設(shè)備的運(yùn)動(dòng)效率以及造型特點(diǎn)，就成為了目前研發(fā)和應(yīng)用的難題。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法在對(duì)產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)效果的分析上顯得愛莫能助，而通過虛擬樣機(jī)技術(shù)能夠準(zhǔn)確地構(gòu)建機(jī)械產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)軌跡以及響應(yīng)模型，能夠?yàn)楹笃诘纳a(chǎn)提供可靠的依據(jù)，避免了設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品不符合實(shí)際情況的問題。至于農(nóng)業(yè)機(jī)械的造型設(shè)計(jì)，以往只是使用CAD軟件進(jìn)行一些靜態(tài)圖像處理，無法顯示出復(fù)雜設(shè)備的立體結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部輪廓，所以應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，能夠完成三維模型并且準(zhǔn)確顯示各個(gè)數(shù)據(jù)和尺寸，并且可以自動(dòng)優(yōu)化，使得造型更加科學(xué)，達(dá)到令人滿意的效果。由于中國機(jī)械設(shè)計(jì)中基礎(chǔ)的技術(shù)是數(shù)控機(jī)床技術(shù)，而這些技術(shù)受到國外制約，對(duì)一些機(jī)械的零件，國內(nèi)在進(jìn)行造型工作時(shí)，就要充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，通過CIMS系統(tǒng)，使用科學(xué)的方法，加快機(jī)械制作的集成化建設(shè)工作。

4.5參數(shù)設(shè)計(jì)

至于參數(shù)設(shè)計(jì)，尤其是農(nóng)業(yè)機(jī)械這種十分重要的集合參數(shù)，想要進(jìn)行快速的構(gòu)造和修改，需要不斷調(diào)整模型，而虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以自動(dòng)完成參數(shù)的匹配和修改工作，這對(duì)于同一類型的產(chǎn)品而言，能夠減輕很大的工作量。通過虛擬樣機(jī)技術(shù)，能夠完成模型參數(shù)的分析和歸類，并且找出最準(zhǔn)確的幾何模型，在進(jìn)行輸入的過程中，可以對(duì)各個(gè)元素進(jìn)行標(biāo)注，方便參數(shù)的確定和更改。同時(shí)在修改參數(shù)時(shí)，對(duì)幾何模型的設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整，可以選擇相近或者是類似的零件，之后再生產(chǎn)新參數(shù)的零件，這樣不耽誤設(shè)計(jì)的進(jìn)度，同時(shí)還能夠提高零件的使用效率。虛擬樣機(jī)技術(shù)在具體的應(yīng)用中，由于其綜合性較強(qiáng)，使用的技術(shù)較多，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬化的環(huán)境，并且為人們提供真實(shí)的環(huán)境體驗(yàn)，讓人們通過視覺和觸覺感受機(jī)械的特點(diǎn)和性能，這樣能夠提高設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，并且不同的參數(shù)也能夠很好地使用不同的使用環(huán)境以及相關(guān)的配套設(shè)備[4]。

5結(jié)束語

綜上所述，通過將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)中，能夠滿足市場(chǎng)的需求，并且推動(dòng)行業(yè)的發(fā)展，具有很廣闊的應(yīng)用前景，而且隨著虛擬樣機(jī)技術(shù)的不斷成熟，其應(yīng)用的范圍也日益擴(kuò)大，這對(duì)于對(duì)于中國農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)的發(fā)展是十分有利的。

參考文獻(xiàn)：

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[2]李宗寶.虛擬樣機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)上的應(yīng)用和發(fā)展[J].同行,2016(9):69.

[3]高鵬,韓英強(qiáng),馬濤.虛擬樣機(jī)技術(shù)在裝載機(jī)設(shè)計(jì)及制造中的應(yīng)用研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件,2018(11):201.

[4]宋月鵬,張韜,樊桂菊,等.基于虛擬樣機(jī)技術(shù)圓盤式果園生草刈割機(jī)工作過程仿真與驗(yàn)證[J].草業(yè)科學(xué),2018,35(7):1805-1810.

作者：羅卓杰 單位：荊楚理工學(xué)院 通用航空學(xué)院