虛擬樣機機械設計方法研究論文

摘要：當前，我國正處於快速發展階段，在輔助工程技術的基礎上，在機械設計的過程中，虛擬樣機技術被廣泛應用。基於虛擬樣機的機械設計方法比傳統機械設計方法質量更好，設計效率更高。主要探析了優化機械設計、聯合設計控制系統和機械系統、機械系統所含有的有限元、機械系統的三維建模、機械系統的靜力學計算和動力學仿真的相關內容，以期為日後的相關工作提供參考。

關鍵詞：虛擬樣機；機械設計；動力學；機械系統

之前，機械設計都必須在現場才能夠完成樣機試驗，所以，應用這樣的設計方法將會消耗更多的時間和大量的資金，而且設計效果也不會很好。但是，在機械設計的過程中，應用虛擬樣機技術能夠在設計階段全面分析好機械系統的特徵。這樣就能在製造樣機之前處理好原本的設計問題，並且還可以減少資金的投入，節約更多的時間，提高機械設計的整體效率。由此可知，有關人員只有深入研究基於虛擬樣機的機械設計方法，才能夠設計出更好的機械產品。

1優化機械設計分析

在整個機械設計的過程中，設計者結束設計的基本工作後，一般需要採取某些有效的'措施優化設計。針對當前的實際狀況，在優化機械設計的過程中，常見的問題是求取目標函數的最大值。在滿足控制變量的變化範圍和設計條件的情況下，設計者能夠根據選擇設計變量和分析函數來優化機械設計。但是，通過計算機所具有的強大計算功能，利用設計變量改變再迭代求解的方法來仿真機械設計，這樣就能夠求取目標函數的最優值。總而言之，在每一次仿真的過程中，只需要改變其中一個模型的設計變量，並且觀察仿真的結果，就能夠獲得物理量設定的最優解。

2聯合設計控制系統和機械系統

在之前很長的一段時間中，設計者經常需要測試、設計控制系統和機械系統。但是，控制系統與機械系統之間不存在任何聯繫，而是兩個相互獨立的個體。因此，在聯合控制系統和機械系統以後，設計效果很難達到預期要求。針對當前的實際狀況，能夠通過機構控制一體化虛擬樣機技術來實現聯合機械繫統和控制系統。這樣，要獲取更好的設計效果就非常簡單。在設計思路方面，聯合仿真設計實質上是藉助動力學、運動學仿真軟件，創建與機械系統設計同樣含有控制目標的動畫、動力學模型和三維實體模型。另外，在這樣的設計基礎之上，其基本條件就是得到相應的電機模型和控制算法。

3機械系統所含有的有限元分析

機械系統所含有的有限元實質上是指一種現代化用作分析結構件的動態特性、結構強度的設計方法。由於有限元法有很好的通用性，能夠隨意用在任何的力學問題中，所以，有限元法在整個機械設計的過程中都得到了非常廣泛的使用。另外，有限元法屬於比較可靠的一種計算方法，通過有限元法能夠得知邊界條件和機械結構形狀。由此可知，有限元法相對於虛擬樣機而言，是一種不能夠缺少的工具。

4機械系統的三維建模

如果要在機械系統設計時實現虛擬樣機，先要創建出三維實體的機械系統模型。針對當前的實際情況，在創建三維實體的機械系統模型時，要處理好建立系統的複雜約束關係和創建外形複雜的零件模型這兩個主要問題。一般情況下，使用CAD軟件能夠妥善處理好系統的複雜約束關係和創建外形複雜的零件模型這兩個主要問題。對於二維CAD而言，市面上主流的三維CAD軟件可以更好地表達出產品的生產管理和技術信息。由此可知，在創建機械系統模型的過程中，有效應用三維CAD軟件具有十分重要的意義，同時，三維CAD軟件也將在整個建模過程中發揮十分重要的作用。在創建機械系統中的各零部件模型時，設計者可以使用CAD軟件，並且有效地應用實體造型技術和變量化設計技術。在完成機械系統中的各零部件模型後，還應該採取某些措施連接好各個零件的模型。這樣，有助於實現物體的相對運動。在添加約束副的過程中，應該要確保實際情況與模型符合。這樣做，主要是為了確保實際產品與模型的密度、材質、結構細節等內容一致，進而提高建模的準確度。現在，大部分的CAD軟件都具有運動/運動學插件功能，它能夠通過關係裝配之後再將其映射在約束關係上，有助於實現機械運動的模擬。

5機械系統的靜力學計算和動力學仿真

在創建了機械系統模型後，可以使用動力學仿真方法將物理樣機實驗試驗替換掉，實質上是指在計算機環境下完成物理樣機的數據採集和動作實驗。而在機械系統動力學仿真的過程中，仿真的準確性將會受到驅動參數、三維模型和實際產品相似程度的直接影響。同時，動力學仿真方法的有效應用是為了更好地計算輸出扭矩和驅動系統功率，以及選擇傳動系統的類型。另外，動力學仿真方法的有效應用，計算、校核部件的運動慣性力和結構強度，能夠完成驅動控制系統的設計。

6結束語

綜上所述，在實際工作中，應用基於虛擬樣機的機械設計方法，能夠在短時間內幫助設計人員設計出具有優異性能的產品。同時，設計者利用基於虛擬樣機的機械設計方法，在虛擬的環境中能夠更加形象、直觀地實現產品的性能測試和設計優化。設計者針對參考虛擬環境所獲得的計算結果，能夠根據其自身積累的設計經驗來設計機械的系統。這樣能夠有效提高設計系統的質量，同時，還能夠減少設計系統時出現的設計錯誤。

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