试析虚拟样机在农机产品研发中的应用

郭奕杉

一、虚拟样机

虚拟样机技术指的是创建第一台物理样机前，借助先进的计算机技术创建相关产品数字模型，以实体可视化为基础，通过实施仿真分析模拟系统在实际工作环境下，所具备的运行状态，包括其具备的运动学及动力学特性，经过多次修改与设计后，最终制定出最佳设计方案。虚拟样机技术综合多种现代技术，如现代信息技术、设计制造技术、建模仿真技术、现代管理技术，将上述科技手段应用于产品生命周期设计与管控中。相比于传统的设计技术而言，虚拟样机技术更加侧重于系统运行，可实现产品多方面、全方位测试，针对产品性能、质量等要素展开科学分析及评估，各领域均可实行协同设计。

这一技术主要研究范围集中在机械系统运动与动力学分析上，核心内容为通过计算机辅助技术围绕此展开分析，据此明确整个系统运行、不同构件所在位置、基本速度等。与传统产品设计方式的不同之处主要体现在下述几点：1.采用数字化手段，实施产品虚拟设计，为工作人员优化产品创造了有利条件;2.可实现协同设计，虚拟企业各部门、人员基于同一设计目标，分别从各个角度、需求进行虚拟样机测试分析;3.虚拟样机技术下的产品设计所用周期短，无需耗费过多成本，快速比对产品各项参数后，得出产品性能信息，直至达到最优状态。

二、虚拟样机在农机产品研发中的应用

1、制作与测试

现阶段部分企业开始将设计流程作出适当调整，将其设置为方案设计——图纸设计——虚拟样机设计——测试——参考测试参数与结果优化——重新设计虚拟样机——重新测试虚拟样机，直至测试结果符合设计需求，能够满足实际需要，最终进行产品生产。上述过程具有较强的反复性，尤其是虚拟样机的设计与测试更是十分关键，两个环节质量高低直接关系到新产品设计能否成功。虚拟样机具备几何结构特性的同时，兼具产品实物样机功能，可围绕产品指标，如外观设计、具体功能、安全性、成本与质量等展开设计，设计初期阶段内，虚拟样机以产品设计为出发点，设计逐步深化后，虚拟样机开始追求安全性、高质量方面的期望。该环节十分关键，是根据市场反馈信息归纳总结而成的。虚拟样机总目标被分解后，分发至虚拟子系统、虚拟部件、虚拟零件，产品设计人员能够以系统视角为切入点，实施多目标优化，最终获得最佳设计方案。

虚拟样机应用的出发点与根本目的在于保证测试数据与事实相符，传统实物样机测试通常表现为实验室测试、试验场测试，与之相似的是，要想保证虚拟样机的正常测试，就必须提供相同条件，细化至虚拟实验设备、仪器、实验条件。而针对试验场内展开的专业测试，需尽可能的构建虚拟环境，基本上保持一致，包括土壤、水份、硬度等，只有如此方可保证测试数据的真实性。除此之外，由于虚拟测试中涉及到的各项数据全部来源于实物测试，虚拟测试结果应利用实物测试结果进行有效验证，虚拟测试未来发展过程中，试验数据将更加丰富多样，精准性大幅提升，实物测试逐渐减少。

2、应用必要性

虚拟样机技术自上世纪传入我国以来，逐渐被用于多个领域，技术本身具有较强的使用优势，但由于传统农业发展模式的限制，当前我国农业机械领域内计算机辅助设计发展正处于相对滞后状态，虚拟样机技术在农业产品方面的应用还不够深入。传统农业机械产品开发期间，往往需要经过多个步骤，例如样机设计、样机制作与试验、田间试验、改进设计、二次试验等，我国国土面积大，幅员广阔，多样化地形与农作物生产模式下，农业机械产品设计周期势必会受到多方面因素影响，耗费成本较高。这一过程中多数情况下需借助工作人员以往工作经验，最终确定诸多设计参数，围绕农机产品实施静态分析而非动态特征分析，在较大程度上限制着产品质量提升。

农机设计初期阶段内，利用虚拟样机技术处于计算机环境之中，参考农机实际性能建模、分析、测试，通过此类仿真试验能够从根本上保证农机产品质量，针对其中存在的缺陷及时加以调整改正，做到产品设计与完善同步，赋予决策与设计方案更多的前瞻性与科学性。

3、注意要点

虚拟样机技术以其独特高质量、低成本、缩短产品上市周期等优势，一经引入便开始受到一致欢迎与应用，而综合我国众多企业发展实际情况来看，这一技术并未得到广泛运用，主要原因如下：①行业内常见的工程类软件、分析软件实施设计与分析的主要对象多为零件，以系统优化为重点的工程设计软件相对较少，功能不够齐全，质量无法得到根本保证;②工程软件设计及分析软件使用过程中，零部件数量持续增加容易引发数据爆炸，嚴重情况下甚至可能致使软件运算时间过长，最终无法得出相应结果;③虚拟样机之所以能够正常使用，基本上依赖于庞大的工程数据管理系统平台，用于确保分析及设计中出现的海量数据，能够实现不同环节、不同软件间的有效传递与共享。而工程数据库涉及到的数据繁多复杂，对交互性要求更高，目前国内尚未研发出成熟的工程数据库管理系统软件。与此同时，建立虚拟样机系统需耗费大量人力、物力，企业若无强大的经济实力、人力与科技资源，虚拟样机系统的建立注定要失败。

（作者单位：163311 黑龙江省大庆市农业机械技术推广总站）