虚拟样机技术在机械设计中的应用

虚拟样机技术在机械设计中的应用

张宗爽

身份证号码230604199005013014

摘要：改革后，我国的科学技术水平随着社会的发展不断进步。目前，被广泛应用到各个行业领域。其中，虚拟样机技术是一种新兴的产品设计技术，在工程设计企业中得到广泛应用。与传统的产品设计技术相比，仿真原型技术具有更多的系统优势，在机械设备工程合计方面处于领先的地位，虚拟样机技术在各行业中也有了长足的发展，在抽油机产品设计方面也提供了新的设计理念。本文主要研究虚拟样机技术及其在机械设计中的应用。

关键词：虚拟样机技术；机械设计；抽油机设计

引言

现阶段，随着科学技术的改进和发展，现代技术被广泛运用于社会生产的各个领域中，其中在农业生产的过程中开始广泛运用虚拟样机技术，虚拟样机技术的运用能够有效提高农业机械使用的稳定性和安全性，从而提高农业生产的效率和质量，同时控制农业机械研发成本。

1虚拟样机技术

虚拟样机技术又称为机械系统动态仿真技术，是20世纪80年代随计算机技术发展而快速兴起的一项计算机辅助工程(computeraidedengineering，CAE)技术。虚拟样机技术以机械系统运动学、动力学和控制原理等学科理论为基础，基于计算机图形学，对产品进行虚拟化模拟，进行设计与分析，达到设计过程可视化的效果，是一种机械产品开发设计的新技术。虚拟样机技术是在产品物理样机试验之前，研发人员基于计算机技术创建产品的数字化模型，并进行模拟分析，以可视化的方式表示产品在实际工程应用状态下的特性，同时针对研究问题进行优化设计。虚拟样机模型是一种能够反映实际产品特征的计算机模型，包括外观、空间关系、运动学和动力学等特性。虚拟样机技术能从几何、功能和制造交互的角度对产品进行建模和分析。

2虚拟样机技术在机械设计中的应用

2.1抽油机三维模型的建立

选用UniGraphicNX2或SolidWorks作为抽油机三维装配模型建模平台。在整个设计中，运用的是自上而下的模型。首先进行抽油机各构件的模型建立，其次进行抽油机各部件的模型建立，最后进行抽油机整机装配的模型建立。在整个三维模型的建立过程中，通过对零部件建模文件的分割和存储，可以避免在建模时的文件浪费现象。在数据加载的过程中，设置搜索关键词，以此实现模型的均匀加载。

2.2抽油机运动特性虚拟测试分析

在对虚拟样机系统的模拟分析过程中发现，抽油机的实际运行速度不高，但在上冲程和下冲程的起始段都会出现突然加速的情况。对后处理模块进行运动参数的设置发现，抽油机典型的运动点在悬挂点处。通过对悬挂点运动参数的分析可以看出，悬挂点的位移按正弦规律变化，实际行程略大于设计值。当抽油机的特定结构发生变化时，要对理论计算结果进行调整。从悬挂点的速度和加速度曲线上看，抽油机在看似运行平稳的情况下，速度和加速度也会有较大的变化。当抽油机停止于上死点或下死点时，启机会引起一定的冲击载荷，从而影响电机的工作状态。这也是四杆抽油机常见的故障。从速度曲线分析可知，抽油机上下冲程的最大速度出现在游梁处于水平位置时，这与四杆机构的运行规律是一致的。在相应的位置，加速度也是处在不断变化中的，但变化是相对平稳的。在抽油机的分析计算中，更有价值的信息包括游梁摆角、摆角速度和摆角加速度。悬挂点的速度实际上是驴头圆弧处的线速度，所以没有必要单独列出参数。通过以上分析，可以判断抽油机是否具有良好的运动特性，实现运行稳定和高效率来满足油田生产的需要。

2.3机械产品造型设计应用

针对机械产品进行造型设计也是产品研发中的一个重要环节，在传统的设计工程中，依托CAD软件能实现机械产品静态二维或三维造型模型的建立，但是却无法满足更为复杂的机械产品造型设计需求，因此影响了农业机械产品设计立体性程度的提高。虚拟样机技术依托ADAMS软件能进行农业机械设备三维造型的设计，而且能够进行复杂结构的仿真分析，从而进行数据分析结果的改进和优化。

2.4、ADAMS运动仿真

就ADAMS技术本身来说，通过在ADAMS内构建一个虚拟样机模型，便可以直接进行仿真分析，独立完成运动仿真分析工作。其优势在于可以完成数据的无缝连接，但缺点是无法实现大型机械的建模。例如在农用运输车的机械设计方面，先针对农用运输车建立多体动力学模型，再通过ADAMS来进行农用运输车实际运行过程中平顺性的仿真技术，从而实现其运动仿真。在进行清选装置的机械设计时，可以利用ADAMS技术模拟风筛清选装置建立一个虚拟样机模型，参照实际工作中不同机械系统的工作参数，掌握农业物料在清选装置中的基本运动规律，从而进行初步的仿真试验。在进行收获机机械设计时，可以利用ADAMS系统模拟割刀的运动轨迹，建立收获机切割系统的结构模型，从而进行仿真结果的对比分析。在进行农作物收割机的机械设计时，可以针对现有稻麦联合收割机进行建模，结合现有收割机模型分析运动轨迹，实现运动仿真及对原有结构的优化升级。

2.5虚拟样机技术在收获类机械中的应用

针对甘蔗收获机喂入装置易堵塞的问题，采用虚拟样机技术对齿轮箱进行优化设计，改进了对甘蔗的滚动摩擦阻力，堵塞问题得到有效的改善，同时把虚拟样机技术应用到甘蔗收获机全生命设计周期中，优化了产品设计流程，便于产品的控制和管理。运用ADAMS软件建立了油菜收获机清选装置模型，对油菜脱出物在气流中和筛面上的运动进行了研究，确定了杂物、油菜籽和短茎秆的判别条件，甄选出对筛面加速度影响最大的振动筛机构和参数，确定了筛孔直径的设计方法并选择了合适的筛孔直径，对油菜收获机清选装置系统的开发和研究具有指导意义。基于ADAMS软件对玉米收获机割台各主要部件进行建模，并根据玉米茎秆的物理特性建立玉米茎秆的柔性模型，对分禾器、拨禾论、立式甩刀、喂入装置等进行运动学、动力学仿真分析，对比不同参数设置带来的作业效果的不同，确定了影响玉米收获质量的敏感参数，为玉米收获机进一步改进设计和优化提供了参考和帮助。运用Pro/E软件建立了挤搓式玉米脱粒机整机虚拟样机模型，并运用虚拟样机软件ADAMS和有限元分析软件ANSYS进行联合运动仿真，对主轴及相关部件进行了运动受力分析，从而确定了一套具有低破碎、低损伤的结构方案。

结语

本文将虚拟样机技术应用于抽油机的仿真分析和优化设计中。随着科学技术的进步，虚拟技术在我国工业领域的发展和先进技术的应用越来越广泛。虚拟样机和虚拟制造技术的发展和应用将改变现代机械工程设计和制造过程中的传统模式。可以在产品生产前修正错误，实现产品性能的预测，提高产品质量，提高生产效率和制造周期，具有广阔的发展前景。

参考文献

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