机械仿真设计
前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇机械仿真设计范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。
机械仿真设计范文第1篇
中图分类号：TH122；TH16；TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）29-0362-01
引言
计算机仿真技术是借助计算机与相关软件，以多种学科和理论为基础，以计算机及其软件为工具对系统进行实验研究的理论和方法体系，问题的分析和解决是通过虚拟实验的方法达成的，是一门结合了多种学科和理论的综合性技术。早期的计算机仿真又被称作蒙塔卡罗方法，是一门用随机数通过实验求解随机问题的方法。随着科技的发展科学与工业技术有了长足的发展之后而确定下来的，而且伴随着科学与工业技术的发展，计算机仿真技术随之发展。用自己特有的方式影响着人们的生活。计算机仿真主要经历了三个比较大的阶段，即模拟机仿真、模拟-数字混合机仿真和数字机仿真。
一、仿真技术对机械设计制造行业的作用
仿真技术指的是设计人员以计算机为载体，通过利用相关软件建立数据模型，对各性能参数进行分析从而选择最优的设计方案，与传统的设计方法相比安全可靠、使用灵活，大大节约了资金，也节约了反复制造实物的时间，因其不需要制造实物而又被称为虚拟样机技术。现代的机械设计制造行业中，因为很多系统设计非常复杂，数据量庞大，在实验中存在很多难题，因此需要在计算机中建立相对应的模型对其进行仿真，对其各项参数性能等进行分析。在机械设计制造的初期，设计人员只要根据不同的方案在仿真软件中建立虚拟样机，便可以完成对不同假设的虚拟实验，选择最优方案或者对方案进行改进都非常方便。在机械设计制造行业中使用仿真技术不仅可以使计算更加精_，提升研发质量，而且也在一定程度上提升了研发效率，节约了研发资金。
二、计算机仿真的实现
1、模型的创建
通过编辑条件和约束条件的要求，根据要研究的目标或问题，首先需要建立起一个能够达到条件需求的可靠的、准确的计算机仿真系统。然后，运用相关学科的知识把这个系统通过数学表达式准确地阐述出来，阐述的内容就是计算机仿真的核心数学模型。
2、模型的变换
运用相关的、恰当的计算机算法和计算机语言，把抽象出来的模型通过数学表达式转换成计算机能够处理的形式，这种模型就是计算机方针的基础-仿真模型。实现这个过程，既可以根据自身需要研发一个新的系统，也可以把当下市面上已有的仿真软件拿来直接运用。
3、模型的实验
将创建的仿真模型输入电脑中，运行仿真模型会获取一系列的仿真结果，这就是模型的仿真实验。由于是按照先期设计的实验方案来运行的，所以仿真实验是一件很简单的事情。但是，仿真的结果又应该按照什么标准来衡量呢？这就需要具体辩析仿真结果的可靠性，检验仿真结果可靠性主要有两种方法（置信通道法和仿真过程的反向验证法）。
三、机械设计制造过程中的仿真技术应用
1、在齿轮设计研究中的应用
齿轮是机械装备的主要基础零部件，作为其主要部件对其进行仿真研究具有重要意义，很多的科研工作者在这方而做了相关研究。如运用Visuallisp语高可以从几何角度研究齿轮任何端而齿形的建模和传动仿真；圆弧针齿行星传动的动力学研究也能运用电脑仿真技术；利用计算机仿真研究了影响止交而齿轮传动接触点的主要参数（包括主动齿轮与刀具齿数差、齿数比、模数等）；在齿轮泵的齿轮研发设计中也很好的应用了计算机仿真。计算机仿真技术在齿轮泵的齿轮设计与制造中，同样有养重要的应用。
2、机械结构设计
一般来说，机械产品的组装要求都较高，涉及的零部件较多。为保证已经完成制定的工艺活动能够顺利实现，在对新产品进行开发和研究的过程中，机械产品的相关机构是否能够正常地完成事先设定的动作，机构相互之间的运动能否实现合理配合，机构之间有无互相影响或干涉的部分存在以及如何确定各类的机构融合形式或设计方案来更好地适应设计指标等等，这种种难题和麻烦都需要通过计算机仿真技术的应用来实现有效解决。
通常规模较大的立体机械设计程序都会自动准备一个机构仿真的功能运用，在模拟条件下设计完成的装配体能够实现对机构的运动轨迹和方式进行虚拟演示，这种应用程序大多较为直观和便捷。同时，这类应用程序根据装配的数值进行自动机构数据的运算，并且智能添加相关的附加设备，例如弹簧和运动发生器等。若要实现运动学的仿真，对主运动构件进行设定即可，还能实现多方位的观察和监测，应用程序还可同时对产生干扰的程序进行检测，以帮助设计者进行检验和审核。
3、在复杂数值计算分析方而的应用
新型技术的应用使得大多数计算程序繁杂的分析更加简单明了、计算难度降低，从而降低了计算的时间成本，规避了无意义的、水平较低的人力耗费，使得计算效率更高、速度更快以及精确度更高，在新产品的开发和研究设计的方而发挥了巨大作用。
机械产品研发程序大多是从理论设计开始，到接下来的廓形设计、细节设计、实验、细节修改到再次实验的循环过程，直到产品达到相关的生产标准，其中仿真技术的运用帮助产品研发和设计，在最大程度上降低了财力成本和时间成本的耗费。对包装产品的动力学虚拟样机进行技术分析，能够获取产品构造的强度应力、运动状态以及其他相关参数，通过对相关数值的运算和研究可以发现其中的潜在风险和质量问题等，从而提高其开发和生产效率。
4、在复杂机械加工研究方面的应用
机械加工是机械设计制造行业的生产基础，使用计算机仿真有助于发现其深层次机理，为增强机械加工的性能和质量供给了强有力的理论支持。在数控加工中，利用计算机辅助数控加工模块编制CNC机床的零件加工程序，用生成的图形信息或者数据通过转换变成控制指令，然后设置加工参数等。在磨削加工方面，创建的数学模型描述磨削过程是以时间变化为依据的，这样生成的计算机仿真模型能够预先推测评估磨削的行为和质量，为磨削加工过程的最优化、自动化、虚拟化提供了必要的前提条件。模型建立在变进给过程磨削功率的变化量之上，通过计算机仿真能得到最佳磨削方案可用在实际磨削加工中。在铣削加工方面，建立铣切削过程的动力学模型，开发出切削振动仿真的通用软件，就可以用数字仿真技术来探讨铣削振动的机理和条件。在电火花切割方面，建立多轴联动加工复杂曲面的计算机仿真模型，就可以对电火花加工工艺进行效果的预估、参数的最优化。
结语
随着经济规模的扩大，现代工业技术得以迅速发展，各生产步骤和工艺越来越复杂，因此，必须借助自动测试和仿真等计算机技术帮助设计者对设计方案进行优化尤其是伴随着仿真技术在机械设计制造中的使用，实现了设计者从复杂庞大的信息中对机械部件或者加工过程的最优化控制，解决了传统机械设计制造过程中无法实现的问题。
参考文献
[1] 何楠.机械设计制造及其自动化中计算机技术的应用分析[J].山东工业技术，2016（7）：148-149
[2] 徐宁基于计算机仿真技术的塑料机械设计应用[J].塑料工业，2016（3）：97-99，118.
机械仿真设计范文第2篇
关键词：农业机械学；虚拟仿真；实验教学；设计
引言
农业机械化和农机装备是转变农业发展方式、提高农村生产力的重要基础，是实施乡村振兴战略的重要支撑[1]。加快农业机械化和农机装备产业转型升级，建设智慧农业离不开高素质农业装备技术人才，离不开高水平的农业机械化及其自动化专业人才培养体系，离不开高水平的农业工程技术人才综合能力提高的训练系统[2]。在此背景下，课程教学团队依托国家级农业工程综合训练中心和省级农业工程虚拟仿真实验教学中心，聚集优势学科科研平台，按照构建功能集约、资源共享、开放充分、运作高效的实验教学平台有关工作要求，展开了基于VR技术的农业机械学虚拟仿真实验教学平台的建设与开发，围绕黄淮海地区主要农作物全程机械化生产过程中“耕、种、管、收”环节，完成不同模块的网络化的农业装备虚拟仿真实验与部分农业装备虚拟仿真训练（实践）。为加快发展“新工科”，深化科教结合与校企合作，提高人才培养能力打下基础。
1农业机械学虚拟仿真实验教学设计目的
为了农业机械化及其自动化本科专业学生综合能力，特别是创新能力、动手能力的提高，逐渐加大专业课程的实验环节或专业实践环节的课时是目前行之有效的方法。农业机械化及自动化专业学生专业实验或实践环节的系统性与完整性对学生综合实践能力的提高十分必要。从农业装备的认识、典型农业装备的性能分析、设计、制造，乃至控制、智能化设计、维护等等都需要学生能够亲自参与其中。但由于经费、场地等原因，购买大量的新设备很难操作，而虚拟农业装备实验且可以很好解决农业装备实验的系统性、完备性问题，无需太多费用、场地、操作人员等，即可获得有关实验的虚拟现代化农业装备。大型农场的认知、大型喷灌机械、大型复合作业机械等等大型农场、农业装备，对学校而言根本无法购置与运行。传统的简单模型的替代方法无法真实再现大型农业装备其功能、结构及大型农场的情景。采用农业装备虚拟实训系统可以很好的解决此类问题。可以不出校门实现大型农场、大型农业装备的运行、认知的实验与实践工作。如今，农业装备的科学研究已从二维化向三维化发展、从图纸化向无纸化作业发展、从经典设计向现代设计的发展。虚拟仿真技术作为现代的设计方法，也得到了广泛应用，发挥了巨大的作用。农业装备虚拟仿真实验项目一方面可以用于农业机械化及其自动化专业的实验及实践教学，一方面也可用于智能农业装备新产品的研发。
2农业机械学虚拟仿真实验教学设计方案
农业机械学是农业机械化及其自动化专业的核心课程之一，是一门理论性和实践性较强的课程。《农业机械学》课程虚拟教学资源设置坚持“虚实结合、相互补充、能实不虚”的建设原则，充分发挥专业特色优势，加强学科交叉，凸显虚拟教学的特色，实现虚拟教学的创新。结合农业机械化生产实际和教学特点，在原有植保无人机虚拟仿真实验教学平台基础上，提出“智慧农场农业机械化生产装备虚拟仿真实训系统”建设项目方案，项目设有四个虚拟仿真实验教学模块，基本涵盖了农业机械化及其自动化专业的专业实验教学课程及部分实践教学环节，主要包括智慧农场虚拟认知模块、“耕-种-管-收”农业装备虚拟拆装模块、农业装备动态仿真模块、农业装备虚拟测绘模块。每个实验模块均包括专业知识、综合技能和研究创新三种层次的多个实验，并充分与理论课程、真实实验、工程实践和科学研究紧密结合。
2.1模块1：智慧农场虚拟认知
智慧农场虚拟认知主要是利用虚拟现实技术的真实再现让学生对现代化专业化的农场进行沉浸式的认知学习。可以使学生在虚拟环境中了解不同农作物的耕作、种植、田间管理、收获、后处理的生产过程；可以了解整个农作物生产过程的不同阶段使用的不同农业机械的功能动态模拟；可以了解典型农业装备的虚拟驾驶与操作功能。
2.2模块2：“耕-种-管-收”农业生产装备拆装
“耕-种-管-收”农业生产装备拆装主要是让学生掌握一些黄淮海地区主要农作物“耕-种-管-收”环节重点农机设备的正确的拆装步骤、必要的拆装工具，并实现实验过程的自动打分、测评。实现犁、耙、旋耕机、播种机、插秧机（移栽机）、大型喷雾机械、大型联合收割机、大型拖拉机等关键功能零部件的拆装。
2.3模块3：农业装备虚拟动态仿真与操作训练
农业装备虚拟动态仿真与操作训练主要是帮助学生了解农用机械设备的外形、结构，并对关键部件进行文字说明，对于大型设备，展示其运作原理。学生通过虚拟操作实现不同农业机械，如犁、粑、收割机、旋耕机、播种机、喷雾机等主要部件的功能的动态仿真，使学生真是体会到农业装备正常工作的内部动态功能，了解农业装备主要部件的工作原理。对于主要农作物，开展轮式拖拉机、轮式/履带式收割机虚拟驾驶和收获作业训练，让学生掌握道路交通安全、农机安全法律法规和机械常识、操作规程等相关知识；利用三维影像技术构建出田间作业场景，实现拖拉机/收割机模拟实景作业，通过多个作业场景练习，掌握拖拉机/收割机驾驶及操作技术。
2.4模块4：农业装备关键零部件的虚拟测绘实验
农业装备关键零部件的虚拟测绘实验是让学生能通过三维结构的查看和尺寸测量，能够充分理解农机设备重要部件的几何结构，帮助学生提高手绘能力，以及未来对先进设备重要部件的设计和改进能力。比如铧式犁的犁曲面曲线测绘、播种机的排种器、收割机割台、打捆机打结器等关键零件的测绘。
3智慧农场农业机械化生产装备虚拟仿真实训系统设计
3.1系统主要内容与界面
3.1.1登陆界面。进入系统，学生或教师或维护人员首先需使用学号和密码进行登陆，在登陆的同时，系统后台会自动验证账号所具有的权限，并自动加载权限对应的功能模块；此外，登陆过程中，系统自动检测版本号及相应的资源信息，并自动进行对应的更
3.1.2个人中心。个人中心主要是学生用于管理个人信息，查询个人学习记录和考核记录；其中，学生信息主要包括管理学生个人信息，包含姓名，性别，出生年月，班级，学号等；学习记录主要查询学习模式下的操作记录，包括操作时间，实训用时，操作步骤的正误情况等；考核记录可查询虚拟考核的记录，包括考核时间，考核用时，考核点的正误情况，考核成绩等。
3.1.3课程选择。学生进入虚拟实训系统首先需进入课程中心进行训练模块选择，当前，我们为系统设计了四个课程应用方向模块，分别是智慧农场三维数字化认知模块、“耕-种-管-收”农业生产装备拆装模块、农业装备动态仿真与操作训练模块、关键零部件虚拟测绘模块。
3.2系统基本模块中的软件与应用
3.2.1模块1：智慧农场三维数字化认知。进入模块1，系统会自动加载农场模型及其中的设备，由于场景较大，所以采用的是分布式动态加载的技术；当虚拟场景较大时，场景的优化就显得尤为重要了，一方面是从模型的制作开始，就需要进行面片数和贴图材质的优化；另一方面，是在程序设计时，要考虑到采用图形优化技术对场景的加载和显示进行优化，这其中主要用到几种深度检测技术、遮挡剔除技术、LOD技术等；在漫游功能模块，漫游分为手动和自动两种，学生可以选择让相机自动行走漫游展示农场布局，也可利用鼠标/键盘进行自由查看；整个场景除了农场的布局外，还会有一些工作中的设备，帮助学生更好的理解数字化农场。
3.2.2模块2：“耕-种-管-收”农业生产装备拆装。进入模块2，系统将虚拟拆装分为学习模式和考核模式，学生在教师的学时要求下，需先就进入学习模式进行交互操作的练习，当满足了要求后，进入考核模式验证学习成果。在学习模式下，拆装的流程需遵循设备既定的拆装顺序，不允许任意拆卸/装配，系统界面会显示操作步骤提示和上一步操作的正误情况；在拆装的过程中，系统界面会显示操作步骤列表，学生可按照该列表进行流程操作，每完成一步，系统会判断正误情况，并显示在列表中；在学习模式下，系统也会对下一步操作的对象进行提示；同时，学生也可查阅实验的操作步骤，或者开启自动拆装进行学习；辅助功能在学习模式下，系统默认为开启状态，也可由学生根据自身情况进行关闭/开启；在操作过程中可能会有操作错误的情况发生，系统提供返回上一步的功能，但是在学习模式下，只记录第一次操作的正误情况，不更新返回操作的正误情况，让学生可以明确回顾自己在学习过程中不熟练或者有错误的地方，并对此进行反复操作练习，加深印象；碰撞操作主要作用于两个方面，一是工具与零部件的拆装操作，学生在使用工具进行拆卸操作时，在三维空间中需与零部件产生包围盒碰撞才能触发零部件空间位置的改变；二是拆装过程中零部件之间的碰撞检测功能将使零部件之间产生真实的物理碰撞，从而避免穿插的发生，同时也有空间定位的作用。在三维空间中，当学生对零部件进行操作时，在零部件到达存放位置或装配位置时，约束功能将保证零部件自动捕捉空间坐标位置；当该设备的拆装学习完成后，系统会将操作记录自动存储到数据库中，学生可通过个人中心进行查询；考核模式与学习模式类似，但是在整个操作过程中，系统不会给予任何提示，系统后台记录每个步骤最后一个操作的正误情况，并在操作结束后给予评分表。
3.2.3模块3：农业装备虚拟动态仿真与操作训练。进入模块3，首先选择动态仿真、操作训练两种模式；动态仿真模式下，首先先进行动态仿真农业装备的选择，设备主要包含犁、播种机、旋耕机、收获机、植保无人机等，这些设备及相应的功能也是具有模块化和松耦合化的特性，后续可作扩展添加；选择设备后，系统会自动载入一个设备仓库，并在仓库中停放着所选设备；点击外观查看，设备会自动悬浮于仓库中，学生可使用鼠标控制，对设备进行360°查看，放大缩小查看，点击标签按钮，可显示外观结构重点标签及说明。点击结构查看，设备会呈现爆炸状态，学生可使用鼠标控制，对设备爆炸结构进行360°查看，放大缩小查看，点击标签按钮，可显示爆炸结构重点标签及说明；点击运行按钮，会显示设备运行状态的动态模拟；点击重点部件，设备外壳透明化，进行内部重点部件工作原理展示，学生可选择随时停止播放工作原理，也可重复观看多次。在实操场景中实现学生训练情况记录，并且可以在训练结束时全程回放，回放时可任意角度的查看操作过程中出现错误的地方，方便学生全面观察自己的操作情况，提高操作水平和训练效率。模拟考核时，通过三维场景设置，按照联合收割机/拖拉机驾驶员考核大纲规定，依据《拖拉机、联合收割机科目考试评判表》评判标准，实现模拟考核功能。该功能严格按照驾驶员考核大纲的要求，设定各考核点知识说明，模拟考核场地，真实再现考核科目，评判严谨公正，客观验证联合收割机驾驶员操作驾驶技术水平，以此激励学生端正学习态度，提高考核优秀率。
3.2.4模块4：农业装备关键部件虚拟测绘。学生选择考核模式后，就会看到界面上有当前所需考核的设备零部件，零部件主要包括犁曲面、旋耕刀轴及刀片、移栽机鸭嘴（或栽插器）、收割机割台、滚筒、拖拉机悬挂系统、播种器等，具体的考核内容由教师端进行设置；首先进行部件测量，进入部件场景，部件摆放在仓库中，考核模式下，学生根据自己掌握的知识内容，自由选择工具和测量点对部件进行测量，系统不进行任何提示；然后进行工具选择和操作，学生先对测量工具进行选择，然后选择部件的测量点，选择测量点后，镜头会自动切换到适合测量的位置，学生用所选工具进行测量；需要对视角进行调整，由于测量对于视角控制的要求较高，所以系统可切换2D/3D现实，在2D视图下，用户可选择只看物体的顶/侧/底/正面，便于学生考核时的精准定位；同样的，在测量过程可使用鼠标键盘的配合操作，调整一个较为合适的视角进行操作。
机械仿真设计范文第3篇
关健词：科技创新训练；智能小车；Proe建模；教学效果
一、科技创新训练选修课目前教学方法存在的问题
1.传统的教学方法影响课堂教学效果
科技创新训练智能小车的设计与制作，是机电综合的一个训练项目。小车机械主体结构有车体、前轮转向机构（四杆机构）、后轮驱动机构、齿轮机构（差速器）等机构和传动系统，以及轴承、轴、弹簧、卡簧、车轮等标准件和通用零部件。在项目设计与制作中要研究相应机构和机械零件的工作原理、结构特点、基本设计原理和计算方法。课前学生往往对机械设计、机械设备、机械加工等相关知识知之甚少，甚至不知，尤其是对四杆机构和差速器部分既没有理性认识也没有感性认识。
以前的教学方法是采用成品小车模型和PPT讲解，PPT也只是cad二维图和图片展示，缺乏直观性。教师无法在课堂上进行演示，也不能随意进行反转、拆卸、让学生观察内部结构及装配关系，更不能充分展示动态变化过程。这样，给上课带来诸多不便，直接影响教学效果。
2.学生的学习兴趣不高
科技创新智能小车设计与制作机械知识内容较多，而大二的学生刚接触机械专业知识，有的经过了金工实习训练，有的还没有经过这一过程，因此，对于这些学生既缺少理论知识又缺乏实践经验，对实际制作中的一些零件及机构都很陌生，训练中学生对部分较难的内容不能很好理解，难以掌握。对于大一的学生来说，就更是难上加难了，学生们对这些机构、零件有些连听说都没有听说过。因而有的学生学习积极性受到挫伤，感觉到很难完成，有的甚至放弃。
二、proe辅助教学的重要性
为了克服以往教学中的不足，提高教学效果，教学部组织教师多次在学生中进行了调查，结果显示学生对一些机械工艺基础知识只是简单的记忆，没有真正理解，比如平面四杆机构，由于学生空间想象能力不足和缺乏工程实践经验，面对二维的图纸学生无法想象出各种机构的运行方式，似懂非懂，遇到具体问题不会分析，还有的同学甚至不明白齿轮是如何传动的。为此，我们结合学校教学改革立项，从教学方法、教学手段方面进行了探索，提出了应用proe软件进行机构仿真辅助教学。我们将智能小车的机构、零件用proe软件做成模型并进行仿真。
这种教学方法具有很大的优点。首先，教师在proe环境中可以随意装拆、放大，有利于加深学生对小车整体空间结构及组成的理解，同时可根据实际情况随意旋转、改变对模型的观察方向，其真实感完全与成品中的零件一样，最为重要的是proe软件能进行机构仿真，可以把各种复杂的机构通过形象、生动、逼真的动画演示，以三维的形式直接展示给学生，克服了采用PPT教学中平面图形的不足，从而使学生建立起良好的感性认识。
其次，proe设计过程可以实现真正的相关比，任何修改都会自动反映到所有的相关对象；比如在讲四连杆机构时，利用模型仿真不仅可以验证所设计的机构是否满足要求，同时还可以改变相应的参数改变不同长度的连杆进行装配，来观察克服摇杆死点问题，让学生参与设计并对设计结果进行现场演示加以验证，改变了以往单纯的教学方式，在课堂上真正实现教学的互动，既激发了学生的学习兴趣又加深了印象。基于proe软件的辅助教学，通过模拟、仿真、动画技术的应用，不仅可以使一些在普通条件下无法实现或无法观察的过程生动地显示出来，还能增强学生对抽象事物的理解，拓宽学生的知识面，同时也使教学过程更为生动，课堂气氛活跃，从而提高学生的学习兴趣。
三、教学实践经验与启示
针对proe软件的辅助教学方法，我们在2010-2011第二学期科技创新训练选修课教学实践中进行了尝试和验证，并得到了一些经验和启示:
1.教学方法与手段改革是提高教学质量的关键，通过现代化技术手段的应用，可以提高课堂的信息量和教学效率，应用Proe软件进行机构虚拟装配和运动仿真演示，提高了教学的直观性，有利于在教学中采用启发式教学发挥学生在教学中的主体作用，智能小车成品完成率较高。
2.学生对机械设计与机械加工的过程有了更完整更全面的了解，同时把学到的知识与生产实际结合起来，大大激发了学生的求知欲，从成品完成质量上看，达到了预期的教学目的和教学效果。
3.基于Proe软件辅助教学方法有别与以往的教学方法，在科技创新训练课堂教学中加人了虚拟的机构动画，对于一般从没接触过工程实践的学生来说，可大大增强对各种常用机构和机械零件的感性认识，对于学生快速掌握各种常用机构和通用零件的工作原理、结构特点具有非常重要的促进作用。
四、结论
通过分析科技创新训练课程传统教学方法的不足，并结合科技创新训练课程的特点，在教学中应用Proe软件进行机构仿真辅助教学，教学实践证明，该教学方法、教学手段改革的举措，可以激发学生的观察力和想象力，提高学生学习的趣味性；减轻了教师教学工作强度，提高了教学效率，保证了教学质量，达到了教学预期的效果。
【参考文献】
机械仿真设计范文第4篇
关键词:仿真;虚拟样机;计算机辅助设计
以信息技术、计算机技术、系统理论、通信技术为基础的系统仿真技术得到了前所未有的发展。特别的是,系统仿真技术在机械设备制造领域也得到了广泛的应用。比如世界上的许多大飞机制造公司(如美国波音、洛克希德?马丁、法国空中客车等公司)和大汽车制造公司(如通用、福特、戴姆勒-奔驰、丰田、宝马、大众等公司)都在产品的开发设计、实验分析、制造和管理的各个阶段大量地、充分地使用仿真技术,不仅大大地缩短了产品的开发周期,极大地减少了人力。
一、机械设备制造仿真技术概论
仿真技术的迅猛发展,为机械产品的设计开发、性能分析与制造提供了强有力的利研手段,逐渐形成了专业的机械系统仿真技术。主要的仿真技术包括cAD三维建模、结构有限元分析、多体系统动力学分析、优化设计。应用它们可以解决从零件到装配件的结构刚强度和产品的各项性能要求等问题,这些技术作为机械系统仿真技术中的几个最为关键的部分,相互渗透,相互关联,大有一体化和集成化趋势。
二、设备仿真技术发展
(一)加工设备布局仿真
设备布局是构造一个有效车间系统最为重要的环节,相同车间地址、相同的人员、相同的技术和设备,仅仅由于布置方式的不同,生产系统的功能可产生天壤之别。高效率的设备布局作为提高企业生产效率和效益的手段之～,越来越受到人们的重视。在工业发达国家,除了降低原材料和能源消耗外,已把改进物料搬运、改善工厂中的物流组织看作是减少和节省开支以获取利润的重要方面。现代生产管理理论减少企业内部生产物流的具体途径可以概括为以下三点:
一是通过最优的工厂布局,建立顺畅的物流线路,或者采用加工中心,实现工序集中,减少运输次数,缩短物流距离;二是成组搬运,直接减少搬运次数;三是确定最优的运输路线和运输速度,建立连续短捷的运输路线,减少运输的停顿、路线交叉和倒流现象。
(二)多学科优化理论在仿真中的应用
机械设计技术及设计方法学的研究大都开始于工程应用问题的研究,再随着研究工作的进展逐步上升为独立的理论,然后反馈应用于产品设计的实践。多学科设计优化理
论的研究也遵循了同样的规律。在航空航天领域发展起来的MDO技术是当前国际上一个最活跃的研究课题。MDO问题涉及到的变量数目较多,学科之间的信息交换极为复杂,直接搜索目标函数和约束值的计算量令人难以忍受,某些学科分析会产生一些无法预计的失真,难以采用效率较高的梯度算法进行设计空间搜索,影响处理速度。因此,优化过程中一般不将设计空间搜索程序与多学科分析直接祸合起来,而是对目标函数和约束给予近似的表达,将直接搜索和这些易于计算的近似表达祸合起来,得到近似问题的最优解后,通过最优解处的重分析来修正改进近似模型,避免频繁的多学科全分析。
(三)基于虚拟样机的机械仿真
在机械设计领域,虚拟样机技术作为一种崭新的产品开发方法,更是一种十分重要的综合仿真式开发手段。机械系统虚拟样机是基于虚拟样机的机械系统仿真技术,是指在制造的一台物理样机生产出来之前,利用计算机技术建立该机械系统f产品)的三维数字化模型(即虚拟样机);对其进行静力学、运动学和动力学分析,较好地仿真该机械系统的运动过程,以预测机械系统的整体性能。该技术以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心加上成熟的三维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术,将分散的零部件设计和分析技术集成在一起,提供一个全新的研发机械产品的设计方法。它通过设计中的反馈信息不断的指导设计,保证产品寻优过程的顺利进行。
三、sOILDwROK建模导入ADAMS
ADAMS软件具有强大的动力学解算器,但其实体建模功能相对比较薄弱。对于比较复杂的零部件,如用ADAMS建模模块进行三维实体建模,不能保证模型的尺寸精度和装配的位置精度。应用SoildWorks软件对设备进行整机建模,按工程图纸将其变为一个数字样机,然后将其转换并导入到ADAMS坏境中使用。由于SoildWorks和ADAMS是两个完全不同的系统,所以各自的数据都难以被对方识别。要将SoildWorks中创建的三维实体模型导入到ADAMS环境中,必须两种软件具备某一相同的几何数据转换模块,先将SoildW01.ks的数据转换成中性(不依赖于SoildWoI_ks系统),然后将中性数据通过几何数据转换模块转换成AI)AMS数据。
(一)虚拟设备的装配
经上面步骤零部件导入AI)AMS后,各构件之间还只是毫无联系地独立存在于ADAMS中。这种状态下即使全部零部件都己导入,也不能构成一台具有现实意义的虚拟样机。这就如一堆拆散的零件摆在地上不能构成一整的机器。下面的工作就是要将这些分散的零部件"装配"成一整的机械,并赋予一定的工作环境,使其能够模拟现实的工况工作。
(二)仿真实验
所谓仿真就是在模型上进行实验,它是将被研究的对象及其特征抽象成模型,通过对模型的实验操作及实验结果的分析,探讨和推断对象本身所具有的性质及其运动变化规律。
四、结束语
机械设备制造中的仿真技术,其本质也是一种计算机辅助设计。但是与以往技术相比,它更形象、更先进。需要看到的是,与发达国家我们的路还很漫长,只有迎头赶上才能满足国家经济发展的要求。
参考文献:
[1]殷国富.杨随先计算机辅助设计与制造技术原理及应用[M].成都:四川大学出版社.
[2]刘德贵.动力学系统数字仿真算法[M].北京:科学出版社,2000.
机械仿真设计范文第5篇
关键词：仿真 隧道衬砌台车 3Dmax 工程机械
中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)01-0115-02
1、引言
衬砌模板台车（简称台车）是浇筑隧洞二次衬砌混凝土的施工设备，配合其它辅助机械，可大量降低劳动力，提高隧洞二衬施工的机械化效率，提升施工进度，具有投入成本低、结构可靠、操作方便、隧洞成型面好等优点，因此，在公路、铁路、水利水电及市政、国防军工等工程施工中广泛应用。而在衬砌台车设计工作中，因台车种类多、设计时间短，用以往的二维绘图软件，设计结果总不尽人意，而且很不直观，容易出错，同时在传统的安装说明也很难表达安装步骤与各部分的安装方法。本文对衬砌台车的设计、安装进行三维可视化，并针对工作过程的协调性问题进行衬砌过程的仿真，有利于对产品进行直观的技术说明，并对技术人员的专业培训提供条件。这也是衬砌台车设计工作中有待解决的问题。
2、隧道衬砌台车的结构
衬砌台车是隧道施工过程中二次衬砌不可或缺的非标产品，主要有简易衬砌台车、全液压自动行走衬砌台车如图(图1)和网架式衬砌台车(图2)。全液压衬砌台车又可分为边顶拱式、全圆针梁式、底模针梁式、全圆穿行式等。全圆式衬砌台车常用于水工隧道施工中，不允许隧道有砼施工纵向接缝，在水工隧道跨度较大时一般使用全圆穿行式，边顶拱式衬砌台车应用最为普遍，常用于公路、铁路隧道及地下洞室的砼二次衬砌施工。
本文设计一全液压自动行走衬砌台车。台车是靠自身具有的支撑体系、模板体系，同时又具有走行系统，形成既能快速移动又能快速支撑和拆除的一整套模板系统。台车由行走机构、台车架、钢模板、模板垂直升降和侧向伸缩机构、液压系统、电气控制系统6部分组成。
具体结构如图3所示。
3、衬砌台车的设计
衬砌台车是按衬砌断面图和技术要求来设计的。钢模板衬砌台车外轮廓与隧道衬砌理论内轮廓面一致，通过封堵模板两端的开挖仓面，与已开挖面形成封闭的环形仓，然后浇注混凝土而实现隧道的衬砌施工。台车动力为电机驱动，轨行式行走系统；模板动作方式为液压缸活塞运动方式，完成立收模及模板中心偏差的调整等动作；台车立模后，需要通过丝杠把模板与架体连成整体，以承受混凝土浇注过程中荷载。
3.1 就位
台车试车合格后，在确保台车上下、左右无障碍物的情况下，启动行走电机，操作台车前行至待衬砌里程，前后反复动作几次，使台车结构放松，停在正确衬砌位置，关闭行走电机，并在行走轮处打好木楔或使用阻车器，防止溜车或衬砌中骨架受偏力产生位移，引起跑、爆模。旋紧底梁下的螺旋支腿，应确保底板落在坚实的基础上。
3.2 浇注
(1)浇注起始，应从距离基础上约1.5~2m处的作业窗开始浇注，并注意倒换浇注位置，防止局部受力过大引起变形、甚至跑模。严禁由拱顶的浇注口直接浇注。(2)浇注混凝土的速度严禁大于6~7m3/h。(3)当浇注至拱肩处时，应设专人在拱部端头处观察排气口，以防灌满后过度泵送压坏模型板。(5)浇注过程中，采用捣固棒捣固即可，若需在模型板内侧安装使用平板式振荡器，应事先增加辅助支撑。
3.3 行走
钢模板台车脱模之后先收起门架下面的支撑千斤顶，然后旋紧顶部台架支撑千斤顶和模板限位装置，启动行走电机即可行走。
4、隧道衬砌台车协调动作仿真设计
4.1 3D模型的建立
利用3DMAX建立零部件的三维模型，大部分模型可直接通过几何体完成，部分零件模型例如挡板需通过可编辑几何体形式建立，由于模型面数过多会减慢渲染速度，所经需建高级建模以有效的减少模型面数，有利于后期动画制作，如图4所示。最后在MAX中将所有零部件进行组装，建立台车模型。
4.2 模型导入与组装
将建立好的各个零件图，进行组装，如图5所示。读取INode的材质的时候，如果存在多个SubMaterial，可以通过Mtl的接口NumSubMtls获得子材质数量，然后通过GetSubMtl接口获得每个材质（参数为从0开始的下标）。一个INode节点中的所有三角形面可能应用了不同的材质，因此必须将这些三角形面按照应用的材质索引分类存储。无论是通过Mesh的接口getFaceMtlIndex，还是通过Face的getMatID接口，都可以获得指定三角形面。
4.3 3DMAX路径动画的制作
利用目标摄影机结合LINE线命令制作路劲动画，利用MAX手动关键点功能调节制作零部件客观运作动画。具体的制作过程如下：
(1)进行运动形式的策划，在所有操作之前第一步我首先思考了运动的一个过程和方式。
(2)通过手动关键点设置动画流程：如图7所示，通过3DMAX动画制作区域手动关键点功能，制作挤压机零部件在每个帧时间段的运动轨迹以及运动时间。
(3)设置播放速度：考虑到动画播放时长必须增加关键点的个数，3DMAX默认关键点个数为100，通过点击 时间设置 按键进入时间设置界面，将动画一栏长度参数由100修改为800其他参数不变，如图7所示。在设置窗口中“帧速率”是设置时间长短的关键默认采用的是NTSC模式，在此模式下每30帧将耗时1秒。而“播放”一栏所控制得是动画播放的速度，默认为1X也就是输出后的正常播放速度。
(4)确定关键之位置：设计动画演示流程之后，用手动关键点的形式确定关键点的位置，根据要求可以适当增加关键点的数目。如果编辑复杂程度较大，可以增加关键点数目到1200。
(5)绘制漫游路径：在MAX中利用LINE线条命令绘制视角漫游路线。在绘制完毕后会发现线条拐点处太过于尖锐会造成视角动画部够流畅，所以要对绘制的直线路径进行圆滑处理。为了能更多方位的观察挤压机运行过程以及机构特点，在3DMAX中运用目标摄像机制作视角移动效果，制作过程包括设定摄像机，利用LINE线命令绘制漫游路线，将目标设想机绑定在线路上，同样的设置时间参数，完成视角漫游动画的制作。
(6)目标摄影机的设定：目标摄影机的设定是非常重要的，在动画中它就相当于我们的眼睛，所以它的位置，视角范围都要进行严格的设置从而达到一个最完美的视角效果。最后将设定好的目标摄影机绑定在线条路径上完成路径动画的制作，目标摄影机的设定如图8所示，其摄影追踪效果如图9所示。
(7)演示成品渲染输出:用3D自带动画演示确定动画无误后，调节渲染参数最后输出动画，如图10、图11所示。
5、结语
本文根据隧道衬砌台车结构特点，对全液压自动行走衬砌台车工作流程进行了3D仿真，这不仅在设计开发阶段可以进行机器的优化设计，还可以对操作工人进行安排的调试的培训，通过虚拟程序就可深刻的了解机器的操作与运行。3DMAX高质量的衬砌台车运行动画使仿真效果更加清晰，可以对产品的起到宣传和市场竞争力的作用。
参考文献
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[5]成显珠.《自行式液压隧道衬砌台车》[M].山西机械.1997:112-165.
[6]王克伟.《3DS max7 三维动画特效精髓》[M].北京:兵器工业出版社,2005.
作者简介
卢桂萍（1976.4-），女，硕士研究生，工程师，研究方向：虚拟现实与网络化制造；
孙在辉（1973.8- ），男，工程师，研究方向：机械工程及自动化。
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