1机械系统的三维建模
在机械系统设计的过程中，想要实现虚拟样机，就需要建立机械系统的三维实体模型。就目前来看，机械系统的三维建模主要需要解决两方面的问题，即外形复杂的零件的建模和系统复杂约束关系的建立。而利用CAD软件，则可以有效解决这些问题。就现阶段而言，相对于二维CAD，市面上主流的三维CAD软件可以更好的将产品的技术和生产管理信息表达出来。所以，在完成机械系统的建模时，可以使用三维CAD软件。设计者在利用CAD软件建立机械系统各零部件的模型时，可以利用变量化设计和实体造型技术。在模型建立后，还需要利用约束副将各个零件的模型连接起来，以便完成物体相对运动的定义。而在进行约束副的添加时，则需要保证模型与实际情况向符合。具体来讲，就是模型的结构细节、材质和密度等各部分内容都需要与实际产品一致，从而确保建模的准确性[1]。在大多数CAD软件中，都包含运动/运动学插件功能。而利用这一功能，则可以将装配关系映射到约束关系上，继而完成机械运动的模拟。此外，完成系统的装配后，还需要将模型导入到分析软件中。而经过分析，则需要为模型添加驱动力，并使模型按照固定的运动规律运动。
2机械系统的有限元分析
所谓的有限元法，其实是一种用来分析结构件的结构强度和动态特性的现代设计方法。在机械设计中，有限元法得到了广泛的使用。因为，该方法具有一定的通用性，可以在较为随意的力学问题中得到应用。作为较为可靠的计算方法，利用有限元法可以求解机械结构形状和边界条件。所以，对于虚拟样机来讲，有限元法是不可或缺的一种工具。
3机械系统的动力学仿真和静力学计算
在完成机械系统建模后，可以采用动力学仿真的方法替代物理样机实验试验。具体来讲，就是在计算机环境下实现物理样机动作实验和数据采集。而在这一过程中，三维模型和驱动参数与实际产品的接近程度，将直接决定仿真的准确性。而应用动力学仿真的方法，就是为完成驱动系统功率、输出扭矩的计算，并做好传动系统的选型。此外，利用这一方法，还可以完成驱动控制系统的设计，并对结构的强度和部件的运动惯性力进行计算和校核[2]。在建立仿真模型时，需要利用ADAMS完成系统的动力学计算。而经过对系统各部件的惯量和重心的设计过程进行校验，则可以确保产品的一致性。在机械设计中，静力学计算与动力学仿真往往会一起得到应用。因为，利用动力学分析得到的机械系统各部件的受力数据，可以用来当做是静力学计算的可施加荷载。而利用静力学计算，可以完成对机械系统的复杂结构的分析，以便提升系统计算的精确性。同时，在强度校验和结构优化方面，静力学计算也可以提供相应的分析依据，继而完成对无法实测的物理样机的分析。就目前来看，可以利用静力学计算完成对机械系统各部分零件的应力分布的计算，同时也可以计算部件的受力变形和结构的稳定性。而静力学计算的精度，则主要取决于计算模型的前期处理、边界条件的定义和材料属性的设定。所以，在建立静力学计算模型时，需要从软件计算的角度分析。具体来讲，就是使模型得到合理的简化，并使模型的求解更加准确和高效[3]。在计算机械系统的各部件时，需要掌握部件的各连接点的受力情况。而在完成系统整体的计算时，则只需要考虑系统的整体惯性力，而不需要分析各部件之间的受力情况。
4机械系统和控制系统的联合设计
在过去的一段时间里，设计者常常要分别完成机械系统和控制系统的设计和测试。而由于两个系统之间彼此独立，所以在二者联合后将难以获得预期的设计效果。就目前来看，可以采用机构控制一体化虚拟样机技术完成控制系统和机械系统的联合设计，以便获得更好的设计效果。从设计思路角度来看，联合仿真设计就是利用运动/动力学仿真软件建立与机械系统设计相应的控制目标的三维实体模型、动力学模型和动画。而在此基础上，则需要获得相应的控制算法和电机模型。就现阶段而言，可以利用控制系统仿真软件建立这样的算法和模型。而在运动/动力学仿真软件接收到来自于控制系统仿真软件的控制指令时，则需要反馈给前者各种物理量，既来自于虚拟位置传感器的实时数据[4]。所以，设计者通过建立闭环控制系统和机械运动仿真解决方案，就可以解决系统的联合设计问题。
5机械设计的优化分析
在机械设计中，设计者在完成基本的设计工作后，往往还需要采用一定的方法来完成设计的优化。就目前来看，常见的机械设计优化问题即为目标函数的最大值求取问题。在设计条件和控制变量的变化范围得以满足的情况下，设计者可以通过分析函数和选择设计变量来完成机械设计的优化。而利用计算机的强大计算功能，以改变设计变量迭代求解的方法完成机械设计的仿真，则可以完成目标函数的最优值的求取。具体来讲，就是在每次仿真中只改变模型的一个设计变量。而通过观察仿真的结果，则可以得出设定物理量的最优解。
6结论
总而言之，基于虚拟样机的机械设计方法的应用，可以帮助设计人员在短时间内设计出性能优异的产品。利用该方法，设计者可以在虚拟环境中直观形象的完成产品的设计优化和性能测试。而参考虚拟环境给出的计算结果，设计者就可以利用自身的设计经验完成机械系统的设计，继而有效提高系统的设计质量，并减少系统的设计错误。
作者：丁新民 单位：内蒙古工业大学
