虚拟样机技术在机械工程设计的应用

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摘要：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

虚拟样机技术的兴起为机械设计提供了新的设计理念和方法。虚拟样机技术在机械设计中的应用是指机械设计的初级阶段，设计处于初始阶段，虚拟样机的计算机创建、计算机的机械仿真结果和功能设计都是基于各种模拟实验和试验。通过虚拟样机技术可以发现设计中存在设计上的缺陷，同时对力学性能进行了改进和优化。

1虚拟样机技术概述

与传统的物理原型技术相比，虚拟样机技术具有明显的虚拟特征。在计算机和软件程序的帮助下，工程师可以有效地建立三维模型。在仿真系统的基础上，积极进行仿真实验，对机械运行的具体情况进行深入的分析和评价，以保证工程师能够进行设计。及时发现工作中的不足，采取适当措施，有效地提高和进一步优化机械设计工作的质量和效率。虚拟样机技术是利用计算机辅助设计等相关设计和绘图模型，合理地利用仿真技术完成机械设计工作的一种新型计算机技术。虚拟样机技术最突出的特点是在机械设计阶段，通过高技术应用完成开发、分析和设计任务，从而缩短了实际的开发周期和设计周期。机械设计的质量和效率可以不断地提高和降低。设计成本的目标可以实现，以进一步提高公司在市场上的竞争力。

2虚拟样机优势

虚拟样机技术实质上是一种涉及多体系统运动学、动力学建模理论及其技术实现的仿真技术。虚拟样机是一种先进的建模技术，同时也与信息管理和仿真技术互通。虚拟样机是出现在计算机上的实际产品模型，也称为数字原型。虚拟样机智能化是一种人机交互的机械设计技术，由计算机辅助工程师设计，而不是由计算机编程的产品设计分析。虚拟样机不因其虚拟性而落后于材料原型，在一定程度上具有与材料原型相似的功能，检测的真实性可信。基于机械设计知识和相关分析软件，通过分析产品的运动学、动力学、强度分析、疲劳寿命等虚拟模型，对研究的产品进行性能测试，以保证产品质量的优化。

3抽油机设计中虚拟样机技术应用

3.1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。3.2装配方面存在的问题。抽油机的横梁、游梁采用钢板切割焊接，每个板的设计都要充分将焊缝及坡口的大小和形状问题考虑其中。可以直接按照图纸模型进行装配，一定程度上确保了装配件的正确性和可使用性，也为后续的可行性打下了良好的基础。对零部件装配工艺进行管理和研究，再根据焊接后零件的结构，对部分零件的尺寸和端面形状进行了修正。在装配顺序中，先将确定部件外形的较大的零件部分添加到装配中，然后将其他零件部分按装配顺序添加到装配中，并根据外形对零件的尺寸和端面形状进行校正，确保程序正确。3.3误差方面存在的问。如果虚拟样机能够充分描述抽油机的所有属性，就可以得到量化的最优设计。但在现实中，虚拟样机技术对优化设计方法提出了更高的要求。首先，确定适合的抽油机设计课题对虚拟样机技术的优化是非常重要的，只有确定了方向，才能进行下一步骤的实现；其次，优化抽油机设计中一般情况下都会有几种或多种设计目标，能够明确将不同方面的问题进行优化；最后，对虚拟样机的优化设计，需要考虑到虚拟样机存在的误差问题，优化的结果存在误差也是必然的，所以对得到误差和计算存在问题的处理方法和处理模型进行优化，是非常必要的。3.4从实体模型到虚拟样机。装配模型是虚拟样机系统的基础，虚拟样机系统包含更多的内容。在ADAMS（机械系统动力学自动分析）系统中，将相关的数据输入虚拟样机，此时虚拟的样机系统基本完成。这时的虚拟样机是可以对系统数据进行修改的，可以增加样机运行的正确性。3.5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。

4虚拟样机技术在机械工程中未来发展路径

4.1发展为设计、分析、仿真于一体的技术。目前，抽油机设计还没有达到完美的数据交换，所以需要新的技术整合各方面、完善各方面之间的合作，从而减少操作中的烦琐步骤，让操作变得更加便利。4.2虚拟样机系统的容错性。在使用中发现，虚拟样机在机械工程设计中无论是方法方面还是工具使用方面，都会存在一定程度的误差，导致这种误差的原因有很多，例如计算时间参数设置问题、图像处理时间周期过长等，导致在虚拟环境中出现很多影响结果的因素，造成结果存在差异。在各种平台的交换中，产品数据也可以被销毁。所以面对这些问题，容错虚拟仪器系统非常必要，能够保证虚拟样机在安全的、稳定的、可靠的环境中进行机械工程设计数据的测试。

5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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[3]董晨，徐艳.浅析虚拟样机技术在农业机械设计中的应用[J].南方农机，2018，49(17):63.

[4]周鑫.基于虚拟工程设计的数控机床工业设计研究[D].西安电子科技大学，2018.

作者:王海涛 单位:大庆石油管理局有限公司装备制造分公司抽油机制造分公司