淺談在機(jī)械工程計(jì)算當(dāng)中計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用

張穎

摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也日趨廣泛，在機(jī)械工程計(jì)算當(dāng)中計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用就包括CAD技術(shù)、CAE技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以及CAM技術(shù)。因此本文對機(jī)械工程計(jì)算當(dāng)中計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行淺談。

關(guān)鍵詞：機(jī)械工程計(jì)算計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用

1、機(jī)械工程計(jì)算中CAD技術(shù)的應(yīng)用

CAD，即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)是指在計(jì)算機(jī)硬件和軟件的支撐下，通過對機(jī)械工程產(chǎn)品進(jìn)行描述、造型、系統(tǒng)分析、優(yōu)化、仿真和圖形化處理的研究與應(yīng)用，使計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)人員完成產(chǎn)品全部設(shè)計(jì)過程的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)。

CAD中設(shè)計(jì)者與計(jì)算機(jī)密切合作，在決定設(shè)計(jì)策略、信息處理、修改設(shè)計(jì)以及分析計(jì)算方面充分發(fā)揮著各自不同的專長。利用計(jì)算機(jī)存儲信息、檢索、分析計(jì)算、圖形與文字處理以及其他重復(fù)的驗(yàn)算工作。當(dāng)前CAD系統(tǒng)的硬件環(huán)境主要是工程工作站及個人計(jì)算機(jī)。工作站是具有高速的科學(xué)計(jì)算、豐富的圖形處理及靈活的窗口與網(wǎng)絡(luò)管理功能的交互式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它一般具有32位或64位字長的中央處理器(CPU)，廣泛采用精簡指令(RISC)，超標(biāo)量、超流水線及超長指令技術(shù)，具有Unix操作系統(tǒng)和X窗口管理系統(tǒng)，在一個分布式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下運(yùn)行。

在機(jī)械工程計(jì)算中利用CAD技術(shù)進(jìn)行二維繪圖、圖形及符號庫、參數(shù)化設(shè)計(jì)、三維造型等，通過CAD進(jìn)行二維繪圖以及三維造型，在許多具有實(shí)體建模功能的CAD軟件中，都有一些基本體系，例如在CAD的三維實(shí)體造型模塊中，系統(tǒng)提供了六種基本體系，然后再經(jīng)過結(jié)構(gòu)分析，分解成若干個基本體并最終進(jìn)行三維實(shí)體造型。

2、機(jī)械工程計(jì)算中CAE技術(shù)的應(yīng)用

CAE，即計(jì)算機(jī)輔助工程作為一種綜合應(yīng)用計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、信息科學(xué)等相關(guān)的綜合工程技術(shù)機(jī)械工程計(jì)算中CAE技術(shù)的應(yīng)用是指使用有限元軟件對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，強(qiáng)度應(yīng)力、剛度應(yīng)變和變形、動態(tài)特性固有頻率、振動模態(tài)、熱態(tài)特性溫度場、熱變形。在CAE分析的一般流程及其技術(shù)應(yīng)用特帶你的基礎(chǔ)上，研究幾何模型的建立、有限元模型的建立包括網(wǎng)絡(luò)劃分、整機(jī)系統(tǒng)的分解與合成、邊界及載荷處理等、求解、結(jié)果數(shù)據(jù)分析等系統(tǒng)CAE的應(yīng)用技術(shù)。

計(jì)算機(jī)輔助工程的特點(diǎn)是以機(jī)械工程和科學(xué)問題為背景，建立甲酸模型并進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。一方面，在機(jī)械工程計(jì)算中CAE技術(shù)的應(yīng)用，使以往許多由于受條件限制無法分析的復(fù)雜問題，通過計(jì)算機(jī)模擬得到滿意的解答；另一方面，計(jì)算機(jī)輔助分析使大量的復(fù)雜的機(jī)械工程計(jì)算分析簡單化，使復(fù)雜的過程層次化，節(jié)省了大量的時間，避免了低水平重復(fù)的工作，是工程分析更快、更準(zhǔn)確。在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析、新產(chǎn)品的開發(fā)等方面發(fā)揮了重要的作用，同時CAE這一新興的數(shù)值模擬分析技術(shù)在機(jī)械工程計(jì)算中的應(yīng)用越來越廣泛，技術(shù)的發(fā)展又推動了許多相關(guān)的基礎(chǔ)學(xué)科和應(yīng)用科學(xué)的進(jìn)步。在機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)中由概念設(shè)計(jì)、初步設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)到試驗(yàn)，再修正設(shè)計(jì)，再試驗(yàn)，知道滿足產(chǎn)品要求，CAE仿真分析技術(shù)的引入，最大限度的較少或者縮短了材料的浪費(fèi)以及耗時環(huán)節(jié)。一個多參數(shù)的工藝或者制造過程的仿真模擬、力能計(jì)算和參數(shù)優(yōu)化中，也可以得到對象局部、相互關(guān)系和全域的結(jié)果。

3、機(jī)械工程計(jì)算中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)又稱虛擬樣機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)人員在計(jì)算機(jī)上建立樣機(jī)模型，對模型進(jìn)行各種動態(tài)性能分析，然后改進(jìn)樣機(jī)設(shè)計(jì)方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物樣機(jī)實(shí)驗(yàn)的一種新型技術(shù)。在機(jī)械工程計(jì)算中通過建立真實(shí)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，分析實(shí)際系統(tǒng)的行為特征。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的關(guān)鍵因素在于建立真實(shí)的系統(tǒng)計(jì)算機(jī)模型，包括數(shù)學(xué)模型和仿真模型，而且具有經(jīng)濟(jì)、可靠、使用、安全、靈活以及可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)，目前在機(jī)械工程計(jì)算中已經(jīng)成為許多復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行分析、設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)等的必不可少的手段。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種物理設(shè)施為設(shè)備工具，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際的或者設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)仿真研究。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)必須具備CAD圖形學(xué)、幾何造型技術(shù)、工程數(shù)據(jù)處理技術(shù)以及計(jì)算力學(xué)等知識。在機(jī)械工程設(shè)計(jì)的初始階段，工程師需要利用設(shè)計(jì)自動化工具進(jìn)行不同的初始設(shè)計(jì)，并在計(jì)算機(jī)上表示出模型樣機(jī)，這樣可以方便監(jiān)測、研究與改進(jìn)。在這個階段主要是建立初始的模型樣機(jī)?？梢圆捎酶鞣NCAD軟件，利用ADAMS/EXCHANGE轉(zhuǎn)化，輸入到ADAMS軟件中，也可以直接利用ADAMS本身的建模工具。

4、機(jī)械工程計(jì)算中CAM技術(shù)的應(yīng)用

CAM，即計(jì)算機(jī)輔助工程分析是指一系列對機(jī)械工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行各種模擬、仿真、分析和優(yōu)化技術(shù)，是一種利用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)等問題的近似數(shù)值分析方法。CAE技術(shù)主要包括有限元分析、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析、流體力學(xué)分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)分析等內(nèi)容。利用計(jì)算機(jī)輔助編制CNC機(jī)床的零件加工程序。

CAM技術(shù)在機(jī)械工程中的主要作用是數(shù)控加工，它與CAD技術(shù)相互作用，是密不可分的一個整體，許多CAD系統(tǒng)都有輔助的CAM數(shù)控加工模塊，用CAD生成的圖形信息或者數(shù)據(jù)，然后通過轉(zhuǎn)換變成控制指令，然后設(shè)置加工參數(shù)等，由此可見CAD/CAM技術(shù)是現(xiàn)代機(jī)械工程發(fā)展的必然趨勢。

5、結(jié)語

綜上所述，伴隨著我國科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化水平的不斷提高，計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械工程計(jì)算當(dāng)中應(yīng)用也越來越普及，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械工程的動力學(xué)模型，然后進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析，獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)力、剛度應(yīng)變和變形、動態(tài)特性固有頻率、振動模態(tài)、熱態(tài)特性溫度場、熱變形等參數(shù)，根據(jù)計(jì)算分析得到容易導(dǎo)致機(jī)械出現(xiàn)疲勞失效的風(fēng)險以及其它潛在問題。在機(jī)械工程計(jì)算當(dāng)中利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，提出一些具有針對性的優(yōu)化方案，為機(jī)械工程設(shè)計(jì)的改進(jìn)提供了方向，并且有效地縮減了機(jī)械工程等關(guān)鍵部位的的開發(fā)周期與制造成本，大大提升了設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

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