淺談仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造過程中的應(yīng)用

楊宇哲

摘 要：計算機仿真技術(shù)是借助計算機及其相關(guān)軟件，問題的分析和解決是通過虛擬試驗的方法達到的，是一門結(jié)合了多種學(xué)科和理論的綜合性技術(shù)。早期的計算機仿真又被稱作蒙特卡羅方法，是一門用隨機數(shù)通過實驗求解隨機問題的方法。伴隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機仿真主要經(jīng)歷了三個比較大的階段，即模擬機仿真、模擬-數(shù)字混合機仿真和數(shù)字機仿真。如今，計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，例如在機械裝備加工制造、物流運輸、航空宇航、大型船舶制造、工程管理以及醫(yī)療保健等等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)；機械設(shè)計；應(yīng)用

1 計算機仿真技術(shù)在機械制造行業(yè)的重要作用

計算機仿真也被稱作虛擬樣機技術(shù)，設(shè)計人員利用特定軟件在計算機上建立模型，通過各種動態(tài)性能參數(shù)分析來優(yōu)化樣機方案，不需要大量制造實物樣機，從而用數(shù)字化新型技術(shù)取代了傳統(tǒng)的實驗方法，并且具有節(jié)約資金、安全可靠、方便靈活以及可重復(fù)使用等優(yōu)點。如今在機械工程計算中，為了解決許多復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計、分析和實驗等諸多難題，都需要在計算機中建立真實系統(tǒng)的仿真模型，來分析實際系統(tǒng)的活動特征。在研發(fā)設(shè)計的初始階段，設(shè)計人員只需用工具軟件做不同的初始設(shè)計并建立起虛擬樣機，就可以對現(xiàn)實的或者假設(shè)的系統(tǒng)進行仿真研究和試驗了，監(jiān)測和改進系統(tǒng)也很便利。仿真技術(shù)的引入不僅極大地提高了機械設(shè)備研究設(shè)計的質(zhì)量，而且大幅減少了零部件的開發(fā)周期和降低了制造的成本。

2 計算機仿真的實現(xiàn)

計算機仿真技術(shù)實現(xiàn)的前提是建立符合實際的電腦數(shù)學(xué)模型和仿真模型，這個過程涉及到圖形學(xué)、幾何造型學(xué)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和力學(xué)等知識的集合運用。計算機系統(tǒng)是無法直接識別和處理研究對象的，所以要產(chǎn)生一個既能被計算機接受又可以呈現(xiàn)研究客體實質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。

計算機處理這些將真實系統(tǒng)的實質(zhì)抽象出來的數(shù)學(xué)模型，并輸出這些模型的相關(guān)參數(shù)來展示真實系統(tǒng)的某些特質(zhì)，這種展示也可以是具象的（如三維立體的）。三維立體模型具有更加直觀清晰的特點，所以越來越多的被研究人員所采用。數(shù)學(xué)模型建立起來以后，計算機仿真的精度將由建模的精準程度來決定。綜上所述，要想實現(xiàn)計算機仿真大體上分為三個步驟：

2.1 模型的創(chuàng)建

針對要研究的目標或問題，首先需要抽象出一個能達到仿真目的的可靠系統(tǒng)，并且要給其加上邊界條件和約束條件。然后，運用相關(guān)學(xué)科的知識把這個系統(tǒng)通過數(shù)學(xué)表達式準確地闡述出來，闡述的內(nèi)容就是計算機仿真的核心——數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型根據(jù)時間的關(guān)系可劃分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型，而動態(tài)模型又分為連續(xù)時間、離散時間和混合時間三種；模型分為連續(xù)變量系統(tǒng)模型和離散事件系統(tǒng)模型是以系統(tǒng)的狀態(tài)描述和變化方式為依據(jù)的。

2.2 模型的變換

模型的變換就是把抽象出來的數(shù)學(xué)表達式轉(zhuǎn)換成計算機能夠處理的形式，這需要運用適當?shù)乃惴ê陀嬎銠C語言，這種形式所表達的內(nèi)容就是進行計算機仿真的關(guān)鍵——仿真模型。實現(xiàn)這個過程，既可以根據(jù)自身需要研發(fā)一個新的系統(tǒng)，也可以把當下市面上已有的仿真軟件拿來直接運用。

2.3 模型的實驗

將創(chuàng)建的仿真模型輸入電腦中，運行仿真模型會獲取一系列的仿真結(jié)果，這就是模型的仿真實驗。由于是按照先期設(shè)計的實驗方案來運行的，所以仿真實驗是一件很簡單的事情。但是，仿真的結(jié)果又應(yīng)該按照什么標準來衡量呢？這就需要具體辯析仿真結(jié)果的可靠性，檢驗仿真結(jié)果可靠性主要有兩種方法（置信通道法和仿真過程的反向驗證法）。

3 在機械設(shè)計制造行業(yè)中計算機仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用

3.1 在齒輪設(shè)計研究中的應(yīng)用

齒輪是機械裝備的主要基礎(chǔ)零部件，研究它的計算機仿真是很有意義的。如運用Visual Lisp語言可以從幾何角度研究齒輪任何端面齒形的建模和傳動仿真；圓弧針齒行星傳動的動力學(xué)研究也能運用電腦仿真技術(shù)；利用計算機仿真研究了影響正交面齒輪傳動接觸點的主要參數(shù)（包括主動齒輪與刀具齒數(shù)差、齒數(shù)比、模數(shù)等）；在齒輪泵的齒輪研發(fā)設(shè)計中也很好的應(yīng)用了計算機仿真。

3.2 在機械結(jié)構(gòu)件設(shè)計方面的應(yīng)用

機械產(chǎn)品要由大量的機構(gòu)組裝起來實現(xiàn)設(shè)定好的工藝動作，在進行新產(chǎn)品研發(fā)時，這些機構(gòu)是否能正確地實現(xiàn)所設(shè)定的動作，機構(gòu)與機構(gòu)之間的運動是否配合得當，機構(gòu)間是否存在干涉和干涉的部位，怎樣選擇各種機構(gòu)組合方案來更好地滿足設(shè)計標準，這些問題都需要借助計算機仿真來解決。大型的三維機械設(shè)計軟件都會提供一個機構(gòu)運動仿真的功能模塊，在虛擬環(huán)境中設(shè)計好的裝配體可以模擬演示機構(gòu)的運動，是一種直觀方便的工具軟件。這種軟件可以依據(jù)裝配的關(guān)系自行主動來計算機構(gòu)中的運動副，并能自動增添附加的運動發(fā)生器、鉸鏈和彈簧；要進行運動學(xué)的仿真只需要設(shè)定主運動件就可以了，還能從任何角度來觀察，軟件還能對機構(gòu)的運動干涉進行檢查，設(shè)計人員可以很方便地進行檢查驗證。

3.3 在復(fù)雜數(shù)值計算分析方面的應(yīng)用

隨著計算機技術(shù)在機械工程中的應(yīng)用越來越廣泛，以往許多由于條件限制無法進行計算分析的復(fù)雜問題，都可以通過計算機仿真得到滿意的解決；另外，計算機輔助使大量復(fù)雜的工程計算分析簡單化、層次化，節(jié)省了大量的時間，避免了低水平的重復(fù)勞動，使計算分析更快、更準確，在新產(chǎn)品研發(fā)的設(shè)計、分析等方面發(fā)揮了重要的作用。機械產(chǎn)品開發(fā)的基本過程是概念設(shè)計→初步設(shè)計→詳細設(shè)計→試驗→修正設(shè)計→再試驗，直到滿足產(chǎn)品的要求標準，仿真技術(shù)的引入最大限度的減少了材料的浪費和縮短了耗時。對機械產(chǎn)品的動力學(xué)模型進行計算機仿真技術(shù)分析，可以獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強度應(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)計算分析能得到容易導(dǎo)致機械出現(xiàn)疲勞失效的風險因素以及其它潛在的問題。

3.4 在復(fù)雜機械加工研究方面的應(yīng)用

機械加工是機械設(shè)計制造行業(yè)的生產(chǎn)基礎(chǔ)，使用計算機仿真有助于發(fā)現(xiàn)其深層次機理，為增強機械加工的性能和質(zhì)量供給了強有力的理論支持。在數(shù)控加工中，利用計算機輔助數(shù)控加工模塊編制CNC機床的零件加工程序，用生成的圖形信息或者數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換變成控制指令，然后設(shè)置加工參數(shù)等。在磨削加工方面，創(chuàng)建的數(shù)學(xué)模型描述磨削過程是以時間變化為依據(jù)的，這樣生成的計算機仿真模型能夠預(yù)先推測評估磨削的行為和質(zhì)量，為磨削加工過程的最優(yōu)化、自動化、虛擬化提供了必要的前提條件。模型建立在變進給過程磨削功率的變化量之上，通過計算機仿真能得到最佳磨削方案可用在實際磨削加工中。在銑削加工方面，建立銑切削過程的動力學(xué)模型，開發(fā)出切削振動仿真的通用軟件，就可以用數(shù)字仿真技術(shù)來探討銑削振動的機理和條件。在電火花切割方面，建立多軸聯(lián)動加工復(fù)雜曲面的計算機仿真模型，就可以對電火花加工工藝進行效果的預(yù)估、參數(shù)的最優(yōu)化。