機械工程中計算機技術(shù)應(yīng)用探究
2015-04-29 00:00:00劉中
【摘 要】隨著計算機技術(shù)突飛猛進的發(fā)展，其應(yīng)用已滲透到機械工程的每一領(lǐng)域并發(fā)揮不可替代的作用。文章分別從機械工程的設(shè)計、生產(chǎn)制造、機械設(shè)備等領(lǐng)域詳細介紹了計算機在其中的應(yīng)用。
【關(guān)鍵詞】機械工程；計算機；應(yīng)用
在信息時代的今天，計算機技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)滲透到化工機械行業(yè)的每一個領(lǐng)域。計算機軟、硬件的每一個進步都極大地影響著機械行業(yè)的技術(shù)進展，尤其在機械工程的科研領(lǐng)域，計算機已占據(jù)著不可替代的重要地位，機械工程活動對計算機的依賴還會越來越顯著。因此，探究機械工程中計算機應(yīng)用具有重要的意義。
1.機械設(shè)計中的計算機技術(shù)應(yīng)用
1.1 CAD技術(shù)的應(yīng)用
計算機輔助設(shè)計（CAD）：是指工程技術(shù)人員以計算機為輔助工具來完成產(chǎn)品設(shè)計過程中的各項工作，如草圖繪制、零件設(shè)計、工裝設(shè)計、工程分析等。
①CAD的基本應(yīng)用主要包括：利用計算機輔助設(shè)計軟件繪制幾何實體造型，進行標準件庫選取調(diào)用，標注標準和規(guī)范的引用，進行零件的設(shè)計計算，將制圖工具變?yōu)樵O(shè)計工具，以及將通用的設(shè)計工具平臺轉(zhuǎn)變?yōu)閷Ｓ玫脑O(shè)計系統(tǒng)等等。
②CAD與設(shè)計方法的集成應(yīng)用包括：
基于模塊化設(shè)計方法的CAD、基于DFX設(shè)計方法的CAD、基于優(yōu)化設(shè)計方法的CAD、基于可靠性設(shè)計方法的CAD、支持自頂向下方式的CAD、智能CAD、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計CAD通常用到相關(guān)軟件有：AutoCAD、CAXA 、Pro/E、Solidworks、I-deas、UG等。
1.2 CAE技術(shù)的應(yīng)用
計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）分析是在三維實體建模的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)品的方案設(shè)計階段開始，按照實際使用的條件進行仿真和結(jié)構(gòu)分析，按照性能要求進行設(shè)計和綜合評價，以便從多個設(shè)計方案中選擇最佳方案。通常包括有限元分析法、優(yōu)化設(shè)計、仿真技術(shù)、試驗?zāi)B(tài)分析等。
1.2.1有限元分析
有限元分析：是指使用有限元軟件對機械結(jié)構(gòu)進行性能分析。包括強度（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）。
有限元建模：網(wǎng)格劃分、邊界條件的確定。
常用有限元分析軟件有：ANSYS、SAP、ADINA、NASTRAN等。
1.2.2優(yōu)化設(shè)計
優(yōu)化化設(shè)計：指運用優(yōu)化設(shè)計算法，以機械的某項或多項性能指標最優(yōu)為目標，求解其設(shè)計參數(shù)。利用該技術(shù)核心操作就是一要選定優(yōu)化目標，構(gòu)造目標函數(shù)；二要確定設(shè)計參數(shù)和約束條件。常用的優(yōu)化設(shè)計軟件有：ISIGHT、OPB—2。
1.2.3計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用
計算機仿真又稱數(shù)學仿真，即建立系統(tǒng)（或過程）的可以計算的數(shù)學模型（仿真模型），并據(jù)此編制成仿真程序放入計算機迸行仿真試驗，掌握實際系統(tǒng)（或過程）在各種內(nèi)外因素變化下性能的變化規(guī)律。
計算機訪真的基本方法是將實際系統(tǒng)抽象描述為數(shù)學模型，再轉(zhuǎn)化成計算機求解的仿真模型，然后編制程序，上機運行，進行仿真實驗并顯示結(jié)果。具體步驟如下：
（1）建立數(shù)學模型（2）建立仿真模型（3）編制仿真程序（4）進行仿真實驗（5）結(jié)果統(tǒng)計分析（6）仿真工作總結(jié)。
在機械設(shè)計中利用該技術(shù)主要是通過建立真實系統(tǒng)的計算機模型，分析實際系統(tǒng)的行為特征。包括：運動學仿真、動力學仿真、裝配關(guān)系仿真、其它性能的仿真、過程和系統(tǒng)狀態(tài)仿真等。
在機械設(shè)計中利用該技術(shù)的關(guān)鍵之處在于能夠建立出真實系統(tǒng)的計算機模型，包括數(shù)學模型（形式化描述）和仿真模型（仿真算法）。常用仿真軟件有：MATLAB、ADAMS等。
1.2.4試驗?zāi)B(tài)分析
試驗?zāi)B(tài)分析通常指“對系統(tǒng)或部分的一個實驗過程，其目的是獲得其動態(tài)或振動特性的數(shù)學描述”。對于不同的應(yīng)用，其數(shù)學描述或模型也是不同的，在一種情況下可以是對固有頻率和阻尼系數(shù)的估計，而在另一種情況下又可以是質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)的模型建立。
利用CAE技術(shù)在機械工程中進行試驗?zāi)B(tài)分析應(yīng)用主要在以下幾個方面：
（1）評價實際結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性。（2）在新產(chǎn)品設(shè)計中進行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估及優(yōu)化設(shè)計。（3）診斷及預(yù)報結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障。（4）控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲。（5）識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。
2.在機械制造中的計算機技術(shù)應(yīng)用
2.1 CAM技術(shù)的應(yīng)用
計算機輔助制造（CAM）：是指借助計算機來完成從生產(chǎn)準備到產(chǎn)品制造出來的過程中的各項活動，如計算機輔助數(shù)控加工編程、制造過程控制、質(zhì)量檢測與分析等。在機械制造中主要是利用計算機輔助編制CNC（計算機數(shù)字的控制）機床的零件加工程序。
所謂數(shù)控加工程序編制，就是指根據(jù)零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數(shù)、機床的運動以刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機床的編程格式和能識訓的語言記錄在程序單上，再按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)（程序信息載體），如程序穿孔紙帶或磁盤，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀取的信息，再通過輸入設(shè)備送入數(shù)控裝置進行試切，若不合格則修改程序，直至合格為止。
數(shù)控程序編程的具體步驟如下：（l）分析零件圖樣（2）確定工藝過程（3）數(shù)值計算（4）編寫程序單（5）制作程序載體（6）程序校驗及首件試切。
2.2 CAPP技術(shù)的應(yīng)用
計算機輔助工藝規(guī)程設(shè)計（CAPP）：是指工藝人員借助于計算機，根據(jù)產(chǎn)品制造工藝要求，交互地或自動地確定產(chǎn)品加工方法和方案，如加工方法選擇、工藝路線確定、工序設(shè)計等。在機械制造中主要是利用計算機輔助制定零件的加工工藝過程，具體包括：零件信息的描述、毛坯選擇、工藝過程擬定（工藝方案分析）、工藝參數(shù)計算、工藝文件的生成。
應(yīng)用CAPP系統(tǒng)，不僅可以大大提高工藝規(guī)程的生成速度和質(zhì)量，而且對CAPP系統(tǒng)操作人員對工藝規(guī)程設(shè)計熟練程度的要求可以較低，即工藝經(jīng)驗較少的工藝人員也能借助CAPP系統(tǒng)設(shè)計出高質(zhì)量的工藝規(guī)程。
此外，在機械設(shè)備中也有計算機技術(shù)應(yīng)用。主要在體現(xiàn)在利用計算機技術(shù)對設(shè)備進行檢測和控制兩大方面。
2.2.1計算機檢測技術(shù)
在機械設(shè)備中計算機檢測技術(shù)是指利用計算機采集、分析處理、存儲機械設(shè)備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。其主要的用途是對設(shè)備的在線監(jiān)控和診斷。
2.2.2計算機控制
在機械設(shè)備中計算機控制是指利用計算機作為控制器對機械設(shè)備的運行過程和運行狀態(tài)進行自動控制。具體包括：程序控制、順序控制、恒值控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、計算機直接控制、計算機監(jiān)督控制、計算機分級控制、計算機分布式控制等。
總之，計算機技術(shù)的發(fā)展，推動了機械工程各個領(lǐng)域的革命；分析機械工程中計算機應(yīng)用對于優(yōu)化和創(chuàng)新機械工程中每個作業(yè)流程意義深遠。
【參考文獻】
[1]郭仁生.機械工程設(shè)計分析和MATLAB應(yīng)用（第3版）.北京：機械工業(yè)出版社，2012，1.
