機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中的仿真技術(shù)分析

魯建軍　張寧

摘 要：如今，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用對(duì)人們的生活影響越來(lái)越大，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)不像柴米油鹽一樣對(duì)人們的生活有直接影響，但是少了它人們的生活就會(huì)缺失一份色彩。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)廣泛用于國(guó)防、工業(yè)以及其他影響人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。在各工程系統(tǒng)和項(xiàng)目建設(shè)之前的概念研究與系統(tǒng)的需求分析過(guò)程中，發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。

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

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是借助計(jì)算機(jī)與相關(guān)軟件，以多種學(xué)科和理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及其軟件為工具對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的理論和方法體系，問(wèn)題的分析和解決是通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)的方法達(dá)成的，是一門結(jié)合了多種學(xué)科和理論的綜合性技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)作為一門技術(shù)科學(xué)是在20世紀(jì)末21世紀(jì)初。早期的計(jì)算機(jī)仿真又被稱作蒙塔卡羅方法，是一門用隨機(jī)數(shù)通過(guò)實(shí)驗(yàn)求解隨機(jī)問(wèn)題的方法。隨著科技的發(fā)展科學(xué)與工業(yè)技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展之后而確定下來(lái)的，而且伴隨著科學(xué)與工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)隨之發(fā)展。用自己特有的方式影響著人們的生活。計(jì)算機(jī)仿真主要經(jīng)歷了三個(gè)比較大的階段，即模擬機(jī)仿真、模擬-數(shù)字混合機(jī)仿真和數(shù)字機(jī)仿真。

1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)的重要作用

機(jī)械制造業(yè)一般在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要比重自70年代以來(lái)，全球性的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，產(chǎn)品消費(fèi)結(jié)構(gòu)不斷向多元化、個(gè)性化方向發(fā)展，產(chǎn)品的更新期和交貨期都在縮短。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是一門綜合性強(qiáng)的技術(shù)，具有可靠、無(wú)破壞性、可多次重復(fù)、安全、經(jīng)濟(jì)、不受氣候條件和場(chǎng)地區(qū)域限制等特點(diǎn)。但是實(shí)際操作系統(tǒng)不允許實(shí)驗(yàn)研究，具有費(fèi)用過(guò)高、危險(xiǎn)性高、周期較長(zhǎng)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)就是模型試驗(yàn)，仿真就是對(duì)顯示系統(tǒng)的某一層次抽象屬性的模仿。它可以使科研人員通過(guò)虛擬的樣機(jī)實(shí)驗(yàn)得到準(zhǔn)確可靠地設(shè)計(jì)方案，從而降低了失敗率，在降低開(kāi)發(fā)成本的同時(shí)，加快了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程，順利完成新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程。如今在機(jī)械工程計(jì)算中，為了解決許多復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和實(shí)驗(yàn)等諸多難題，都需要在計(jì)算機(jī)中建立真實(shí)系統(tǒng)的仿真模型，來(lái)分析實(shí)際系統(tǒng)的活動(dòng)特征。在研發(fā)設(shè)計(jì)的初始階段，設(shè)計(jì)人員只需用工具軟件做不同的初始設(shè)計(jì)并建立起虛擬樣機(jī)，就可以對(duì)現(xiàn)實(shí)的或者假設(shè)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究和試驗(yàn)了，監(jiān)測(cè)和改進(jìn)系統(tǒng)也很便利。其開(kāi)發(fā)的方法具有開(kāi)發(fā)周期短、節(jié)奏快、開(kāi)發(fā)成本低、反饋信息迅速全面、容易掌握等特點(diǎn)。

2 計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提是建立符合實(shí)際的電腦數(shù)學(xué)模型和仿真模型，利用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析與研究的方法。這個(gè)過(guò)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(shí)的集合運(yùn)用。仿真技術(shù)是有層次的，既要針對(duì)想要處理的客觀系統(tǒng)的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，又要針對(duì)提出處理者的各種需求層次來(lái)滿足其不同的需要。

計(jì)算機(jī)處理這些將真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)抽象出來(lái)的數(shù)學(xué)模型，并輸出這些模型的相關(guān)參數(shù)來(lái)展示真實(shí)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(diǎn)，其特點(diǎn)被研究人員所采用。數(shù)學(xué)模型建立起來(lái)以后，計(jì)算機(jī)仿真的精度將由建模的精準(zhǔn)程度來(lái)決定。所以建模程度越精準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的仿真程度就越準(zhǔn)。其中出來(lái)的數(shù)據(jù)就越精準(zhǔn)，就更便于進(jìn)行研究。綜上所述，要想實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真大體上分為三個(gè)步驟。

2.1 模型的創(chuàng)建

通過(guò)編輯條件和約束條件的要求，根據(jù)要研究的目標(biāo)或問(wèn)題，首先需要建立起一個(gè)能夠達(dá)到條件需求的可靠的、準(zhǔn)確的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。然后，運(yùn)用相關(guān)學(xué)科的知識(shí)把這個(gè)系統(tǒng)通過(guò)數(shù)學(xué)表達(dá)式準(zhǔn)確地闡述出來(lái)，闡述的內(nèi)容就是計(jì)算機(jī)仿真的核心數(shù)學(xué)模型。

2.2 模型的變換

運(yùn)用相關(guān)的、恰當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)算法和計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，把抽象出來(lái)的模型通過(guò)數(shù)學(xué)表達(dá)式轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的形式，這種模型就是計(jì)算機(jī)方針的基礎(chǔ)-仿真模型。實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)程，既可以根據(jù)自身需要研發(fā)一個(gè)新的系統(tǒng)，也可以把當(dāng)下市面上已有的仿真軟件拿來(lái)直接運(yùn)用。

2.3 模型的實(shí)驗(yàn)

將創(chuàng)建的仿真模型輸入電腦中，運(yùn)行仿真模型會(huì)獲取一系列的仿真結(jié)果，這就是模型的仿真實(shí)驗(yàn)。由于是按照先期設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案來(lái)運(yùn)行的，所以仿真實(shí)驗(yàn)是一件很簡(jiǎn)單的事情。但是，仿真的結(jié)果又應(yīng)該按照什么標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量呢？這就需要具體辯析仿真結(jié)果的可靠性，檢驗(yàn)仿真結(jié)果可靠性主要有兩種方法（置信通道法和仿真過(guò)程的反向驗(yàn)證法）。

3 在機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用

3.1 在齒輪設(shè)計(jì)研究中的應(yīng)用

齒輪是機(jī)械裝備的主要基礎(chǔ)零部件，作為其主要部件對(duì)其進(jìn)行仿真研究具有重要意義，很多的科研工作者在這方面做了相關(guān)研究。如運(yùn)用Visual lisp語(yǔ)言可以從幾何角度研究齒輪任何端面齒形的建模和傳動(dòng)仿真；圓弧針齒行星傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)研究也能運(yùn)用電腦仿真技術(shù)；利用計(jì)算機(jī)仿真研究了影響正交面齒輪傳動(dòng)接觸點(diǎn)的主要參數(shù)（包括主動(dòng)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(jì)中也很好的應(yīng)用了計(jì)算機(jī)仿真。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在齒輪泵的齒輪設(shè)計(jì)與制造中，同樣有著重要的應(yīng)用。

3.3 在機(jī)械結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用

機(jī)械產(chǎn)品要由大量的結(jié)構(gòu)組裝起來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)定好的工藝動(dòng)作，在進(jìn)行新產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，這些結(jié)構(gòu)是否能正確地實(shí)現(xiàn)所設(shè)定的動(dòng)作，結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)是否配合得當(dāng)，結(jié)構(gòu)間是否存在干涉和干涉的部位，怎樣選擇各種結(jié)構(gòu)組合方案來(lái)更好地滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這些問(wèn)題都需要借助計(jì)算機(jī)仿真來(lái)解決。大型的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件都會(huì)提供一個(gè)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的功能模塊，在虛擬環(huán)境中設(shè)計(jì)好的裝配體可以模擬演示結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真只需要設(shè)定主運(yùn)動(dòng)件就可以了，還能從任何角度來(lái)觀察，軟件還能對(duì)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉進(jìn)行檢查，設(shè)計(jì)人員可以很方便地進(jìn)行檢查驗(yàn)證。

3.4 在復(fù)雜機(jī)械加工研究方面的應(yīng)用

機(jī)械加工是機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的生產(chǎn)基礎(chǔ)，使用計(jì)算機(jī)仿真有助于發(fā)現(xiàn)其深層次機(jī)理，為增強(qiáng)機(jī)械加工的性能和質(zhì)量提供了強(qiáng)有力的理論支持。在數(shù)控加工中，利用計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工模塊編制CNC 機(jī)床的零件加工程序，用生成的圖形信息或者數(shù)據(jù)通過(guò)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，依賴于磨削時(shí)間的變化來(lái)描述磨削過(guò)程的各個(gè)數(shù)學(xué)模型，這樣生成的計(jì)算機(jī)仿真模型能夠預(yù)先推測(cè)評(píng)估磨削的行為和質(zhì)量，為磨削的過(guò)程最優(yōu)化、智能控制、虛擬磨削創(chuàng)造了不可缺少的前提條件。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的迅猛發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的不斷壯大，生產(chǎn)過(guò)程和制作工藝的日趨復(fù)雜，對(duì)自動(dòng)測(cè)試和各種信息集成的要求也就越來(lái)越高。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的好壞將直接影響自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為了滿足不同的測(cè)試需求，以及減少對(duì)資源的浪費(fèi)，在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上應(yīng)該盡量滿足通用性和可擴(kuò)展性。在高度發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)中，科學(xué)技術(shù)的突飛猛進(jìn)和生產(chǎn)過(guò)程的高度自動(dòng)化已成為人所共知的必然趨勢(shì)，而它們的共同要求是建立在有著不斷發(fā)展與提高的信息工業(yè)基礎(chǔ)。所以仿真技術(shù)的出現(xiàn)使人們從大量復(fù)雜的信息數(shù)據(jù)中利用科學(xué)分析、處理、加工、判斷，進(jìn)而認(rèn)識(shí)和掌握自然社會(huì)和與科學(xué)技術(shù)之間的各種現(xiàn)象與其變化的規(guī)律，并通過(guò)相應(yīng)的程序?qū)崿F(xiàn)其解決的方法，從而更好的處理現(xiàn)實(shí)生活中難以解決的事情。

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