機(jī)械設(shè)計(jì)仿真過程的計(jì)算機(jī)技術(shù)體現(xiàn)研究

馮永勝 鄒家柱

摘 要：伴隨著目前的經(jīng)濟(jì)社會(huì)和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始朝著高智能化、集成化、精細(xì)化、信息化、虛擬數(shù)字化等方向創(chuàng)新發(fā)展。近幾年，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中的廣泛深入的應(yīng)用，一些機(jī)械產(chǎn)品的虛擬樣機(jī)相繼建立。通過對(duì)這些虛擬樣機(jī)進(jìn)行多性能的仿真試驗(yàn)，可以更加具體、詳細(xì)、直觀地展示機(jī)械產(chǎn)品的某些動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的性能，在這個(gè)背景下可以更為準(zhǔn)確的、快速的發(fā)現(xiàn)一些潛在的故障、問題和缺陷并及時(shí)的進(jìn)行有針對(duì)性的解決和處理，減少甚至完全的避免機(jī)械設(shè)計(jì)出現(xiàn)重大的失誤造成的返工，從而減少機(jī)械產(chǎn)品的投資和開發(fā)的時(shí)間金錢成本，在一定程度上大大降低產(chǎn)品開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)隱患，進(jìn)一步的提升和優(yōu)化了機(jī)械設(shè)計(jì)的整體水平，大大提高機(jī)械設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率。本文對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)過程中的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)進(jìn)行了深入細(xì)致的研究和分析。

關(guān)鍵詞：機(jī)械設(shè)計(jì);仿真過程;計(jì)算機(jī)技術(shù)

引言：

機(jī)械制造行業(yè)的發(fā)展在進(jìn)一步的促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民群眾生活水平提高等方面發(fā)揮了重要積極的作用。各類機(jī)械產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)當(dāng)中，從人們?nèi)粘Ｉ钪兴玫降母鞣N電器產(chǎn)品、外出時(shí)的各種交通工具，到飛機(jī)、輪船甚至衛(wèi)星導(dǎo)彈等高端工業(yè)產(chǎn)品都有他的身影。伴隨著科技的不斷進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的深刻變革、飛速創(chuàng)新，機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)已由傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)階段轉(zhuǎn)向以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為核心的更高層次、更高水平的設(shè)計(jì)階段。本文通過三維立體建模軟件、運(yùn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)分析軟件、有限元分析軟件等三個(gè)方面介紹了計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)仿真過程中的應(yīng)用，并且以此為基礎(chǔ)簡(jiǎn)述了開展機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)的意義。

1機(jī)械設(shè)計(jì)制造中仿真技術(shù)的主要特征

1.1分布性特征

通過把計(jì)算機(jī)技術(shù)和仿真軟件技術(shù)的充分結(jié)合，進(jìn)一步的突出了仿真技術(shù)在機(jī)械制造領(lǐng)域所表現(xiàn)出來的積極意義。因?yàn)楦咚降臋C(jī)械設(shè)計(jì)制造業(yè)離不開仿真技術(shù)的應(yīng)用，而計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用實(shí)際上是從虛擬網(wǎng)絡(luò)這個(gè)領(lǐng)域中衍生出來的一種新的技術(shù)類別，它使機(jī)械的設(shè)計(jì)者可以在不同的地方共同的進(jìn)行機(jī)械產(chǎn)品研發(fā)和設(shè)計(jì)，并能對(duì)產(chǎn)品的各種參數(shù)進(jìn)行共同的研究完善、修改和模擬，使計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以表現(xiàn)出強(qiáng)烈的分布特征。

1.2適用范圍廣

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用對(duì)進(jìn)一步的提高和促進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的快速、穩(wěn)定、可持續(xù)的發(fā)展具有十分關(guān)鍵和重要的意義。仿真技術(shù)的應(yīng)用在機(jī)械產(chǎn)品行業(yè)當(dāng)中，不管是從最初的產(chǎn)品設(shè)計(jì)還是到最后的產(chǎn)品測(cè)試環(huán)節(jié)，都具有十分重要的積極作用。特別是在機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，計(jì)算機(jī)仿真軟件可將機(jī)械設(shè)備的各類參數(shù)轉(zhuǎn)換成三維立體的仿真模型，使設(shè)計(jì)人員可以更清晰、更直觀的看到產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)。機(jī)械產(chǎn)品的試驗(yàn)階段采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，將產(chǎn)品的測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入軟件系統(tǒng)中，進(jìn)而計(jì)算模擬出產(chǎn)品實(shí)際工作中的性能表現(xiàn)。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在當(dāng)今已被廣泛地應(yīng)用于實(shí)際機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)的過程中，以模擬機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)應(yīng)力。我司在壓鑄行業(yè)中，通過計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析，疲勞壽命分析，開鎖模機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)特性分析，模流分析，溫度場(chǎng)仿真分析等已有廣泛的應(yīng)用。

1.3集成化特征

集成特性是機(jī)械設(shè)計(jì)和制造仿真技術(shù)的最主要特點(diǎn)。利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中虛擬地建立產(chǎn)品開發(fā)與制造過程。此外，由于模擬技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式多種多樣，因此計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)也表現(xiàn)出很強(qiáng)的多樣性[1]。

2機(jī)械設(shè)計(jì)仿真過程的計(jì)算機(jī)技術(shù)體現(xiàn)

為把計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)應(yīng)用到機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，需要通過計(jì)算機(jī)模擬軟件進(jìn)行。計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)是一種綜合知識(shí)密集型的高科技的信息產(chǎn)品，它是充分的融合了計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)、計(jì)算力學(xué)、工程管理學(xué)和現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)。所以，要在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)仿真過程中充分的體現(xiàn)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，就要求相關(guān)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員必須對(duì)計(jì)算機(jī)仿真軟件有較充分的把握和理解，也要有較高的技術(shù)分析能力。

2.1三維實(shí)體造型軟件

目前市場(chǎng)上流通的三維實(shí)體造型軟件有Pro/E、Solidworks、UG等等，與傳統(tǒng)二維CAD軟件相比，三維實(shí)體造型軟件更加致力于對(duì)產(chǎn)品完整的表達(dá)的各種生產(chǎn)管理信息以及相關(guān)的技術(shù)。在進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)過程當(dāng)中，應(yīng)該將各種軟件進(jìn)行對(duì)比，并且根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況，選擇不同的軟件進(jìn)行三維造型以及建模技術(shù)[2]。

2.2運(yùn)動(dòng)以及動(dòng)力學(xué)分析軟件

為了能夠建立較為復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)，除了對(duì)樣機(jī)進(jìn)行三維建模，還需要運(yùn)用專業(yè)的動(dòng)力學(xué)仿真軟件來進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真?，F(xiàn)階段，較為流行的軟件有美國(guó)MSC公司制造的ADAMS軟件，它是能夠?qū)⒔?、求解以及可視化技術(shù)結(jié)合為一體的CAE軟件，能夠?qū)Χ喾N機(jī)械設(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速分析與比較，輔助設(shè)計(jì)人員快速獲得綜合的最優(yōu)方案。

2.3有限元分析軟件

有限元分析軟件是工程技術(shù)人員需要掌握的一門重要技能，其中ANSYS是一種廣泛應(yīng)用的有限元分析軟件，它能夠在協(xié)同環(huán)境的構(gòu)架下，對(duì)各種CAD軟件的零件模型進(jìn)行直接讀入，從而完成動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)分析及多目標(biāo)的自動(dòng)化等等[3]。

3發(fā)展機(jī)械設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的意義

3.1節(jié)省經(jīng)費(fèi)，保證機(jī)械設(shè)計(jì)質(zhì)量

伴隨著當(dāng)今經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷進(jìn)步、發(fā)展和企業(yè)的不斷壯大，機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也逐漸的進(jìn)行創(chuàng)新，當(dāng)然也面臨著一系列的問題集中地表現(xiàn)在了傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)落后、機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新的經(jīng)費(fèi)保障不足的問題，在新的信息化背景下利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以有效的處理和彌補(bǔ)這方面的不足。采用計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)可以建立一個(gè)可視化的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)機(jī)械的模型進(jìn)行不斷的組合、裝配、拆裝等實(shí)驗(yàn)，達(dá)到較高水平的實(shí)際試驗(yàn)的檢測(cè)的效果。我司大型壓鑄機(jī)研發(fā)，樣機(jī)試制材料投入動(dòng)則幾百萬，費(fèi)用投入巨大，如采用計(jì)算機(jī)模擬仿真設(shè)計(jì)開發(fā)，只需前期投入幾十萬的材料測(cè)試成本，后期可通過計(jì)算機(jī)模擬開發(fā)，大幅減少試錯(cuò)成本。通過實(shí)施計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，解決了傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)階段的重復(fù)實(shí)驗(yàn)對(duì)硬件設(shè)備的依賴性，從而保證了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)的質(zhì)量和水平，大大降低了這個(gè)階段的成本經(jīng)費(fèi)投入。

3.2先進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域中得到了十分廣泛的應(yīng)用。利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立了機(jī)械產(chǎn)品的仿真模型，并對(duì)其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了較高水平、全面真實(shí)的仿真分析。在仿真分析結(jié)果的基礎(chǔ)上再次進(jìn)行研究分析，可以很好的完善和改進(jìn)機(jī)械設(shè)計(jì)方案，大大提高了機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。根據(jù)相關(guān)專業(yè)預(yù)測(cè)，傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法將在未來的一段時(shí)間內(nèi)被全新的計(jì)算機(jī)數(shù)字仿真技術(shù)所替代。所以說將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)積極主動(dòng)的引入到機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可以能更好地適應(yīng)未來的行業(yè)發(fā)展和市場(chǎng)發(fā)展的根本需要。

結(jié)語(yǔ)：

進(jìn)入新世紀(jì)以來，各種高新技術(shù)得到了十分迅速的發(fā)展。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用，使機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)逐步從傳統(tǒng)的單一系統(tǒng)發(fā)展到更加豐富、更為科學(xué)、更為開放、更為復(fù)雜的信息化系統(tǒng)。從機(jī)械產(chǎn)品概念的形成和設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中的應(yīng)用可以說已經(jīng)全部的覆蓋了機(jī)械制造的整個(gè)過程，目前也正在隨著技術(shù)創(chuàng)新向多領(lǐng)域、多維度、智能化、高度集成化的方向深入的發(fā)展，總的來說，計(jì)算機(jī)仿真機(jī)械設(shè)計(jì)在新的社會(huì)背景下的機(jī)械設(shè)計(jì)中具有不可替代、十分重要的作用。

參考文獻(xiàn)：

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