計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程陶瓷加工技術(shù)中的應(yīng)用

作者簡(jiǎn)介：王紅娟（1982.1），女，漢族，河南武陟人，工程碩士，講師，從事計(jì)算機(jī)技術(shù)研究

摘 要：在工程陶瓷加工的過(guò)程中，由于其工序較多、工藝復(fù)雜且牽涉到的內(nèi)容十分豐富，因此施工進(jìn)度往往會(huì)受到不利的影響，使用傳統(tǒng)加工方法技術(shù)水平較低，陶瓷合格率處于較低的水平。將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用到工程陶瓷的加工過(guò)程中，可以充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，提高工程陶瓷的加工管理水平，本文首先闡述了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的概念，指出了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程陶瓷技術(shù)中運(yùn)用的特點(diǎn)和意義，最后就計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程陶瓷加工技術(shù)中的應(yīng)用提出了自己的意見(jiàn)和建議。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)；工程陶瓷；應(yīng)用

1 前言

隨著我國(guó)機(jī)械制造和航天工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，工程陶瓷技術(shù)具備了耐高溫、耐磨損、耐腐蝕和高硬質(zhì)的特點(diǎn)。因此在上述領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，充分滿(mǎn)足了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對(duì)材料性能的需要。工程陶瓷形式多樣，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且產(chǎn)品品質(zhì)也到達(dá)到了較高的水平，這些都對(duì)工程陶瓷的加工制造工藝提出了更高的要求。傳統(tǒng)工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造過(guò)程相分離，產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)定型需要反復(fù)的實(shí)驗(yàn)和修改，使用了“經(jīng)驗(yàn)+實(shí)驗(yàn)”的制作模式。這對(duì)工程陶瓷技術(shù)發(fā)展造成了較大的阻礙，其產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式和技術(shù)亟待進(jìn)一步的發(fā)展和創(chuàng)新。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得工程陶瓷制造技術(shù)出現(xiàn)了革命性的變化。采用計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)模擬工程陶瓷生產(chǎn)過(guò)程，不僅可以驗(yàn)證陶瓷的生產(chǎn)工藝選擇是否合理，也可以使得其生產(chǎn)工藝得到較大的優(yōu)化，縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期，節(jié)省了大量的人力物力，使得陶瓷產(chǎn)品的品質(zhì)得到了較大的提升。

2計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)概述

2.1計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的定義

所謂計(jì)算機(jī)仿真是在控制理論、相似理論、信息處理技術(shù)和計(jì)算技術(shù)等理論基礎(chǔ)之上建立起來(lái)的，以計(jì)算機(jī)和相關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備為工具，利用計(jì)算機(jī)仿真模型試驗(yàn)真實(shí)或者假想的系統(tǒng)，并借助專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)和資料分析和研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最后做出決策的試驗(yàn)性科學(xué)。也就是說(shuō)，計(jì)算機(jī)仿真是以計(jì)算機(jī)為工具，在仿真理論指導(dǎo)下對(duì)相關(guān)研究對(duì)象進(jìn)行模擬的技術(shù)。

2.2計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展

我們縱觀(guān)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展歷史可以發(fā)現(xiàn)，計(jì)算機(jī)仿真主要經(jīng)過(guò)了四個(gè)發(fā)展階段：第一，模型試驗(yàn)階段。運(yùn)用了原始的仿真思想，其模型試驗(yàn)是建立在物理模型基礎(chǔ)上的，其柔性和精度都處于較低的水平；第二，數(shù)字化仿真階段。采用計(jì)算機(jī)計(jì)算分析，但是計(jì)算結(jié)果只能在記錄文件和圖表上表達(dá)出來(lái)，嚴(yán)重缺乏直觀(guān)形象性；第三，圖像化仿真階段。使用了立體的圖形圖像技術(shù)來(lái)表達(dá)仿真結(jié)果；第四，虛擬仿真技術(shù)階段。不僅可以用三維圖形技術(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行展示，而且采用特殊裝置可以給人身臨其境的感覺(jué)。

2.3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

未來(lái)的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，分布式。這既是數(shù)據(jù)分布發(fā)展的必然，也是在分布式計(jì)算環(huán)境中實(shí)時(shí)顯示的重要手段；第二，協(xié)同式。在高速主干網(wǎng)的不斷普及使用的背景下，計(jì)算機(jī)仿真可以實(shí)現(xiàn)高速協(xié)同的效果，使得應(yīng)用共享得到普及；第三，沉浸式。使用的顯示設(shè)備是沉浸式的，用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)的感受變得更加直觀(guān)，并可以在結(jié)果分析中發(fā)揮突出作用；第四，網(wǎng)絡(luò)化。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)推動(dòng)了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)更快的在各個(gè)行業(yè)普及。

3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程陶瓷技術(shù)中運(yùn)用的特點(diǎn)和意義

3.1計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程陶瓷技術(shù)中運(yùn)用特點(diǎn)

由于在工程陶瓷制造中使用了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，可以快速的對(duì)于比較和分析多種工程陶瓷制作方案，大量的設(shè)計(jì)時(shí)間以及人力物力都可以因此被節(jié)省下來(lái)，所以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程陶瓷加工方面占有十分重要的作用。利用計(jì)算機(jī)可以進(jìn)行快速計(jì)算的特點(diǎn)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在較短的時(shí)間內(nèi)模擬出若干個(gè)可操作的工程制造方案，并且還可以以此為基礎(chǔ)，解決工程陶瓷加工中遇到的問(wèn)題，并且拿出對(duì)應(yīng)的解決方案，從而使得工程陶瓷可以被快速有效的加工出來(lái)，為高效率的工程陶瓷制作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)模擬仿真技術(shù)僅僅需要使用計(jì)算機(jī)軟件就可以完成工程陶瓷的工藝設(shè)計(jì)及模擬實(shí)驗(yàn)，同樣一個(gè)軟件編程可以用來(lái)重復(fù)計(jì)算與模擬實(shí)驗(yàn)，這是實(shí)際中的物理實(shí)體模型無(wú)法比擬的，使用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以在工程陶瓷技術(shù)制作中降低經(jīng)濟(jì)投入，使得陶瓷工程項(xiàng)目的投入成本得到了有效的控制。最后，使用計(jì)算機(jī)仿真模擬技術(shù)得到的工程陶瓷制造方案，比使用傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)出來(lái)的方案更具可靠性，通過(guò)計(jì)算機(jī)精密計(jì)算與分析相關(guān)的數(shù)據(jù)，能夠成功建立仿真模型，且能夠提前分析各種內(nèi)外因素對(duì)工程陶瓷制作工藝的影響，使工程陶瓷的制造可以提前預(yù)防及避免可能遇到的風(fēng)險(xiǎn)。由此可見(jiàn)，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程陶瓷技術(shù)中的應(yīng)用范圍極其廣泛，可以發(fā)揮至關(guān)重要的作用，其強(qiáng)大的作用與實(shí)力是其他模擬技術(shù)無(wú)法比擬的。

3.2計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程陶瓷技術(shù)中運(yùn)用的意義

首先，有效提高了工程陶瓷加工的工作效率。當(dāng)前社會(huì)的發(fā)展趨勢(shì)就是計(jì)算機(jī)仿真加工設(shè)備替代了傳統(tǒng)的加工設(shè)備，目前來(lái)看，工程陶瓷加工是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，而且對(duì)工人的操作技術(shù)也提出了較高的要求，一旦操作失誤就會(huì)造成嚴(yán)重的后果，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以很好的避免失誤，從而保證了工程陶瓷加工的準(zhǔn)確率。

其次，有效避免出現(xiàn)失誤，提高工程陶瓷的加工的準(zhǔn)確度。計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程陶瓷加工中的應(yīng)用，在正式的加工工藝實(shí)施之前可以通過(guò)計(jì)算機(jī)反復(fù)的模擬訓(xùn)練，通過(guò)計(jì)算機(jī)模型的仿真，能夠有效地檢查出刀工程陶瓷成型正確與否，也能夠檢查出來(lái)燒結(jié)和機(jī)械加工的工序是否正確，所以，模擬仿真技術(shù)提高了陶瓷加工的準(zhǔn)確度。

最后，有效地保護(hù)陶瓷加工設(shè)備的延長(zhǎng)使用壽命。通過(guò)虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行制作工藝的演示，能夠有效地避免實(shí)際加工操作失誤給陶瓷產(chǎn)品造成的損害，從而有效地延長(zhǎng)了加工設(shè)備的使用壽命，提高了工程陶瓷加工企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

4計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程陶瓷技術(shù)中的運(yùn)用

4.1計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程陶瓷技術(shù)中運(yùn)用的流程

第一，設(shè)計(jì)建立仿真加工系統(tǒng)。工程陶瓷計(jì)算機(jī)仿真加工系統(tǒng)的構(gòu)建是建立在加工設(shè)備和與之相對(duì)應(yīng)信息的基礎(chǔ)上的，而且在具體的運(yùn)用中還要能夠根據(jù)實(shí)際加工系統(tǒng)的變化進(jìn)行調(diào)整和維護(hù)。這個(gè)虛擬仿真加工系統(tǒng)的構(gòu)建是建立在計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)加工軟件基礎(chǔ)上的，構(gòu)建了陶瓷的部件和工件的模型，然后加工組裝成模擬仿真加工設(shè)備系統(tǒng)，再利用CAD或者是CAM的數(shù)控編程功能生成模型，這樣虛擬仿真加工的模型和信息的準(zhǔn)備已經(jīng)可以提前完成；第二，虛擬仿真加工系統(tǒng)的加工設(shè)備建模。這是計(jì)算機(jī)仿真加工工程陶瓷系統(tǒng)的關(guān)鍵模型，也是實(shí)際加工設(shè)備在虛擬仿真條件下生成的數(shù)字化的模型，具體包括了工程陶瓷產(chǎn)品加工設(shè)備的幾何模型和運(yùn)動(dòng)模型，其中幾何模型就是用CAD系統(tǒng)設(shè)計(jì)出來(lái)的，幾何模型的構(gòu)建就是根據(jù)實(shí)際陶瓷產(chǎn)品的尺寸、大小建模，然后把設(shè)備裝配起來(lái)，形成虛擬的加工設(shè)備；運(yùn)動(dòng)模型是數(shù)控程序下可以進(jìn)行調(diào)整的模型；第三，虛擬仿真加工功能的實(shí)現(xiàn)。在建立了數(shù)加工設(shè)備的模型之后，就要把計(jì)算機(jī)的仿真加工的功能使用出來(lái)，首先要檢查計(jì)算機(jī)仿真加工程序，確立它們各自的翻譯模塊，然后檢查運(yùn)動(dòng)仿真和道具的功能，同時(shí)要保證加工工藝符合標(biāo)準(zhǔn)。

4.2 陶瓷燒結(jié)過(guò)程顯徽組織的模擬

納米材料處于原子和分子的微觀(guān)與宏觀(guān)之間，具有小尺寸、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、高集成度和強(qiáng)相互作用的優(yōu)點(diǎn)，其電、磁、光、熱、力、化學(xué)性能全面優(yōu)于傳統(tǒng)材料，應(yīng)用前景極為廣闊，因此在工程陶瓷加工中也得到了廣泛的運(yùn)用，在計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)和計(jì)算機(jī)材料科學(xué)飛速發(fā)展的背景下，在介觀(guān)尺度和宏觀(guān)尺度上陶瓷燒結(jié)的模型化和數(shù)值模擬已經(jīng)是大勢(shì)所趨。陶瓷順粒顯微組織的計(jì)算機(jī)仿真模擬主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）計(jì)算機(jī)模擬陶瓷燒結(jié)時(shí)晶粒生長(zhǎng)；（2）計(jì)算機(jī)模擬顯微組織致密化的計(jì)算機(jī);（3）計(jì)算機(jī)模擬納米顆粒合成;（4）計(jì)算機(jī)模擬陶瓷顆粒與接觸面的熱相互作用。其中，對(duì)介觀(guān)尺度燒結(jié)顯微組織演化進(jìn)行模擬，對(duì)于陶瓷燒結(jié)的性能預(yù)測(cè)最為關(guān)鍵。

4.3陶瓷燒結(jié)過(guò)程的演示設(shè)計(jì)

陶瓷的燒結(jié)結(jié)果受到了多方因素的影響，其中陶瓷的坯體材料、形狀、厚度、含水量等都是影響燒結(jié)效果的重要因素。調(diào)節(jié)坯體的溫度場(chǎng)可以對(duì)上述因素進(jìn)行很好的調(diào)整。這就要求我們用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)模擬陶瓷坯體燒結(jié)過(guò)程溫度場(chǎng)數(shù)值模擬，在陶瓷生產(chǎn)數(shù)值模擬中具有舉足輕重的地位。具體來(lái)說(shuō)，我們針對(duì)工程陶瓷的加工燒制特點(diǎn)以及技術(shù)特性，可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)建立仿真演示模塊，具體可以用來(lái)演示陶瓷燒制過(guò)程中的各種影響因素的數(shù)據(jù)采集、信息查檢，并在三維施工模型上進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理。該演示系統(tǒng)的主要功能是通過(guò)上述四個(gè)模塊來(lái)實(shí)施的。借助這些仿真模塊，可以對(duì)陶瓷燒制過(guò)程中的升溫速度、冷卻速度、最高止火溫度和保濕時(shí)間進(jìn)行仿真和模擬?？梢越⒂行У哪Ｐ腿S顯示，以便于對(duì)相關(guān)的細(xì)節(jié)進(jìn)行分析與討論，通過(guò)信息查詢(xún)與檢索的模塊，可以對(duì)三維模型圖中點(diǎn)擊某一處進(jìn)行詳細(xì)的查詢(xún)，查詢(xún)需要的各種信息，用于調(diào)查與研究，基于三維模塊，可以有效地將施工場(chǎng)地以陶瓷的三維圖形在屏幕之中動(dòng)態(tài)的演示，同時(shí)將各種需要的厚度、材料、形狀、厚度、含水量全部顯示在大屏幕下方的信息框當(dāng)中，并及時(shí)的調(diào)整和更新，在應(yīng)用模型模塊，可以建立人機(jī)互動(dòng)的界面，提高用戶(hù)與仿真虛擬的交互體驗(yàn)，使得用戶(hù)使用計(jì)算機(jī)仿真取得更好的效果。

5結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在工程陶瓷技術(shù)中的廣泛應(yīng)用有效地提高了陶瓷加工的工作效率，顯著提升了陶瓷制品的質(zhì)量，對(duì)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用起到了促進(jìn)的作用。這要求我們?cè)诠こ烫沾蔁七^(guò)程中充分運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，必規(guī)范有序的開(kāi)展各項(xiàng)工作，確保該技術(shù)的優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)，全面提高我國(guó)工程陶瓷制作水平。

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