淺談仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用

蔣佳興

【摘? 要】隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，人們的生產(chǎn)生活越來越離不開計算機技術(shù)，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)得到普及，在計算機中利用相關(guān)軟件對所需設(shè)計做出虛擬實驗，其發(fā)展和應(yīng)用綜合多門學科與理論，為人們的設(shè)計和實驗帶來極大便利。本文對仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造行業(yè)中的應(yīng)用進行介紹，指出仿真技術(shù)對此行業(yè)的重要性，從齒輪設(shè)計、結(jié)構(gòu)件設(shè)計、復(fù)雜機械加工等方面對仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用進行分析。

【關(guān)鍵詞】仿真技術(shù);機械設(shè)計制造;應(yīng)用

一、仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造行業(yè)的重要作用

計算機仿真被稱為虛擬樣機技術(shù)，設(shè)計人員利用特定軟件在計算機上建立模型，同動態(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)取代傳統(tǒng)的實驗方法，并具有節(jié)約資金、安全可靠、方便靈活及可重復(fù)使用等優(yōu)點。在機械工程計算中，為了解決很多復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計、分析和實驗等難題，需要在計算機中建立真實系統(tǒng)的仿真模型，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)計人員需要用工具軟件做不同設(shè)計，并建立虛擬樣機，對現(xiàn)實或假設(shè)系統(tǒng)進行仿真研究和試驗，監(jiān)測和改進系統(tǒng)十分便利。仿真技術(shù)引入不僅提高機械設(shè)備研究設(shè)計的質(zhì)量，減少零部件的開發(fā)周期和降低制造成本。

傳統(tǒng)的機械設(shè)計制造中，一方面，因為需要人工核查數(shù)據(jù)，加上方案制作程序較多，很難在設(shè)計的過程中完成模型測試，導(dǎo)致隱藏的問題不易發(fā)現(xiàn);另一方面，隨著機械制造行業(yè)迅速發(fā)展，機械設(shè)計尤其是系統(tǒng)設(shè)計更加多樣化，設(shè)計的過程中難免會有龐大的數(shù)據(jù)信息，這就會使得實驗的過程比較繁瑣，實現(xiàn)起來比較困難，會遇到各種各樣的矛盾和問題。因此，在進行設(shè)計的過程中，我們引入仿真技術(shù)，通過建立真實系統(tǒng)的仿真模型，進行虛擬仿真實驗，對實驗結(jié)果和參數(shù)進行分析，從而改進設(shè)計思路，優(yōu)化參數(shù)配置，以期得到最佳設(shè)計方案。這樣，不僅極大地提高了方案的可靠性和安全性，而且大大提升了機械設(shè)計和研發(fā)產(chǎn)品的質(zhì)量，大幅縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。

二、仿真技術(shù)的實現(xiàn)

要實現(xiàn)仿真技術(shù)，因為計算機無法直接識別和處理實際的研究對象，所以首先需要建立一個既符合分析要求又能反映實際情況的數(shù)學模型，即所謂的建模。建模過程涉及高等數(shù)學、數(shù)據(jù)處理等知識的綜合運用。在建模過程中，一定要保證其精確度，這將直接關(guān)系著仿真的精度。計算機通過處理這些抽象的數(shù)學模型，經(jīng)過變換建立仿真模型，輸出與真實系統(tǒng)相關(guān)的某些特質(zhì)和參數(shù)，供設(shè)計人員進行分析。

1.模型建立

模型的建立，就是首先對研究的問題抽象出一個能進行有效仿真的可靠系統(tǒng)，并對其加上合理的約束條件和邊界條件，然后運用相關(guān)的學科知識用數(shù)學表達式將這個系統(tǒng)進行準確闡述，也就是仿真的核心———數(shù)學模型[2]。按照是否隨時間的變化而變化，數(shù)學模型分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型，而動態(tài)模型也有連續(xù)時間模型、離散時間模型和混合時間模型三種;按照是否考慮隨機因素，數(shù)學模型分為確定性模型和隨機性模型。

2.模型變換

模型的變換，就是把數(shù)學模型中抽象的數(shù)學表達式轉(zhuǎn)換成為計算機能夠識別處理的形式，這需要適當?shù)挠嬎銠C語言和算法作為基礎(chǔ)，這個過程就是仿真的基礎(chǔ)———建立仿真模型。設(shè)計人員可以使用已有的仿真軟件，也可以根據(jù)需要自行研發(fā)仿真系統(tǒng)進行仿真模型的創(chuàng)建。模型變換是仿真技術(shù)的關(guān)鍵步驟，需要專業(yè)的計算機知識應(yīng)用能力。

3.模型實驗

模型的實驗，就是將仿真模型輸入到計算機中運行，獲取仿真結(jié)果的過程。只要模型建立和變換兩個核心步驟做好，模型的仿真實驗是非常簡單易行的。但是，我們需要通過對仿真結(jié)果進行可靠性分析來衡量仿真結(jié)果，常用的方法有置信通道法以及仿真過程的反向驗證法。

三、仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用

1.在齒輪設(shè)計中的應(yīng)用

在機械裝備中，齒輪可謂是最重要的零部件之一，因此，在設(shè)計中對其性能進行仿真意義重大，并且不少設(shè)計者也針對此問題做了大量研究。其中包括：使用visual lisp語言對齒輪端面的建模和仿真，從任意幾何角度對其性能進行評估;用計算機仿真技術(shù)展開對圓弧針齒行星傳動的研究;對影響正交齒輪傳動接觸點的主要參數(shù)進行研究等等。此外，計算機仿真技術(shù)在齒輪泵的齒輪設(shè)計中應(yīng)用也十分廣泛。

2.在機械結(jié)構(gòu)件設(shè)計方面的應(yīng)用

一個機械系統(tǒng)的完成需要各部分機械?Y構(gòu)件的組合，共同發(fā)揮它們的綜合作用。因此，在對一個新產(chǎn)品進行設(shè)計時，各零部件的性能能否正常發(fā)揮、它們之間的配合是否得當、如何選取組合方案等問題，都離不開事先用仿真技術(shù)進行模擬優(yōu)化?，F(xiàn)在市場主流的大型三維設(shè)計軟件都對結(jié)構(gòu)運動仿真功能進行了開發(fā)，根據(jù)在該軟件中設(shè)計的裝配體的性能，對演示結(jié)構(gòu)的運動展開模擬，如果需要運動學仿真，只需要提前設(shè)置好主運動件，具有極大的便利性。此外，在這些大型三維設(shè)計軟件的仿真運動過程中，設(shè)計者能夠從任意角度觀察運動結(jié)果，還能幫助設(shè)計者檢查結(jié)構(gòu)的運動干涉等問題，功能十分強大。

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。

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。

結(jié)語

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，促進現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，帶來機械設(shè)計制造行業(yè)各生產(chǎn)工藝與步驟的復(fù)雜化。因此需要運用自動測試與仿真等高新計算機技術(shù)為設(shè)計人員優(yōu)化設(shè)計方案提供技術(shù)支持。尤其是在仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中得到廣泛使用，使得設(shè)計人員從龐大復(fù)雜的信息中對機械加工過程或零部件設(shè)計進行最優(yōu)化控制，為機械設(shè)計制造行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造更加有利的環(huán)境。

參考文獻

[1]朱澄， 李弘錦.仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用前景[J]. 科技展望， 2017， 27（4）：330.

[2]陳青蓮.仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用前景分析[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2017，44（13）：79-80.

[3]路毅，郭強，施政文.仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用前景[J].內(nèi)燃機與配件，2017（15）：55-56.