淺談仿真技術在機械設計制造過程中的應用

楊宇哲

摘 要：計算機仿真技術是借助計算機及其相關軟件，問題的分析和解決是通過虛擬試驗的方法達到的，是一門結合了多種學科和理論的綜合性技術。早期的計算機仿真又被稱作蒙特卡羅方法，是一門用隨機數通過實驗求解隨機問題的方法。伴隨著計算機技術的不斷發展，計算機仿真主要經歷了三個比較大的階段，即模擬機仿真、模擬-數字混合機仿真和數字機仿真。如今，計算機仿真技術的應用已經越來越廣泛，例如在機械裝備加工制造、物流運輸、航空宇航、大型船舶制造、工程管理以及醫療保健等等領域。

關鍵詞：仿真技術；機械設計；應用

1 計算機仿真技術在機械制造行業的重要作用

計算機仿真也被稱作虛擬樣機技術，設計人員利用特定軟件在計算機上建立模型，通過各種動態性能參數分析來優化樣機方案，不需要大量制造實物樣機，從而用數字化新型技術取代了傳統的實驗方法，并且具有節約資金、安全可靠、方便靈活以及可重復使用等優點。如今在機械工程計算中，為了解決許多復雜系統的設計、分析和實驗等諸多難題，都需要在計算機中建立真實系統的仿真模型，來分析實際系統的活動特征。在研發設計的初始階段，設計人員只需用工具軟件做不同的初始設計并建立起虛擬樣機，就可以對現實的或者假設的系統進行仿真研究和試驗了，監測和改進系統也很便利。仿真技術的引入不僅極大地提高了機械設備研究設計的質量，而且大幅減少了零部件的開發周期和降低了制造的成本。

2 計算機仿真的實現

計算機仿真技術實現的前提是建立符合實際的電腦數學模型和仿真模型，這個過程涉及到圖形學、幾何造型學、數據處理技術和力學等知識的集合運用。計算機系統是無法直接識別和處理研究對象的，所以要產生一個既能被計算機接受又可以呈現研究客體實質的數學模型。

計算機處理這些將真實系統的實質抽象出來的數學模型，并輸出這些模型的相關參數來展示真實系統的某些特質，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，所以越來越多的被研究人員所采用。數學模型建立起來以后，計算機仿真的精度將由建模的精準程度來決定。綜上所述，要想實現計算機仿真大體上分為三個步驟：

2.1 模型的創建

針對要研究的目標或問題，首先需要抽象出一個能達到仿真目的的可靠系統，并且要給其加上邊界條件和約束條件。然后，運用相關學科的知識把這個系統通過數學表達式準確地闡述出來，闡述的內容就是計算機仿真的核心——數學模型。數學模型根據時間的關系可劃分為靜態模型和動態模型，而動態模型又分為連續時間、離散時間和混合時間三種；模型分為連續變量系統模型和離散事件系統模型是以系統的狀態描述和變化方式為依據的。

2.2 模型的變換

模型的變換就是把抽象出來的數學表達式轉換成計算機能夠處理的形式，這需要運用適當的算法和計算機語言，這種形式所表達的內容就是進行計算機仿真的關鍵——仿真模型。實現這個過程，既可以根據自身需要研發一個新的系統，也可以把當下市面上已有的仿真軟件拿來直接運用。

2.3 模型的實驗

將創建的仿真模型輸入電腦中，運行仿真模型會獲取一系列的仿真結果，這就是模型的仿真實驗。由于是按照先期設計的實驗方案來運行的，所以仿真實驗是一件很簡單的事情。但是，仿真的結果又應該按照什么標準來衡量呢？這就需要具體辯析仿真結果的可靠性，檢驗仿真結果可靠性主要有兩種方法（置信通道法和仿真過程的反向驗證法）。

3 在機械設計制造行業中計算機仿真技術的廣泛應用

3.1 在齒輪設計研究中的應用

齒輪是機械裝備的主要基礎零部件，研究它的計算機仿真是很有意義的。如運用Visual Lisp語言可以從幾何角度研究齒輪任何端面齒形的建模和傳動仿真；圓弧針齒行星傳動的動力學研究也能運用電腦仿真技術；利用計算機仿真研究了影響正交面齒輪傳動接觸點的主要參數（包括主動齒輪與刀具齒數差、齒數比、模數等）；在齒輪泵的齒輪研發設計中也很好的應用了計算機仿真。

3.2 在機械結構件設計方面的應用

機械產品要由大量的機構組裝起來實現設定好的工藝動作，在進行新產品研發時，這些機構是否能正確地實現所設定的動作，機構與機構之間的運動是否配合得當，機構間是否存在干涉和干涉的部位，怎樣選擇各種機構組合方案來更好地滿足設計標準，這些問題都需要借助計算機仿真來解決。大型的三維機械設計軟件都會提供一個機構運動仿真的功能模塊，在虛擬環境中設計好的裝配體可以模擬演示機構的運動，是一種直觀方便的工具軟件。這種軟件可以依據裝配的關系自行主動來計算機構中的運動副，并能自動增添附加的運動發生器、鉸鏈和彈簧；要進行運動學的仿真只需要設定主運動件就可以了，還能從任何角度來觀察，軟件還能對機構的運動干涉進行檢查，設計人員可以很方便地進行檢查驗證。

3.3 在復雜數值計算分析方面的應用

隨著計算機技術在機械工程中的應用越來越廣泛，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雜的工程計算分析簡單化、層次化，節省了大量的時間，避免了低水平的重復勞動，使計算分析更快、更準確，在新產品研發的設計、分析等方面發揮了重要的作用。機械產品開發的基本過程是概念設計→初步設計→詳細設計→試驗→修正設計→再試驗，直到滿足產品的要求標準，仿真技術的引入最大限度的減少了材料的浪費和縮短了耗時。對機械產品的動力學模型進行計算機仿真技術分析，可以獲得產品結構的強度應力、剛度應變和變形、動態特性固有頻率、振動模態、熱態特性溫度場、熱變形等參數，根據計算分析能得到容易導致機械出現疲勞失效的風險因素以及其它潛在的問題。

3.4 在復雜機械加工研究方面的應用

機械加工是機械設計制造行業的生產基礎，使用計算機仿真有助于發現其深層次機理，為增強機械加工的性能和質量供給了強有力的理論支持。在數控加工中，利用計算機輔助數控加工模塊編制CNC機床的零件加工程序，用生成的圖形信息或者數據通過轉換變成控制指令，然后設置加工參數等。在磨削加工方面，創建的數學模型描述磨削過程是以時間變化為依據的，這樣生成的計算機仿真模型能夠預先推測評估磨削的行為和質量，為磨削加工過程的最優化、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，開發出切削振動仿真的通用軟件，就可以用數字仿真技術來探討銑削振動的機理和條件。在電火花切割方面，建立多軸聯動加工復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估、參數的最優化。