機(jī)械工程中計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用探究

【摘 要】隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，其應(yīng)用已滲透到機(jī)械工程的每一領(lǐng)域并發(fā)揮不可替代的作用。文章分別從機(jī)械工程的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、機(jī)械設(shè)備等領(lǐng)域詳細(xì)介紹了計(jì)算機(jī)在其中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】機(jī)械工程；計(jì)算機(jī)；應(yīng)用

在信息時(shí)代的今天，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)滲透到化工機(jī)械行業(yè)的每一個(gè)領(lǐng)域。計(jì)算機(jī)軟、硬件的每一個(gè)進(jìn)步都極大地影響著機(jī)械行業(yè)的技術(shù)進(jìn)展，尤其在機(jī)械工程的科研領(lǐng)域，計(jì)算機(jī)已占據(jù)著不可替代的重要地位，機(jī)械工程活動對計(jì)算機(jī)的依賴還會越來越顯著。因此，探究機(jī)械工程中計(jì)算機(jī)應(yīng)用具有重要的意義。

1.機(jī)械設(shè)計(jì)中的計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用

1.1 CAD技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）：是指工程技術(shù)人員以計(jì)算機(jī)為輔助工具來完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的各項(xiàng)工作，如草圖繪制、零件設(shè)計(jì)、工裝設(shè)計(jì)、工程分析等。

①CAD的基本應(yīng)用主要包括：利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件繪制幾何實(shí)體造型，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)件庫選取調(diào)用，標(biāo)注標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的引用，進(jìn)行零件的設(shè)計(jì)計(jì)算，將制圖工具變?yōu)樵O(shè)計(jì)工具，以及將通用的設(shè)計(jì)工具平臺轉(zhuǎn)變?yōu)閷Ｓ玫脑O(shè)計(jì)系統(tǒng)等等。

②CAD與設(shè)計(jì)方法的集成應(yīng)用包括：

基于模塊化設(shè)計(jì)方法的CAD、基于DFX設(shè)計(jì)方法的CAD、基于優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的CAD、基于可靠性設(shè)計(jì)方法的CAD、支持自頂向下方式的CAD、智能CAD、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同設(shè)計(jì)CAD通常用到相關(guān)軟件有：AutoCAD、CAXA 、Pro/E、Solidworks、I-deas、UG等。

1.2 CAE技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）分析是在三維實(shí)體建模的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)階段開始，按照實(shí)際使用的條件進(jìn)行仿真和結(jié)構(gòu)分析，按照性能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和綜合評價(jià)，以便從多個(gè)設(shè)計(jì)方案中選擇最佳方案。通常包括有限元分析法、優(yōu)化設(shè)計(jì)、仿真技術(shù)、試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析等。

1.2.1有限元分析

有限元分析：是指使用有限元軟件對機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析。包括強(qiáng)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）。

有限元建模：網(wǎng)格劃分、邊界條件的確定。

常用有限元分析軟件有：ANSYS、SAP、ADINA、NASTRAN等。

1.2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化化設(shè)計(jì)：指運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)算法，以機(jī)械的某項(xiàng)或多項(xiàng)性能指標(biāo)最優(yōu)為目標(biāo)，求解其設(shè)計(jì)參數(shù)。利用該技術(shù)核心操作就是一要選定優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)；二要確定設(shè)計(jì)參數(shù)和約束條件。常用的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件有：ISIGHT、OPB—2。

1.2.3計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)仿真又稱數(shù)學(xué)仿真，即建立系統(tǒng)（或過程）的可以計(jì)算的數(shù)學(xué)模型（仿真模型），并據(jù)此編制成仿真程序放入計(jì)算機(jī)迸行仿真試驗(yàn)，掌握實(shí)際系統(tǒng)（或過程）在各種內(nèi)外因素變化下性能的變化規(guī)律。

計(jì)算機(jī)訪真的基本方法是將實(shí)際系統(tǒng)抽象描述為數(shù)學(xué)模型，再轉(zhuǎn)化成計(jì)算機(jī)求解的仿真模型，然后編制程序，上機(jī)運(yùn)行，進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)并顯示結(jié)果。具體步驟如下：

（1）建立數(shù)學(xué)模型（2）建立仿真模型（3）編制仿真程序（4）進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)（5）結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析（6）仿真工作總結(jié)。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中利用該技術(shù)主要是通過建立真實(shí)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，分析實(shí)際系統(tǒng)的行為特征。包括：運(yùn)動學(xué)仿真、動力學(xué)仿真、裝配關(guān)系仿真、其它性能的仿真、過程和系統(tǒng)狀態(tài)仿真等。

在機(jī)械設(shè)計(jì)中利用該技術(shù)的關(guān)鍵之處在于能夠建立出真實(shí)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模型，包括數(shù)學(xué)模型（形式化描述）和仿真模型（仿真算法）。常用仿真軟件有：MATLAB、ADAMS等。

1.2.4試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析

試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析通常指“對系統(tǒng)或部分的一個(gè)實(shí)驗(yàn)過程，其目的是獲得其動態(tài)或振動特性的數(shù)學(xué)描述”。對于不同的應(yīng)用，其數(shù)學(xué)描述或模型也是不同的，在一種情況下可以是對固有頻率和阻尼系數(shù)的估計(jì)，而在另一種情況下又可以是質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)的模型建立。

利用CAE技術(shù)在機(jī)械工程中進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析應(yīng)用主要在以下幾個(gè)方面：

（1）評價(jià)實(shí)際結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動態(tài)特性。（2）在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的預(yù)估及優(yōu)化設(shè)計(jì)。（3）診斷及預(yù)報(bào)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的故障。（4）控制結(jié)構(gòu)的輻射噪聲。（5）識別結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的載荷。

2.在機(jī)械制造中的計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用

2.1 CAM技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）：是指借助計(jì)算機(jī)來完成從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造出來的過程中的各項(xiàng)活動，如計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工編程、制造過程控制、質(zhì)量檢測與分析等。在機(jī)械制造中主要是利用計(jì)算機(jī)輔助編制CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)字的控制）機(jī)床的零件加工程序。

所謂數(shù)控加工程序編制，就是指根據(jù)零件的圖形尺寸、工藝過程、工藝參數(shù)、機(jī)床的運(yùn)動以刀具位移等內(nèi)容，按照數(shù)控機(jī)床的編程格式和能識訓(xùn)的語言記錄在程序單上，再按規(guī)定把程序單制備成控制介質(zhì)（程序信息載體），如程序穿孔紙帶或磁盤，變成數(shù)控系統(tǒng)能讀取的信息，再通過輸入設(shè)備送入數(shù)控裝置進(jìn)行試切，若不合格則修改程序，直至合格為止。

數(shù)控程序編程的具體步驟如下：（l）分析零件圖樣（2）確定工藝過程（3）數(shù)值計(jì)算（4）編寫程序單（5）制作程序載體（6）程序校驗(yàn)及首件試切。

2.2 CAPP技術(shù)的應(yīng)用

計(jì)算機(jī)輔助工藝規(guī)程設(shè)計(jì)（CAPP）：是指工藝人員借助于計(jì)算機(jī)，根據(jù)產(chǎn)品制造工藝要求，交互地或自動地確定產(chǎn)品加工方法和方案，如加工方法選擇、工藝路線確定、工序設(shè)計(jì)等。在機(jī)械制造中主要是利用計(jì)算機(jī)輔助制定零件的加工工藝過程，具體包括：零件信息的描述、毛坯選擇、工藝過程擬定（工藝方案分析）、工藝參數(shù)計(jì)算、工藝文件的生成。

應(yīng)用CAPP系統(tǒng)，不僅可以大大提高工藝規(guī)程的生成速度和質(zhì)量，而且對CAPP系統(tǒng)操作人員對工藝規(guī)程設(shè)計(jì)熟練程度的要求可以較低，即工藝經(jīng)驗(yàn)較少的工藝人員也能借助CAPP系統(tǒng)設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的工藝規(guī)程。

此外，在機(jī)械設(shè)備中也有計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用。主要在體現(xiàn)在利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對設(shè)備進(jìn)行檢測和控制兩大方面。

2.2.1計(jì)算機(jī)檢測技術(shù)

在機(jī)械設(shè)備中計(jì)算機(jī)檢測技術(shù)是指利用計(jì)算機(jī)采集、分析處理、存儲機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。其主要的用途是對設(shè)備的在線監(jiān)控和診斷。

2.2.2計(jì)算機(jī)控制

在機(jī)械設(shè)備中計(jì)算機(jī)控制是指利用計(jì)算機(jī)作為控制器對機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行過程和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行自動控制。具體包括：程序控制、順序控制、恒值控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制、計(jì)算機(jī)直接控制、計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制、計(jì)算機(jī)分級控制、計(jì)算機(jī)分布式控制等。

總之，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，推動了機(jī)械工程各個(gè)領(lǐng)域的革命；分析機(jī)械工程中計(jì)算機(jī)應(yīng)用對于優(yōu)化和創(chuàng)新機(jī)械工程中每個(gè)作業(yè)流程意義深遠(yuǎn)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]郭仁生.機(jī)械工程設(shè)計(jì)分析和MATLAB應(yīng)用（第3版）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012，1.