仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

摘 要 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，人們的生產(chǎn)生活越來(lái)越離不開(kāi)計(jì)算機(jī)技術(shù)。而伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)也得以普及，在計(jì)算機(jī)中利用相關(guān)軟件對(duì)所需設(shè)計(jì)做出虛擬實(shí)驗(yàn)，其發(fā)展和應(yīng)用綜合了多門(mén)學(xué)科與理論，為人們的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)帶來(lái)了極大便利。本文對(duì)仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)中的應(yīng)用進(jìn)行介紹，指出了仿真技術(shù)對(duì)該行業(yè)的重要性，從模型的創(chuàng)建、變換、和實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面闡述了仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的步驟，從齒輪設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)、復(fù)雜機(jī)械加工等方面對(duì)仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用進(jìn)行探析。

【關(guān)鍵詞】仿真技術(shù) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造 模型創(chuàng)建 應(yīng)用

仿真技術(shù)是伴隨著計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用而興起的，它結(jié)合了多門(mén)學(xué)科及理論，充分利用計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件對(duì)所需要的設(shè)計(jì)展開(kāi)虛擬實(shí)驗(yàn)，是一種綜合性技術(shù)。在早期的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)中，通過(guò)隨機(jī)數(shù)實(shí)驗(yàn)的方法解決問(wèn)題，也被稱(chēng)之為蒙塔卡羅方法。仿真技術(shù)的成熟與穩(wěn)定是在科技與工業(yè)的發(fā)展中進(jìn)行的，對(duì)人們的生產(chǎn)生活產(chǎn)生了不可磨滅的影響。它從出現(xiàn)到應(yīng)用普及主要經(jīng)歷了三個(gè)主要階段：模擬機(jī)仿真、模擬數(shù)字混合機(jī)仿真以及數(shù)字機(jī)仿真。

1 仿真技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的作用

仿真技術(shù)指的是設(shè)計(jì)人員以計(jì)算機(jī)為載體，通過(guò)利用相關(guān)軟件建立數(shù)據(jù)模型，對(duì)各性能參數(shù)進(jìn)行分析從而選擇最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案，與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法相比安全可靠、使用靈活，大大節(jié)約了資金，也節(jié)約了反復(fù)制造實(shí)物的時(shí)間，因其不需要制造實(shí)物而又被稱(chēng)為虛擬樣機(jī)技術(shù)。現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)中，因?yàn)楹芏嘞到y(tǒng)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)量龐大，在實(shí)驗(yàn)中存在很多難題，因此需要在計(jì)算機(jī)中建立相對(duì)應(yīng)的模型對(duì)其進(jìn)行仿真，對(duì)其各項(xiàng)參數(shù)性能等進(jìn)行分析。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造的初期，設(shè)計(jì)人員只要根據(jù)不同的方案在仿真軟件中建立虛擬樣機(jī)，便可以完成對(duì)不同假設(shè)的虛擬實(shí)驗(yàn)，選擇最優(yōu)方案或者對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn)都非常方便。在機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)中使用仿真技術(shù)不僅可以使計(jì)算更加精確，提升研發(fā)質(zhì)量，而且也在一定程度上提升了研發(fā)效率，節(jié)約了研發(fā)資金。

2 仿真過(guò)程的實(shí)現(xiàn)

2.1 模型的建立

在機(jī)械設(shè)計(jì)制作的過(guò)程中，若要使用仿真技術(shù)，首先就要設(shè)計(jì)編輯條件和約束條件，確定研究目標(biāo)，進(jìn)而建立一個(gè)可以滿(mǎn)足系統(tǒng)要求的仿真運(yùn)行系統(tǒng)。系統(tǒng)初步建立之后，便要求設(shè)計(jì)者根據(jù)相應(yīng)的學(xué)科知識(shí)對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)字化表述，也就是對(duì)系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型。通常狀況下，數(shù)學(xué)模型由于時(shí)間不同可分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩種，其中動(dòng)態(tài)模型又可以分為離散、連續(xù)和混合時(shí)間三種。

2.2 模型的變換

這一步驟指的是把初步建立的模型通過(guò)數(shù)學(xué)表達(dá)式的作用變換成計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別的樣式，這一過(guò)程運(yùn)用了部分合適的計(jì)算機(jī)算法及語(yǔ)言，是仿真的基礎(chǔ)，也稱(chēng)之為仿真模型。若要實(shí)現(xiàn)模型的變換，設(shè)計(jì)者可以使用現(xiàn)有的仿真軟件，也可以根據(jù)系統(tǒng)需求自行開(kāi)發(fā)。

2.3 模型的實(shí)驗(yàn)

模型的實(shí)驗(yàn)指的是通過(guò)在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行仿真模型能夠得到相應(yīng)的仿真結(jié)果。做好了模型的建立和變換這兩大步驟，也就為模型的實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ)，只要是按照預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)來(lái)展開(kāi)的前幾個(gè)步驟，那么這一步驟的實(shí)現(xiàn)并不困難。在對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行衡量時(shí)，要對(duì)其可靠性進(jìn)行分析，通常使用的方法有以下兩種：置信通道法以及仿真過(guò)程的反向驗(yàn)證法。

3 仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

3.1 在齒輪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在機(jī)械裝備中，齒輪可謂是最重要的零部件之一，因此，在設(shè)計(jì)中對(duì)其性能進(jìn)行仿真意義重大，并且不少設(shè)計(jì)者也針對(duì)此問(wèn)題做了大量研究。其中包括：使用visual lisp語(yǔ)言對(duì)齒輪端面的建模和仿真，從任意幾何角度對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估；用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)展開(kāi)對(duì)圓弧針齒行星傳動(dòng)的研究；對(duì)影響正交齒輪傳動(dòng)接觸點(diǎn)的主要參數(shù)進(jìn)行研究等等。此外，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在齒輪泵的齒輪設(shè)計(jì)中應(yīng)用也十分廣泛。

3.2 在機(jī)械結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用

一個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的完成需要各部分機(jī)械結(jié)構(gòu)件的組合，共同發(fā)揮它們的綜合作用。因此，在對(duì)一個(gè)新產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，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(dāng)、如何選取組合方案等問(wèn)題，都離不開(kāi)事先用仿真技術(shù)進(jìn)行模擬優(yōu)化。現(xiàn)在市場(chǎng)主流的大型三維設(shè)計(jì)軟件都對(duì)結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真功能進(jìn)行了開(kāi)發(fā)，根據(jù)在該軟件中設(shè)計(jì)的裝配體的性能，對(duì)演示結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)展開(kāi)模擬，如果需要運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，只需要提前設(shè)置好主運(yùn)動(dòng)件，具有極大的便利性。此外，在這些大型三維設(shè)計(jì)軟件的仿真運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，設(shè)計(jì)者能夠從任意角度觀察運(yùn)動(dòng)結(jié)果，還能幫助設(shè)計(jì)者檢查結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉等問(wèn)題，功能十分強(qiáng)大。

3.3 在復(fù)雜機(jī)械加工研究方面的應(yīng)用

作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的生產(chǎn)基礎(chǔ)，用仿真技術(shù)對(duì)機(jī)械加工尤其是復(fù)雜機(jī)械加工能夠幫助設(shè)計(jì)者研究深層次機(jī)理，在理論程度上提升了這一步驟的性能與質(zhì)量。在數(shù)控加工的過(guò)程中，可以使用仿真技術(shù)編寫(xiě)CNC機(jī)床的零件加工程序，然后轉(zhuǎn)換成為對(duì)應(yīng)的圖形信息，通過(guò)這些信息設(shè)計(jì)者很容易對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。在磨削加工中，通過(guò)磨削時(shí)間的不同展開(kāi)對(duì)這一步驟的建模，以此建立的仿真模型可以對(duì)磨削的性能和質(zhì)量進(jìn)行預(yù)測(cè)，促使磨削步驟的最優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著經(jīng)濟(jì)規(guī)模的擴(kuò)大，現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)得以迅速發(fā)展，各生產(chǎn)步驟和工藝越來(lái)越復(fù)雜，因此，必須借助自動(dòng)測(cè)試和仿真等計(jì)算機(jī)技術(shù)幫助設(shè)計(jì)者對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。尤其是伴隨著仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的使用，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)者從復(fù)雜龐大的信息中對(duì)機(jī)械部件或者加工過(guò)程的最優(yōu)化控制，解決了傳統(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)制造過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題。

參考文獻(xiàn)

[1]張小亞.淺談虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)與制造中的應(yīng)用[J].企業(yè)導(dǎo)報(bào)，2011（16）：276-277.

[2]崔松華.CAD/CAM技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用研究[J].考試周刊，2014（35）：99-100.

[3]張曉霞.遺傳算法在機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真技術(shù)研究[D].太原：中北大學(xué)，2008.

作者簡(jiǎn)介

熊勇（1974-），男，四川省內(nèi)江市人。工程碩士學(xué)位。現(xiàn)為內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系講師。研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

作者單位

內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系 四川省內(nèi)江市 641000