相似理論及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用

朱金鑫

摘 要：理論研究對(duì)推動(dòng)科學(xué)發(fā)展進(jìn)程具有積極意義。我國(guó)機(jī)械工程的發(fā)展腳步不斷加快，其中，相似理論起到了很大的促進(jìn)作用。相似理論主要指，將理論知識(shí)的導(dǎo)向作用充分發(fā)揮出來(lái)，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行模型構(gòu)建，再參照理論擬定實(shí)際操作步驟。本文將對(duì)相似理論及其在機(jī)械工程中的應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要論述。

關(guān)鍵詞：相似理論；機(jī)械工程；科學(xué)發(fā)展

相似理論起源于20世紀(jì)，且自問(wèn)世之初就開(kāi)始廣泛的被國(guó)內(nèi)外的物理學(xué)家關(guān)注。現(xiàn)實(shí)生活中存在許多極其相似的物理現(xiàn)象，其原理也多數(shù)相同。相似理論，顧名思義是對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中出現(xiàn)的影響相似作用的元素及其體現(xiàn)出來(lái)的物理性質(zhì)進(jìn)行的研究。隨著世界科技水平的提升，相似理論也處于逐漸被完善的過(guò)程中。

一、相似理論概念探析

（一）相似準(zhǔn)則以及相似常數(shù)值

是指對(duì)系統(tǒng)中某一“量”的表示，且此“量”在不同的系統(tǒng)中具有不同的數(shù)值，但是當(dāng)某一現(xiàn)象在兩個(gè)相似系統(tǒng)之間進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換時(shí)，相似準(zhǔn)則卻是保持不變的。而相似常數(shù)值是指兩個(gè)相似系統(tǒng)中的同一參量具體數(shù)值的比值[1]。

（二）相似準(zhǔn)則求解方法

1.定律分析法

運(yùn)用已知物理為相似準(zhǔn)則求解，即為定律分析法。此種方法需要相關(guān)的科研人員對(duì)研究對(duì)象及其所包含的物理定理具有明確認(rèn)知，其中，應(yīng)明確各定理相互間的聯(lián)系以及各定理的主次關(guān)系，對(duì)可忽略與不可忽略的因素也要進(jìn)行謹(jǐn)慎考慮。個(gè)別定理間的關(guān)系還需要通過(guò)試驗(yàn)確定，不便于問(wèn)題的快速解決。

2.方程分析法

對(duì)在已知物理模型基礎(chǔ)上的數(shù)學(xué)模型可利用已知物理方程、積分方程以及微分方程進(jìn)行相似準(zhǔn)則的求解，我們稱(chēng)之為方程分析法。其中，以積分類(lèi)比法和相似轉(zhuǎn)換法較為常用。

3.量綱分析法

由基本量度單位的表達(dá)式導(dǎo)出的量度單位表達(dá)式，稱(chēng)之為量綱。量綱分析法是在研究對(duì)象相似性的問(wèn)題時(shí)，對(duì)各物理量的量綱進(jìn)行考察的過(guò)程中產(chǎn)生的，其理論基礎(chǔ)是有關(guān)量綱的齊次方程數(shù)學(xué)理論。一般來(lái)講，說(shuō)明物理現(xiàn)象的方程多為齊次的，這也是量綱分析導(dǎo)出定理的基礎(chǔ)。

上述方法中，有關(guān)近代工程技術(shù)問(wèn)題的解決，用到的多為量綱分析法，其與方程分析法比較而言：可運(yùn)用方程分析法的問(wèn)題，都可以運(yùn)用量綱分析法，而運(yùn)用量綱分析法解決的問(wèn)題，則不一定可以用方程分析法解決。因此，在具體的相似分析過(guò)程中，也不排除結(jié)合多種方法進(jìn)行綜合使用的可能。

二、相似理論在機(jī)械工程中的應(yīng)用

（一）相關(guān)領(lǐng)域中的應(yīng)用

相似理論在機(jī)械工程中，也叫作相似工程學(xué)，主要指對(duì)相似理論進(jìn)行深入研究后，提出的一種新型理論，其不止表現(xiàn)在表面的文字意思上，還廣泛涉及到其他相關(guān)領(lǐng)域，其不僅包括探索自然界中相似性的科研工程，對(duì)社會(huì)活動(dòng)也有所涉及[2]。

例如：第一，分析地球生態(tài)系統(tǒng)中存在的相似規(guī)律，創(chuàng)建產(chǎn)業(yè)，維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡，發(fā)展生態(tài)城市以及生態(tài)農(nóng)業(yè)。第二，研究相似管理工程、相似制作工程、相似設(shè)計(jì)工程。第三，進(jìn)行相關(guān)的相似工程機(jī)械制造，研究電器、電子產(chǎn)品，制造機(jī)器人以及相關(guān)的人工智能。第四，對(duì)不同國(guó)家、地區(qū)的經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)模式以及社會(huì)系統(tǒng)之間的相似性進(jìn)行分析，促進(jìn)各國(guó)以及各地區(qū)之間的科技、文化交流。

（二）在工程技術(shù)中的應(yīng)用

相似理論廣泛的被應(yīng)用于工程技術(shù)中，例如，人機(jī)系統(tǒng)的相似設(shè)計(jì)、工程系統(tǒng)的相似設(shè)計(jì)、機(jī)械系統(tǒng)的相似設(shè)計(jì)、人機(jī)系統(tǒng)的相似設(shè)計(jì)、成組技術(shù)以及相似模擬制造。其中，相似模型被應(yīng)用于系統(tǒng)仿真、相似模擬、相似設(shè)計(jì)以及相似分析，并最終使得被模仿模型與模仿模型共同構(gòu)成相似系統(tǒng)，從而獲取被模仿的系統(tǒng)參數(shù)信息。因此，對(duì)工程技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行相似性分析是至關(guān)重要的。

簡(jiǎn)而言之，相似理論在工程技術(shù)中的具體應(yīng)用為：以相似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，將具有相似性質(zhì)的機(jī)械零件以及產(chǎn)品，運(yùn)用相似的工藝、裝備以及方法，進(jìn)行相似單元的生產(chǎn)制造，并對(duì)之進(jìn)行相似管理。

（三）在機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1.系統(tǒng)分析

系統(tǒng)由兩個(gè)或兩個(gè)以上的要素組成，是具有綜合行為和整體功能的統(tǒng)一整體。由多個(gè)構(gòu)件組成，并可以完成一定動(dòng)作且具有特定功能的機(jī)器即為一個(gè)系統(tǒng)，通常一部機(jī)器由多個(gè)可以相互聯(lián)系的機(jī)構(gòu)組成，其中包含傳動(dòng)系統(tǒng)。因此，機(jī)械系統(tǒng)的相似性，主要指機(jī)構(gòu)以及機(jī)器之間具有的相似性。

機(jī)械系統(tǒng)是由不同結(jié)構(gòu)單元結(jié)合而成的，例如工作單元、傳動(dòng)單元等。每一個(gè)獨(dú)立的單元就可能是一個(gè)相似層次，而不同的單元、層次都可以構(gòu)成不同的子相似系統(tǒng)。假使傳動(dòng)單元為齒輪傳動(dòng)，那么在此系統(tǒng)的相似設(shè)計(jì)中，就可以把傳動(dòng)單元看做一個(gè)子系統(tǒng)。對(duì)機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行相似性分析，是為了分析系統(tǒng)及其部件之間的相似性，從而將其運(yùn)用進(jìn)新的設(shè)計(jì)之中。

2.簡(jiǎn)化模型

簡(jiǎn)化模型的參數(shù)選擇極為復(fù)雜，大多時(shí)候增加參數(shù)不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生其他影響，但去掉參數(shù)卻可能產(chǎn)生影響。因此，對(duì)擇選參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)影響度分析，需涉及數(shù)據(jù)推理。以零件的參數(shù)數(shù)量、零件間的相似參數(shù)比例系數(shù)、相似參數(shù)比重系數(shù)以及相似參數(shù)數(shù)量為依據(jù)，得出相似參數(shù)值，并由相似度量值以及相似參數(shù)值決定相似參數(shù)的選擇，進(jìn)而對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化。

3.模型的建立與實(shí)驗(yàn)

在簡(jiǎn)化模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，其可分為虛擬模擬以及實(shí)體模擬。20世紀(jì)前期主要的科研手段即模型試驗(yàn)，后期由于各種CAE/CAM/CAD軟件的出現(xiàn)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得動(dòng)態(tài)仿真變成了主要的科研方式。而對(duì)未來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)而言，將計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真模擬與模型試驗(yàn)相結(jié)合，會(huì)成為其新型的科研手段之一。在進(jìn)行虛擬模型建立時(shí)，應(yīng)盡可能的保留主要參數(shù)，并合理簡(jiǎn)化對(duì)系統(tǒng)無(wú)影響的無(wú)關(guān)參數(shù)，以求達(dá)到更好的模擬效果。

三、結(jié)論

相似理論是一門(mén)獨(dú)立的學(xué)科，其應(yīng)用發(fā)展還有很大的進(jìn)步空間，而其與具體實(shí)物進(jìn)行的有機(jī)結(jié)合還有待被深入研究。由于相似理論本身具有的概念較為抽象，因此，對(duì)其進(jìn)行的理解也尤為重要，在將其具體應(yīng)用進(jìn)機(jī)械工程時(shí)，需要將計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用相似理論相結(jié)合，從而優(yōu)化工程，有助于提高經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

[1]王春華，劉影.相似理論在泡沫鋁沖擊吸能過(guò)程的應(yīng)用分析[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2017，（10）：1-7.

[2]趙冰春.基于相似理論的典型大氣邊界層流動(dòng)的數(shù)值模擬研究[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2016.