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(shù)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(fā)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(shù)字混合機仿真和數(shù)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(yī)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(yè)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(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)字化新型技術取代了傳統(tǒng)的實驗方法,并且具有節(jié)約資金、安全可靠、方便靈活以及可重復使用等優(yōu)點。如今在機械工程計算中,為了解決許多復雜系統(tǒng)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(tǒng)的仿真模型,來分析實際系統(tǒng)的活動特征。在研發(fā)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(xiàn)實的或者假設的系統(tǒng)進行仿真研究和試驗了,監(jiān)測和改進系統(tǒng)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(fā)周期和降低了制造的成本。
2 計算機仿真的實現(xiàn)
計算機仿真技術實現(xiàn)的前提是建立符合實際的電腦數(shù)學模型和仿真模型,這個過程涉及到圖形學、幾何造型學、數(shù)據(jù)處理技術和力學等知識的集合運用。計算機系統(tǒng)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(xiàn)研究客體實質的數(shù)學模型。
計算機處理這些將真實系統(tǒng)的實質抽象出來的數(shù)學模型,并輸出這些模型的相關參數(shù)來展示真實系統(tǒng)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(shù)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(xiàn)計算機仿真大體上分為三個步驟:
2.1 模型的創(chuàng)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(tǒng),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(tǒng)通過數(shù)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(shù)學模型。數(shù)學模型根據(jù)時間的關系可劃分為靜態(tài)模型和動態(tài)模型,而動態(tài)模型又分為連續(xù)時間、離散時間和混合時間三種;模型分為連續(xù)變量系統(tǒng)模型和離散事件系統(tǒng)模型是以系統(tǒng)的狀態(tài)描述和變化方式為依據(jù)的。
2.2 模型的變換
模型的變換就是把抽象出來的數(shù)學表達式轉換成計算機能夠處理的形式,這需要運用適當?shù)乃惴ê陀嬎銠C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(xiàn)這個過程,既可以根據(jù)自身需要研發(fā)一個新的系統(tǒng),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(chuàng)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(yè)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(shù)(包括主動齒輪與刀具齒數(shù)差、齒數(shù)比、模數(shù)等);在齒輪泵的齒輪研發(fā)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(xiàn)設定好的工藝動作,在進行新產品研發(fā)時,這些機構是否能正確地實現(xiàn)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(huán)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(jù)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(fā)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(shù)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(jié)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(fā)的設計、分析等方面發(fā)揮了重要的作用。機械產品開發(fā)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(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致機械出現(xiàn)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(yè)的生產基礎,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)通過轉換變成控制指令,然后設置加工參數(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先推測評估磨削的行為和質量,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(shù)的最優(yōu)化。