蔣佳興

【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)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)得到普及，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)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，指出仿真技術(shù)對(duì)此行業(yè)的重要性，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)行分析。

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

一、仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的重要作用

計(jì)算機(jī)仿真被稱(chēng)為虛擬樣機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)人員利用特定軟件在計(jì)算機(jī)上建立模型，同動(dòng)態(tài)性能參數(shù)分析來(lái)優(yōu)化樣機(jī)方案，不需要大量制造實(shí)物樣機(jī)，從而用數(shù)字化新型技術(shù)取代傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，并具有節(jié)約資金、安全可靠、方便靈活及可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。在機(jī)械工程計(jì)算中，為了解決很多復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和實(shí)驗(yàn)等難題，需要在計(jì)算機(jī)中建立真實(shí)系統(tǒng)的仿真模型，分析實(shí)際系統(tǒng)的活動(dòng)特征。在研發(fā)設(shè)計(jì)的初始階段，設(shè)計(jì)人員需要用工具軟件做不同設(shè)計(jì)，并建立虛擬樣機(jī)，對(duì)現(xiàn)實(shí)或假設(shè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究和試驗(yàn)，監(jiān)測(cè)和改進(jìn)系統(tǒng)十分便利。仿真技術(shù)引入不僅提高機(jī)械設(shè)備研究設(shè)計(jì)的質(zhì)量，減少零部件的開(kāi)發(fā)周期和降低制造成本。

傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，一方面，因?yàn)樾枰斯ず瞬閿?shù)據(jù)，加上方案制作程序較多，很難在設(shè)計(jì)的過(guò)程中完成模型測(cè)試，導(dǎo)致隱藏的問(wèn)題不易發(fā)現(xiàn);另一方面，隨著機(jī)械制造行業(yè)迅速發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)尤其是系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加多樣化，設(shè)計(jì)的過(guò)程中難免會(huì)有龐大的數(shù)據(jù)信息，這就會(huì)使得實(shí)驗(yàn)的過(guò)程比較繁瑣，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較困難，會(huì)遇到各種各樣的矛盾和問(wèn)題。因此，在進(jìn)行設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們引入仿真技術(shù)，通過(guò)建立真實(shí)系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果和參數(shù)進(jìn)行分析，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化參數(shù)配置，以期得到最佳設(shè)計(jì)方案。這樣，不僅極大地提高了方案的可靠性和安全性，而且大大提升了機(jī)械設(shè)計(jì)和研發(fā)產(chǎn)品的質(zhì)量，大幅縮短了開(kāi)發(fā)周期，降低了開(kāi)發(fā)成本。

二、仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

要實(shí)現(xiàn)仿真技術(shù)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)無(wú)法直接識(shí)別和處理實(shí)際的研究對(duì)象，所以首先需要建立一個(gè)既符合分析要求又能反映實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型，即所謂的建模。建模過(guò)程涉及高等數(shù)學(xué)、數(shù)據(jù)處理等知識(shí)的綜合運(yùn)用。在建模過(guò)程中，一定要保證其精確度，這將直接關(guān)系著仿真的精度。計(jì)算機(jī)通過(guò)處理這些抽象的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過(guò)變換建立仿真模型，輸出與真實(shí)系統(tǒng)相關(guān)的某些特質(zhì)和參數(shù)，供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行分析。

1.模型建立

模型的建立，就是首先對(duì)研究的問(wèn)題抽象出一個(gè)能進(jìn)行有效仿真的可靠系統(tǒng)，并對(duì)其加上合理的約束條件和邊界條件，然后運(yùn)用相關(guān)的學(xué)科知識(shí)用數(shù)學(xué)表達(dá)式將這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確闡述，也就是仿真的核心———數(shù)學(xué)模型[2]。按照是否隨時(shí)間的變化而變化，數(shù)學(xué)模型分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，而動(dòng)態(tài)模型也有連續(xù)時(shí)間模型、離散時(shí)間模型和混合時(shí)間模型三種;按照是否考慮隨機(jī)因素，數(shù)學(xué)模型分為確定性模型和隨機(jī)性模型。

2.模型變換

模型的變換，就是把數(shù)學(xué)模型中抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)式轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別處理的形式，這需要適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)語(yǔ)言和算法作為基礎(chǔ)，這個(gè)過(guò)程就是仿真的基礎(chǔ)———建立仿真模型。設(shè)計(jì)人員可以使用已有的仿真軟件，也可以根據(jù)需要自行研發(fā)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真模型的創(chuàng)建。模型變換是仿真技術(shù)的關(guān)鍵步驟，需要專(zhuān)業(yè)的計(jì)算機(jī)知識(shí)應(yīng)用能力。

3.模型實(shí)驗(yàn)

模型的實(shí)驗(yàn)，就是將仿真模型輸入到計(jì)算機(jī)中運(yùn)行，獲取仿真結(jié)果的過(guò)程。只要模型建立和變換兩個(gè)核心步驟做好，模型的仿真實(shí)驗(yàn)是非常簡(jiǎn)單易行的。但是，我們需要通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行可靠性分析來(lái)衡量仿真結(jié)果，常用的方法有置信通道法以及仿真過(guò)程的反向驗(yàn)證法。

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

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。

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?Y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?，F(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.在復(fù)雜數(shù)值計(jì)算分析方面的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，以往許多由于條件限制無(wú)法進(jìn)行計(jì)算分析的復(fù)雜問(wèn)題，都可以通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真得到滿(mǎn)意的解決;另外，計(jì)算機(jī)輔助使大量復(fù)雜的工程計(jì)算分析簡(jiǎn)單化、層次化，節(jié)省了大量的時(shí)間，避免了低水平的重復(fù)勞動(dòng)，使計(jì)算分析更快、更準(zhǔn)確，在新產(chǎn)品研發(fā)的設(shè)計(jì)、分析等方面發(fā)揮了重要的作用。機(jī)械產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的基本過(guò)程是概念設(shè)計(jì)→初步設(shè)計(jì)→詳細(xì)設(shè)計(jì)→試驗(yàn)→修正設(shè)計(jì)→再試驗(yàn)，直到滿(mǎn)足產(chǎn)品的要求標(biāo)準(zhǔn)，仿真技術(shù)的引入最大限度的減少了材料的浪費(fèi)和縮短了耗時(shí)。對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析，可以獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)力、剛度應(yīng)變和變形、動(dòng)態(tài)特性固有頻率、振動(dòng)模態(tài)、熱態(tài)特性溫度場(chǎng)、熱變形等參數(shù)，根據(jù)計(jì)算分析能得到容易導(dǎo)致機(jī)械出現(xiàn)疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)因素以及其它潛在的問(wèn)題。

4.在復(fù)雜機(jī)械加工研究方面的應(yīng)用

機(jī)械加工是機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的生產(chǎn)基礎(chǔ)，使用計(jì)算機(jī)仿真有助于發(fā)現(xiàn)其深層次機(jī)理，為增強(qiáng)機(jī)械加工的性能和質(zhì)量供給了強(qiáng)有力的理論支持。在數(shù)控加工中，利用計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工模塊編制CNC機(jī)床的零件加工程序，用生成的圖形信息或者數(shù)據(jù)通過(guò)轉(zhuǎn)換變成控制指令，然后設(shè)置加工參數(shù)等。在磨削加工方面，創(chuàng)建的數(shù)學(xué)模型描述磨削過(guò)程是以時(shí)間變化為依據(jù)的，這樣生成的計(jì)算機(jī)仿真模型能夠預(yù)先推測(cè)評(píng)估磨削的行為和質(zhì)量，為磨削加工過(guò)程的最優(yōu)化、自動(dòng)化、虛擬化提供了必要的前提條件。模型建立在變進(jìn)給過(guò)程磨削功率的變化量之上，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真能得到最佳磨削方案可用在實(shí)際磨削加工中。在銑削加工方面，建立銑切削過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型，開(kāi)發(fā)出切削振動(dòng)仿真的通用軟件，就可以用數(shù)字仿真技術(shù)來(lái)探討銑削振動(dòng)的機(jī)理和條件。在電火花切割方面，建立多軸聯(lián)動(dòng)加工復(fù)雜曲面的計(jì)算機(jī)仿真模型，就可以對(duì)電火花加工工藝進(jìn)行效果的預(yù)估、參數(shù)的最優(yōu)化。

結(jié)語(yǔ)

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，促進(jìn)現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，帶來(lái)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)各生產(chǎn)工藝與步驟的復(fù)雜化。因此需要運(yùn)用自動(dòng)測(cè)試與仿真等高新計(jì)算機(jī)技術(shù)為設(shè)計(jì)人員優(yōu)化設(shè)計(jì)方案提供技術(shù)支持。尤其是在仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中得到廣泛使用，使得設(shè)計(jì)人員從龐大復(fù)雜的信息中對(duì)機(jī)械加工過(guò)程或零部件設(shè)計(jì)進(jìn)行最優(yōu)化控制，為機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造更加有利的環(huán)境。

參考文獻(xiàn)

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