機械設計制造過程中的仿真技術分析

魯建軍　張寧

摘 要：如今，計算機仿真技術的應用對人們的生活影響越來越大，計算機仿真技術不像柴米油鹽一樣對人們的生活有直接影響，但是少了它人們的生活就會缺失一份色彩。計算機仿真技術廣泛用于國防、工業以及其他影響人們生活的各個領域。在各工程系統和項目建設之前的概念研究與系統的需求分析過程中，發揮著越來越重要的作用。

關鍵詞：仿真技術；機械設計；應用

計算機仿真技術是借助計算機與相關軟件，以多種學科和理論為基礎，以計算機及其軟件為工具對系統進行實驗研究的理論和方法體系，問題的分析和解決是通過虛擬實驗的方法達成的，是一門結合了多種學科和理論的綜合性技術。計算機仿真技術作為一門技術科學是在20世紀末21世紀初。早期的計算機仿真又被稱作蒙塔卡羅方法，是一門用隨機數通過實驗求解隨機問題的方法。隨著科技的發展科學與工業技術有了長足的發展之后而確定下來的，而且伴隨著科學與工業技術的發展，計算機仿真技術隨之發展。用自己特有的方式影響著人們的生活。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-數字混合機仿真和數字機仿真。

1 計算機仿真技術在機械制造行業的重要作用

機械制造業一般在國民經濟中占有重要比重自70年代以來，全球性的市場競爭日益激烈，產品消費結構不斷向多元化、個性化方向發展，產品的更新期和交貨期都在縮短。計算機仿真技術是一門綜合性強的技術，具有可靠、無破壞性、可多次重復、安全、經濟、不受氣候條件和場地區域限制等特點。但是實際操作系統不允許實驗研究，具有費用過高、危險性高、周期較長。計算機仿真技術就是模型試驗，仿真就是對顯示系統的某一層次抽象屬性的模仿。它可以使科研人員通過虛擬的樣機實驗得到準確可靠地設計方案，從而降低了失敗率，在降低開發成本的同時，加快了產品的開發過程，順利完成新產品的開發過程。如今在機械工程計算中，為了解決許多復雜系統的設計、分析和實驗等諸多難題，都需要在計算機中建立真實系統的仿真模型，來分析實際系統的活動特征。在研發設計的初始階段，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，就可以對現實的或者假設的系統進行仿真研究和試驗了，監測和改進系統也很便利。其開發的方法具有開發周期短、節奏快、開發成本低、反饋信息迅速全面、容易掌握等特點。

2 計算機仿真的實現

計算機仿真技術實現的前提是建立符合實際的電腦數學模型和仿真模型，利用計算機對系統進行分析與研究的方法。這個過程涉及到圖形學、幾何造型學、數據處理技術和力學等知識的集合運用。仿真技術是有層次的，既要針對想要處理的客觀系統的現實問題，又要針對提出處理者的各種需求層次來滿足其不同的需要。

計算機處理這些將真實系統的實質抽象出來的數學模型，并輸出這些模型的相關參數來展示真實系統的某些特質，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，其特點被研究人員所采用。數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。所以建模程度越精準計算機的仿真程度就越準。其中出來的數據就越精準，就更便于進行研究。綜上所述，要想實現計算機仿真大體上分為三個步驟。

2.1 模型的創建

通過編輯條件和約束條件的要求，根據要研究的目標或問題，首先需要建立起一個能夠達到條件需求的可靠的、準確的計算機仿真系統。然后，運用相關學科的知識把這個系統通過數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學模型。

2.2 模型的變換

運用相關的、恰當的計算機算法和計算機語言，把抽象出來的模型通過數學表達式轉換成計算機能夠處理的形式，這種模型就是計算機方針的基礎-仿真模型。實現這個過程，既可以根據自身需要研發一個新的系統，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，作為其主要部件對其進行仿真研究具有重要意義，很多的科研工作者在這方面做了相關研究。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（包括主動齒輪與刀具齒數差、齒數比、模數等）；在齒輪泵的齒輪研發設計中也很好的應用了計算機仿真。計算機仿真技術在齒輪泵的齒輪設計與制造中，同樣有著重要的應用。

3.3 在機械結構件設計方面的應用

機械產品要由大量的結構組裝起來實現設定好的工藝動作，在進行新產品研發時，這些結構是否能正確地實現所設定的動作，結構與結構之間的運動是否配合得當，結構間是否存在干涉和干涉的部位，怎樣選擇各種結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結構運動仿真的功能模塊，在虛擬環境中設計好的裝配體可以模擬演示結構的運動，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，軟件還能對結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。

3.4 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的生產基礎，使用計算機仿真有助于發現其深層次機理，為增強機械加工的性能和質量提供了強有力的理論支持。在數控加工中，利用計算機輔助數控加工模塊編制CNC 機床的零件加工程序，用生成的圖形信息或者數據通過轉換變成控制指令，然后設置加工參數等。在磨削加工方面，依賴于磨削時間的變化來描述磨削過程的各個數學模型，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，為磨削的過程最優化、智能控制、虛擬磨削創造了不可缺少的前提條件。

4 結束語

隨著現代工業技術的迅猛發展，生產規模的不斷壯大，生產過程和制作工藝的日趨復雜，對自動測試和各種信息集成的要求也就越來越高。數據采集系統的好壞將直接影響自動測試系統的可靠性和穩定性，為了滿足不同的測試需求，以及減少對資源的浪費，在系統的設計上應該盡量滿足通用性和可擴展性。在高度發展的當今社會中，科學技術的突飛猛進和生產過程的高度自動化已成為人所共知的必然趨勢，而它們的共同要求是建立在有著不斷發展與提高的信息工業基礎。所以仿真技術的出現使人們從大量復雜的信息數據中利用科學分析、處理、加工、判斷，進而認識和掌握自然社會和與科學技術之間的各種現象與其變化的規律，并通過相應的程序實現其解決的方法，從而更好的處理現實生活中難以解決的事情。

參考文獻

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