仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用

摘 要 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，人們的生產(chǎn)生活越來越離不開計算機技術(shù)。而伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)也得以普及，在計算機中利用相關(guān)軟件對所需設(shè)計做出虛擬實驗，其發(fā)展和應(yīng)用綜合了多門學(xué)科與理論，為人們的設(shè)計和實驗帶來了極大便利。本文對仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造行業(yè)中的應(yīng)用進行介紹，指出了仿真技術(shù)對該行業(yè)的重要性，從模型的創(chuàng)建、變換、和實驗三個方面闡述了仿真技術(shù)實現(xiàn)的步驟，從齒輪設(shè)計、結(jié)構(gòu)件設(shè)計、復(fù)雜機械加工等方面對仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用進行探析。

【關(guān)鍵詞】仿真技術(shù) 機械設(shè)計制造 模型創(chuàng)建 應(yīng)用

仿真技術(shù)是伴隨著計算機的普遍應(yīng)用而興起的，它結(jié)合了多門學(xué)科及理論，充分利用計算機和相關(guān)軟件對所需要的設(shè)計展開虛擬實驗，是一種綜合性技術(shù)。在早期的計算機仿真技術(shù)中，通過隨機數(shù)實驗的方法解決問題，也被稱之為蒙塔卡羅方法。仿真技術(shù)的成熟與穩(wěn)定是在科技與工業(yè)的發(fā)展中進行的，對人們的生產(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)歷了三個主要階段：模擬機仿真、模擬數(shù)字混合機仿真以及數(shù)字機仿真。

1 仿真技術(shù)對機械設(shè)計制造行業(yè)的作用

仿真技術(shù)指的是設(shè)計人員以計算機為載體，通過利用相關(guān)軟件建立數(shù)據(jù)模型，對各性能參數(shù)進行分析從而選擇最優(yōu)的設(shè)計方案，與傳統(tǒng)的設(shè)計方法相比安全可靠、使用靈活，大大節(jié)約了資金，也節(jié)約了反復(fù)制造實物的時間，因其不需要制造實物而又被稱為虛擬樣機技術(shù)?，F(xiàn)代的機械設(shè)計制造行業(yè)中，因為很多系統(tǒng)設(shè)計非常復(fù)雜，數(shù)據(jù)量龐大，在實驗中存在很多難題，因此需要在計算機中建立相對應(yīng)的模型對其進行仿真，對其各項參數(shù)性能等進行分析。在機械設(shè)計制造的初期，設(shè)計人員只要根據(jù)不同的方案在仿真軟件中建立虛擬樣機，便可以完成對不同假設(shè)的虛擬實驗，選擇最優(yōu)方案或者對方案進行改進都非常方便。在機械設(shè)計制造行業(yè)中使用仿真技術(shù)不僅可以使計算更加精確，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 仿真過程的實現(xiàn)

2.1 模型的建立

在機械設(shè)計制作的過程中，若要使用仿真技術(shù)，首先就要設(shè)計編輯條件和約束條件，確定研究目標(biāo)，進而建立一個可以滿足系統(tǒng)要求的仿真運行系統(tǒng)。系統(tǒng)初步建立之后，便要求設(shè)計者根據(jù)相應(yīng)的學(xué)科知識對該系統(tǒng)進行數(shù)字化表述，也就是對系統(tǒng)建立數(shù)學(xué)模型。通常狀況下，數(shù)學(xué)模型由于時間不同可分為動態(tài)和靜態(tài)兩種，其中動態(tài)模型又可以分為離散、連續(xù)和混合時間三種。

2.2 模型的變換

這一步驟指的是把初步建立的模型通過數(shù)學(xué)表達式的作用變換成計算機能夠識別的樣式，這一過程運用了部分合適的計算機算法及語言，是仿真的基礎(chǔ)，也稱之為仿真模型。若要實現(xiàn)模型的變換，設(shè)計者可以使用現(xiàn)有的仿真軟件，也可以根據(jù)系統(tǒng)需求自行開發(fā)。

2.3 模型的實驗

模型的實驗指的是通過在計算機中運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，也就為模型的實驗打下了基礎(chǔ)，只要是按照預(yù)期設(shè)計目標(biāo)來展開的前幾個步驟，那么這一步驟的實現(xiàn)并不困難。在對仿真結(jié)果進行衡量時，要對其可靠性進行分析，通常使用的方法有以下兩種：置信通道法以及仿真過程的反向驗證法。

3 仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應(yīng)用

3.1 在齒輪設(shè)計中的應(yīng)用

在機械裝備中，齒輪可謂是最重要的零部件之一，因此，在設(shè)計中對其性能進行仿真意義重大，并且不少設(shè)計者也針對此問題做了大量研究。其中包括：使用visual lisp語言對齒輪端面的建模和仿真，從任意幾何角度對其性能進行評估；用計算機仿真技術(shù)展開對圓弧針齒行星傳動的研究；對影響正交齒輪傳動接觸點的主要參數(shù)進行研究等等。此外，計算機仿真技術(shù)在齒輪泵的齒輪設(shè)計中應(yīng)用也十分廣泛。

3.2 在機械結(jié)構(gòu)件設(shè)計方面的應(yīng)用

一個機械系統(tǒng)的完成需要各部分機械結(jié)構(gòu)件的組合，共同發(fā)揮它們的綜合作用。因此，在對一個新產(chǎn)品進行設(shè)計時，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題，都離不開事先用仿真技術(shù)進行模擬優(yōu)化?，F(xiàn)在市場主流的大型三維設(shè)計軟件都對結(jié)構(gòu)運動仿真功能進行了開發(fā)，根據(jù)在該軟件中設(shè)計的裝配體的性能，對演示結(jié)構(gòu)的運動展開模擬，如果需要運動學(xué)仿真，只需要提前設(shè)置好主運動件，具有極大的便利性。此外，在這些大型三維設(shè)計軟件的仿真運動過程中，設(shè)計者能夠從任意角度觀察運動結(jié)果，還能幫助設(shè)計者檢查結(jié)構(gòu)的運動干涉等問題，功能十分強大。

3.3 在復(fù)雜機械加工研究方面的應(yīng)用

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

4 結(jié)語

隨著經(jīng)濟規(guī)模的擴大，現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)得以迅速發(fā)展，各生產(chǎn)步驟和工藝越來越復(fù)雜，因此，必須借助自動測試和仿真等計算機技術(shù)幫助設(shè)計者對設(shè)計方案進行優(yōu)化。尤其是伴隨著仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的使用，實現(xiàn)了設(shè)計者從復(fù)雜龐大的信息中對機械部件或者加工過程的最優(yōu)化控制，解決了傳統(tǒng)機械設(shè)計制造過程中無法實現(xiàn)的問題。

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作者簡介

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

作者單位

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