仿真技術在機械設計制造過程中的應用

陳 彬

（中國民用航空飛行學院廣漢分院， 四川 廣漢 618307）

引言

仿真技術需要基于計算機技術基礎，通過應用多種科學理論解決隨機問題。而早期的計算機仿真技術，則是通過隨機數來求解隨機問題。近年來，仿真技術和工業領域之間的融合越來越密切，也對工業發展起到很大的促進作用。因此對仿真技術進行研究，能夠為機械設計和創造提供更有效的理論依據。

1 計算機仿真技術在機械制造行業的特征

1）應用范圍特征。仿真技術在機械設計制造當中的應用，有著鮮明的特征體現，從產品設計到制造和測試維護的整個過程中，仿真技術都能貫穿始終。在機械產品的概念設計以及詳細設計和加工制造等環節，仿真技術都能發揮積極的作用。仿真技術在實際應用中，其范圍上得到了迅速擴大，在仿真對象和目的上其研究制造對象動力學以及運動學特性，已經向著研究制造系統設計運行方向發展，在庫存管理以及產品開發過程組織等層面都有所涉及。

2）集成化特征。機械設計制造過程中仿真技術的應用，在集成化特征層面表現的比較突出，也就是對仿真技術的綜合性應用，能有效形成可運行的產品開發以及制造環境。在仿真的類型上是多樣化的，有著面向產品以及制造工藝和生產管理等部分的仿真。這些部分在對仿真技術的應用上都得到了綜合性體現。

3）分布性特征。仿真技術的應用在與網絡技術的結合下，對仿真的分布性特征比較顯著。這是通過制造分布所決定的，由敏捷制造以及虛擬網絡的支持而實現的。仿真技術的應用和傳感器以及圖形技術的結合應用特征也比較突出，這就對仿真技術的交互性得到了加強。

2 計算機仿真的實現

計算機仿真技術的順利實施，需要建立一個既符合要求又可以呈現客體實質的數學模型。在建立模型的過程中，一定要保證建模的精確度，數學模型一旦建立起來，建模的精確度將直接關系著計算機仿真的精度。

計算機仿真主要分成以下幾個步驟：

1）模型的創建。面對需要研究的問題，首先需要抽象出一個可以實現有效仿真的可靠系統，并對仿真系統加上邊界條件和約束條件。然后，運用相關的知識將準確的架構用數學表達式進行闡述。數學模型按照和時間的關系分成動態模型和靜態模型，動態模型由連續性時間、離散時間以及混合時間組成。模型按照狀態的變化和方式分成連續性和離散型模型。

2）模型的變換。模型變換是指利用計算機來將抽象的數學表達式轉化為計算機能夠處理的形式，因此對計算機的算法和計算機的語言提出了較高的要求。這就涉及到計算機仿真的關鍵步驟-仿真模型的建立。要想順利實現這個過程，首先需要研發出一套屬于自身的新系統，當然也可以使用市面上已經存在的仿真軟件來實施仿真。

3）模型的實驗。將創建好的仿真模型輸入到計算機中，通過計算機處理就可以得到仿真結果。這就構成一整套仿真實驗。由于仿真是由實現的設計方案來實施的，因此后續仿真是一件非常簡單的工作，但事實上，還需要對仿真結果的可靠性進行檢驗。

3 仿真技術在齒輪設計研究中的應用

齒輪是機械裝備的主要零部件，因此對其進行仿真研究具有十分重要的意義。在操作過程中可以使用Visual Lisp語言來實現集合角度以及對齒輪齒形的建模進行仿真，還可以實現對圓弧齒行星的仿真，利用計算來仿真接觸點的相關參數以及對齒輪研發設計中的齒輪泵的仿真[1]。

4 仿真技術在機械結構件設計方面的應用

機械產品需要大量的機械零部件進行組裝，在對新產品進行研發的過程中，這些零部件首先需要完成預先的動作，檢查結構和結構之間連接的恰當性，探討以更高的設計方式來滿足不同機構間的干涉部位，使其更加滿足設計標準。一般在一些大型的三維設計軟件中都有一個運動仿真模塊，以便其可以能更好地模擬機械結構的運動，這也是現在最常用的操作軟件。這種軟件能夠自主添加運動發生器、彈簧等，因此設計人員僅僅靠運動機構的檢查就可以驗證仿真度[2]。

5 仿真技術在復雜數值計算分析方面的應用

隨著計算機技術在機械工程上的應用范圍越來越廣，以往很多棘手的問題都可以通過計算機仿真來進行處理。計算機仿真還能使機械計算更加簡單化、層次化，節約計算時間，避免在操作過程中的重復操作，提高計算的準確度[3]。機械產品的基本研發過程是“概念設計階段-初步設計階段-詳細階段-模擬實驗階段-更改修正階段-再次修改階段”，直到滿足最終的產品要求。對機械產品進行動力學仿真，能夠有效縮短設計時間，減少材料的浪費，及時了解產品結構的強度應力以及剛度等參數，根據計算來獲得機械出現疲勞失效的風險因素以及其存在的潛在問題。

6 仿真技術在復雜機械加工研究方面的應用

機械加工是計算機操作和制造的生產技術，利用計算機來發現深層次機理，力求為機械加工提供有效的理論依據。在數控加工過程中，可以利用計算機技術來完成數據模塊的加工，并用生成的圖形數據信息轉換為相應的控制指令，以及設置相關的加工參數[4]。在磨削加工操作上，數學模型的建立是以時間軸為變化單位來設置的，以對磨削的行為和指令進行預先評測，通過計算機仿真得到最終的磨削方案同時也是磨削過程中實現自動化、虛擬化加工的必要前提。在銑削加工上，可以先建立銑切削的相關模型，并利用通用軟化來對銑切削的機理和條件進行仿真。在電火花切割方面，應建立加工曲面的計算機仿真模型，以便對電火花加工工藝的效果進行預估[5]。

7 結語

隨著我國科學技術的廣泛應用，在機械設計制造的發展過程中，對于整體設計和制造業的要求越來越高。仿真技術和機械制造的大范圍結合，為我國機械制造帶來了一線生機，同時也為可持續發展打下了堅實的基礎。

[1]陳榮彬.仿真技術在機械設計制造過程中的應用[J].工程技術，2017（2）：249.

[2]楊宇哲.淺談仿真技術在機械設計制造過程中的應用[J].科技創新與應用，2014（11）：97.

[3]李麗，吳海濤.仿真技術在機械設計制造中的應用分析[J].工程技術，2017（7）：262.

[4]劉淼.機械虛擬設計及仿真技術在設計中的應用及實例分析[J].科學與財富，2015（7）：109.

[5]路毅，郭強，施政文.仿真技術在機械設計制造中的應用前景[J].內燃機與配件，2017（15）：55-56.