淺談仿真技術在機械設計制造中的應用

蔣佳興

【摘? 要】隨著計算機技術的發展與應用，人們的生產生活越來越離不開計算機技術，隨著計算機技術的發展，仿真技術得到普及，在計算機中利用相關軟件對所需設計做出虛擬實驗，其發展和應用綜合多門學科與理論，為人們的設計和實驗帶來極大便利。本文對仿真技術在機械設計制造行業中的應用進行介紹，指出仿真技術對此行業的重要性，從齒輪設計、結構件設計、復雜機械加工等方面對仿真技術在機械設計制造中的應用進行分析。

【關鍵詞】仿真技術;機械設計制造;應用

一、仿真技術在機械設計制造行業的重要作用

計算機仿真被稱為虛擬樣機技術，設計人員利用特定軟件在計算機上建立模型，同動態性能參數分析來優化樣機方案，不需要大量制造實物樣機，從而用數字化新型技術取代傳統的實驗方法，并具有節約資金、安全可靠、方便靈活及可重復使用等優點。在機械工程計算中，為了解決很多復雜系統的設計、分析和實驗等難題，需要在計算機中建立真實系統的仿真模型，分析實際系統的活動特征。在研發設計的初始階段，設計人員需要用工具軟件做不同設計，并建立虛擬樣機，對現實或假設系統進行仿真研究和試驗，監測和改進系統十分便利。仿真技術引入不僅提高機械設備研究設計的質量，減少零部件的開發周期和降低制造成本。

傳統的機械設計制造中，一方面，因為需要人工核查數據，加上方案制作程序較多，很難在設計的過程中完成模型測試，導致隱藏的問題不易發現;另一方面，隨著機械制造行業迅速發展，機械設計尤其是系統設計更加多樣化，設計的過程中難免會有龐大的數據信息，這就會使得實驗的過程比較繁瑣，實現起來比較困難，會遇到各種各樣的矛盾和問題。因此，在進行設計的過程中，我們引入仿真技術，通過建立真實系統的仿真模型，進行虛擬仿真實驗，對實驗結果和參數進行分析，從而改進設計思路，優化參數配置，以期得到最佳設計方案。這樣，不僅極大地提高了方案的可靠性和安全性，而且大大提升了機械設計和研發產品的質量，大幅縮短了開發周期，降低了開發成本。

二、仿真技術的實現

要實現仿真技術，因為計算機無法直接識別和處理實際的研究對象，所以首先需要建立一個既符合分析要求又能反映實際情況的數學模型，即所謂的建模。建模過程涉及高等數學、數據處理等知識的綜合運用。在建模過程中，一定要保證其精確度，這將直接關系著仿真的精度。計算機通過處理這些抽象的數學模型，經過變換建立仿真模型，輸出與真實系統相關的某些特質和參數，供設計人員進行分析。

1.模型建立

模型的建立，就是首先對研究的問題抽象出一個能進行有效仿真的可靠系統，并對其加上合理的約束條件和邊界條件，然后運用相關的學科知識用數學表達式將這個系統進行準確闡述，也就是仿真的核心———數學模型[2]。按照是否隨時間的變化而變化，數學模型分為靜態模型和動態模型，而動態模型也有連續時間模型、離散時間模型和混合時間模型三種;按照是否考慮隨機因素，數學模型分為確定性模型和隨機性模型。

2.模型變換

模型的變換，就是把數學模型中抽象的數學表達式轉換成為計算機能夠識別處理的形式，這需要適當的計算機語言和算法作為基礎，這個過程就是仿真的基礎———建立仿真模型。設計人員可以使用已有的仿真軟件，也可以根據需要自行研發仿真系統進行仿真模型的創建。模型變換是仿真技術的關鍵步驟，需要專業的計算機知識應用能力。

3.模型實驗

模型的實驗，就是將仿真模型輸入到計算機中運行，獲取仿真結果的過程。只要模型建立和變換兩個核心步驟做好，模型的仿真實驗是非常簡單易行的。但是，我們需要通過對仿真結果進行可靠性分析來衡量仿真結果，常用的方法有置信通道法以及仿真過程的反向驗證法。

三、仿真技術在機械設計制造中的應用

1.在齒輪設計中的應用

在機械裝備中，齒輪可謂是最重要的零部件之一，因此，在設計中對其性能進行仿真意義重大，并且不少設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進行研究等等。此外，計算機仿真技術在齒輪泵的齒輪設計中應用也十分廣泛。

2.在機械結構件設計方面的應用

一個機械系統的完成需要各部分機械?Y構件的組合，共同發揮它們的綜合作用。因此，在對一個新產品進行設計時，各零部件的性能能否正常發揮、它們之間的配合是否得當、如何選取組合方案等問題，都離不開事先用仿真技術進行模擬優化。現在市場主流的大型三維設計軟件都對結構運動仿真功能進行了開發，根據在該軟件中設計的裝配體的性能，對演示結構的運動展開模擬，如果需要運動學仿真，只需要提前設置好主運動件，具有極大的便利性。此外，在這些大型三維設計軟件的仿真運動過程中，設計者能夠從任意角度觀察運動結果，還能幫助設計者檢查結構的運動干涉等問題，功能十分強大。

3.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，在新產品研發的設計、分析等方面發揮了重要的作用。機械產品開發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、動態特性固有頻率、振動模態、熱態特性溫度場、熱變形等參數，根據計算分析能得到容易導致機械出現疲勞失效的風險因素以及其它潛在的問題。

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供給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，創建的數學模型描述磨削過程是以時間變化為依據的，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，開發出切削振動仿真的通用軟件，就可以用數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、參數的最優化。

結語

隨著社會經濟的快速發展，促進現代工業技術的快速發展，帶來機械設計制造行業各生產工藝與步驟的復雜化。因此需要運用自動測試與仿真等高新計算機技術為設計人員優化設計方案提供技術支持。尤其是在仿真技術在機械設計制造中得到廣泛使用，使得設計人員從龐大復雜的信息中對機械加工過程或零部件設計進行最優化控制，為機械設計制造行業的發展創造更加有利的環境。

參考文獻

[1]朱澄， 李弘錦.仿真技術在機械設計制造中的應用前景[J]. 科技展望， 2017， 27（4）：330.

[2]陳青蓮.仿真技術在機械設計制造中的應用前景分析[J].建筑技術開發，2017，44（13）：79-80.

[3]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.