探究仿真技術在機械設計制造過程中的應用

摘? 要：隨著科技的不斷更新與完善，仿真技術逐漸滲透到多個領域中，為機械設計制造提供充足的技術支持。對此，該文在仿真技術基礎上的機械制造內容進行分析，分別對該技術在機械結構件、齒輪設計、復雜數值計算、復雜機械加工中的應用方法進行分析，最后對該仿真系統的構建與實現加以闡述，力求通過該文研究，使機械產品的設計、制造與加工在仿真技術應用下質量和效率得到顯著提升。

關鍵詞：仿真技術? 機械設計? 機械制造

中圖分類號：TP391 ? ?文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）04（a）-0037-02

在計算機技術飛速發展之下，仿真技術應運而生，與多門學科和理論相結合，充分發揮計算機與相關軟件的作用開展虛擬實驗。在工業技術發展背景下，仿真技術得到進一步成熟和完善，以特有的方式影響著人們生活，在機械設計制造中得到廣泛應用。

1? 基于仿真技術的機械制造

隨著計算機技術的飛速發展，在社會多個領域中得到廣泛應用，對仿真技術的完善與優化起到極大的促進作用，同時也帶動著全社會發生改變。仿真屬于一種數字化手段，也被稱為虛擬樣機技術，主要是指利用專門軟件構建模型，通過多種動態性能參數對樣機的運行方案進行優化，可取消大量實物樣機制造的過程，節省了大量的時間與成本。同時，與傳統方式相比更加安全穩定，操作便利。在當前機械工程計算時，要想對多種復雜系統進行設計、分析與實驗，對操作中存在的問題進行解決，都需要將仿真技術引入其中，對系統實際特質進行分析。通過仿真技術完成初始設計，構建虛擬樣機，為虛擬系統仿真實驗的開展提供更多便利，還有助于系統運行的監測和優化。在機械制造過程中，該技術的應用可使制造成本與質量均得到有效優化，是一項科學的、理想的工程技術[1]。

2? 仿真技術在機械設計制造中的應用

隨著仿真技術的不斷成熟和完善，其逐漸具有了應用范圍大、集成化、分布性等特點，在機械產品的設計、制造與加工等多個環節中得到廣泛應用，為企業帶來更多的經濟效益，節約更多的資金與成本，獲得工作人員的一致認可和喜愛。

2.1 在機械結構件中的應用

機械產品的產生需要對大量機構進行組裝，才可完成預期的工藝操作。在對新產品進行研發時，機構能否正確展現設定動機、機械之間的配合是否得當、機構間是否存在矛盾情況、如何選擇最佳組合方案等，這些問題的解答均要借助仿真技術來實現。對于大型三維機械軟件來說，大多具備機械運動仿真功能，可在虛擬環境下對裝配體進行設計，對機構運動進行展示，具有直觀性、形象性特征。該軟件可根據裝配關系主動計算機構中的運動數，并自動增加鉸鏈、彈簧、運動發生器等。在開展運動仿真的過程中，只需對主運動件進行設計即可，還可從多個角度進行觀察，對機構中的運動干涉情況進行檢驗，為設計者檢查提供更多便利[2]。

2.2 在齒輪設計中的應用

機械裝備包含諸多基礎零部件，齒輪便是其中重要的組成部分，通過大量實驗研究得出結論：利用Visual lisp語言可從幾何角度對其任意斷面齒形構建模型，開展傳動仿真。在對圓弧針齒行星進行研究時，也可利用計算機仿真技術，對正交面齒輪傳動接觸點的關鍵參數進行分析，如齒數比、刀具齒數差、模數等;在齒輪泵設計過程中，也可將仿真技術應用其中，具有十分良好的設計效果。

2.3 在復雜數值計算中的應用

在機械工程設計中，計算機技術的應用日益廣泛。在以往的機械設計與制造中，由于受到多種因素的制約無法對復雜問題進行計算，均可借助仿真技術達到理想狀態。此外，計算機輔助可對大量復雜計算進行簡化，有效節省大量時間，降低勞動強度，使計算結果更加準確、可靠。在對新產品進行設計、研發時，可充分發揮仿真技術的作用與優勢，遵循概念行程—初始設計—方案細化—開展實驗—產品修正—再次實驗的流程，直至產品各項指標與規定標準相符合。通過仿真技術的引入，有效節省了材料浪費、減少了時間消耗。將仿真技術引入機械產品動力學模型之中，可得到產品結構剛度、強度應力、動態惡性、熱態特性、熱變形等參數，通過計算分析，可有效預測機械出現的失效風險因素以及一系列潛在安全隱患。

2.4 在復雜機械加工中的應用

現階段，企業的經營規模不斷拓展，現代化工業技術得到飛速發展，各個生產工藝、流程日益復雜。在機械制造行業中，以機械加工為生產基礎，仿真技術的應用更有助于挖掘深層機理，使機械加工質量、性能得到顯著提升，為機械設計與制造提供充足的理論支持。

（1）在數控加工過程中，數控加工模塊可對CNC機床零件的加工程序進行編制，采用生成的圖形、數據等進行轉換，可變成控制指令，再對各項加工參數進行設置。

（2）在磨削加工過程中，根據時間變化情況構建數學模型，為磨削加工提供自動化、最優化、虛擬化條件。在變進給過程中，磨削功率不斷發生變化，通過仿真技術構建模型可得出最佳磨削方案，應用到實際磨削加工中。

（3）在銑削加工過程中，根據銑切削過程建立動力學模型，創造出滿足切削振動的條件。

（4）在電火花切割中，構建多軸聯動加工復雜曲面，建立仿真模型，便可對實際加工工藝的效果進行預測、評估，還可實現參數的最優化。

3? 計算機仿真系統的構建與實現

仿真技術是在數學模型與仿真模型的基礎上建立起來，進而對機械設計系統進行分析和研究。該過程立足于實際情況，涉及到力學、幾何造型、圖形學、數據處理技術等多個學科領域，分層開展，不但可將系統中存在的現實問題客觀地體現出來，還可使處理者的相關需求得到充分滿足。在計算機處理過程中，可將真實系統抽象出來的數學模型進行處理，對模型中相關信息進行傳輸，從而體現出真實系統中的某些特質，也可通過三維立體的形式展現出來，更加直觀形象。在數學模型構成后，仿真精度取決于建模精準度，因此建模精準度越高，網絡仿真程度便越發精準，后續研究也就越方便。對此，仿真系統的構成與實現如下。

3.1 模型構建

針對所要研究的問題，先抽象出一個可靠的系統，使仿真目標得以達成，并為其添加約束條件與邊界條件。然后，運用相關學科知識，通過數學公式將該系統準確的表達出來，以計算機仿真核心作為闡述內容，也就是數學模型。以時間變化為依據可構建出3種類型的仿真模型，分別為連續類、離散類與混合類;以系統狀態描述與變化方法為依據，可將模型分為連續系統模型與離散事件模型。

3.2 模型變換

該環節主要是將抽象的數學表達式轉變為計算機處理形式，需要借助恰當的語言與算法將內容表現出來，此種形式所展現的內容便是仿真的重要部分，也就是仿真模型。在此過程中，不但可根據實際需求研制出新的系統，還可將現有的仿真軟件直接拿來使用[3]。

3.3 模型實驗

將構建的仿真模型傳輸到計算機之中，在該模型運行過程中便會形成仿真結果，這便是仿真實驗。由于實驗的開展是以先期設計方案為依據，因此實驗操作較為簡單。但是，對仿真結果的準確性進行衡量顯得十分重要，對此可采用兩種方式來實現：一種為置信通道法，另一種為反向驗證法，將其應用到模型實驗中，可確保實驗結果更加準確高效。

4? 結語

綜上所述，現階段，企業的經營規模不斷拓展，現代化工業技術得到飛速發展，各個生產工藝、流程日益復雜，急需將自動化技術、仿真技術等應用其中，使設計方案得以完善和優化，尤其是在機械設計與制造方面，更應積極引入仿真技術，使機械產品的設計質量和制造效果得到顯著提升。

參考文獻

[1] 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，2018（11）：103.

[2] 王正鐸.淺析仿真技術在機械設計與制造中的應用[J]. 電子元器件與信息技術，2019（3）：95-98.

[3] 楊磊.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，2018（4）：165.

作者簡介：劉輝躍（1981，8—），男，漢族，湖南邵東人，本科，中級工程師，研究方向：商用車集成電驅橋。