計算機仿真技術在工程陶瓷加工技術中的應用

魏明君，賈舒涵

（1.內蒙古交通職業技術學院，赤峰024005 2.“馨育苑”工作室，赤峰024005）

1 前言

計算機仿真技術具有經濟、可靠、實用、安全、可多次重用的優點。仿真是對現實系統的某一層次抽象屬性的模仿，人們利用這樣的模型進行實驗，從中得到所需的信息，然后幫助人們對現實世界的某一層次的問題作出決策。將其應用于工程陶瓷加工中，能夠從多方面入手促進相關企業研究效率和經濟效益的提升。

2 計算機仿真技術的概念

計算機仿真技術是利用計算機建立模型進行科學實驗的一門多學科綜合性技術[1]。計算機仿真技術的主要步驟包括建立模型、進行實驗、分析結果和修正模型。首先，需要針對實際系統某一層次的特性建立模型。然后，進行實驗對模型進行驗證和修改。最后，分析實驗結果，根據結果來修正模型和有關的參數。如此迭代地進行，直到認為這個模型已滿足試驗者對客觀系統的某一層次的仿真目的為止。

3 計算機仿真技術在工程陶瓷加工中的應用優勢

將計算機仿真技術應用于工程陶瓷加工中，可以從多方面入手促進陶瓷加工企業生產效率和效益的提升。具體體現在以下幾點：

第一，提高實驗研究效率。計算機仿真技術利用計算機軟件和模型來模擬實驗過程，研究人員可以在計算機上設計和進行實驗，無需實際操作實驗設備或使用實際材料。這大大減少了實物實驗的數量，縮短了實驗時間。研究人員可以根據需要隨時調整參數或條件，快速獲得實驗結果，從而提高實驗效率。同時研究人員還可以利用計算機仿真技術實現多元化實驗，在同一平臺上進行不同條件、不同參數的實驗，獲得更多的實驗數據和結果。這有助于比較不同實驗條件下的結果，加深對實驗過程的理解和控制。

第二，降低成本，提高經濟效益。通過計算機仿真技術進行實驗，研究人員可以節省實驗材料、人員等成本。在新材料或新工藝的研發過程中，需要進行大量的實驗和測試，使用計算機仿真技術可以大大減少實物實驗的數量和時間，從而降低研發成本。此外，計算機仿真技術還可以模擬一些難以進行實物實驗的情況，通過計算機仿真技術可以預測并模擬這些問題，幫助研究人員及時發現并解決潛在問題。這可以提高實驗的可靠性和穩定性，減少實物實驗的風險和成本。

第三，優化工藝參數。計算機仿真技術可以通過模擬實驗過程，技術人員可以根據仿真結果調整工藝參數，優化工藝條件，提高產品的質量和性能。這有助于減少實物實驗的次數和時間，提高實驗的效率和準確性[2]。如圖1 所示，就為陶瓷爐窯燒制的虛擬仿真。基于該仿真平臺就可以對爐窯燒制的過程進行模擬分析，從而為工藝參數的最優化提供便利。

圖1 爐窯燒制的虛擬仿真

總之，計算機仿真技術在工程陶瓷生產中具有顯著的應用優勢。通過模擬實驗過程、優化工藝參數、預測和解決潛在問題以及實現多元化實驗等手段，可以大大提高工程陶瓷的生產效率和產品質量，降低生產成本，促進陶瓷行業的可持續發展。

4 計算機仿真技術在工程陶瓷加工中的流程

在工程陶瓷加工中，計算機仿真技術應用需要按照下述流程進行。

第一，設計和建立仿真加工系統。結合產品的規格、性能要求、制造過程中的限制等明確陶瓷生產的目標和要求，以此為基礎來完成陶瓷生產仿真系統的設計。系統需要包括模擬陶瓷生產的各種過程，包括原料制備、成型、燒成等。此外，系統還應具備對生產過程的監控、分析和優化功能。為了確保仿真結果的準確性和可靠性，應考慮采用先進的計算機建模和仿真技術。第二，虛擬仿真加工系統的加工設備建模。基于仿真加工系統和計算機建模技術完成對整個陶瓷加工過程中所用工藝設備的建模，能夠準確地模擬陶瓷生產的實際需求，需要注意的是為了確保仿真結果的準確性和有效性，必須全面結合具體的生產工藝參數來進行相關工藝設備參數的設定[3]。第三，虛擬仿真加工功能的設定和應用。在完成了加工設備的建模后，就可以開始實現虛擬仿真加工功能。這包括模擬原料的制備、成型、燒成等過程，并收集和分析數據，以評估生產過程的效果和質量。陶瓷干壓成型粉料噴霧干燥造粒虛擬仿真如圖2 所示，通過這種方式，可以在計算機上模擬陶瓷生產的各個環節，預測潛在的問題，然后就可以找出生產過程中的問題，并提出改進措施。通過這種方式，計算機仿真技術可以有效地提高陶瓷生產的效率和產品質量。優化涉及調整原料配方、改進加工工藝或升級設備等多個方面。通過不斷實驗和調整，可以逐步提高生產過程的效率和產品質量，從而滿足市場需求。

圖2 陶瓷干壓成型粉料噴霧干燥造粒虛擬仿真

5 計算機仿真技術在工程陶瓷加工中的具體應用

5.1 計算機仿真技術在工程陶瓷工藝流程模擬中的應用

陶瓷成型技術工藝是一個復雜且精細的過程，涵蓋了從原材料分析到成品燒制的各個階段。通過計算機仿真技術可以圍繞每個階段進行全面的模擬仿真和分析。

（1）原材料分析。在陶瓷坯體生產中，原材料的選擇和分析是至關重要的第一步。計算機仿真技術在這一環節中發揮了重要作用。通過模擬和分析不同類型黏土、石英及長石等原材料的化學元素含量組成，計算機仿真技術可以預測其性能和效果。這有助于建立相應的原材料數據庫，為實際生產提供參考和指導。此外，通過建立數學模型，比較不同配方對陶瓷性能的影響，計算機仿真技術還可以優化原材料的選用。這種模擬方法有助于避免生產過程中的試驗和錯誤，提高生產效率和產品質量。

（2）陶瓷泥料可塑性及流動性測試。陶瓷泥料的可塑性和流動性直接影響到陶瓷成型工藝的效率和產品質量。計算機仿真技術可以通過模擬陶瓷泥料的物理性質，如彈性模量、黏度和塑性屈服等，評估其可塑性和流動性。這種模擬方法能夠預測出泥料的可塑性和流動性，為選擇合適的成型工藝和設備提供依據。根據坯體成型工藝的方式及特點，計算機仿真技術還可以建立相應的泥料數據庫，以提供實際生產的參考[4]。這種方法有助于優化陶瓷坯體的制備過程，提高產品的質量和生產效率。

（3）原材料溫度測試。陶瓷的燒制工藝對溫度有嚴格要求，原材料的耐火度要達到1350℃。計算機仿真技術可以通過模擬陶瓷燒制過程中的傳熱和化學反應過程，預測不同溫度下陶瓷的性能和外觀。這種模擬方法能夠預測出不同溫度下陶瓷的性能和外觀，為優化燒制工藝和產品質量提供依據。實驗后，可以建立相關的原材料溫度數據庫，以進一步優化陶瓷的燒制過程。這種方法有助于提高生產效率和產品質量，減少試驗和錯誤的風險。

（4）陶瓷燒制過程中的物理及化學釉色窯變反應可視化分析。在陶瓷燒制過程中，物理和化學反應非常復雜，涉及多個因素和變量。計算機仿真技術可以通過模擬和分析這些反應過程，實現可視化分析。通過建立數學模型和算法，計算機仿真技術可以預測陶瓷表面的釉色和窯變效果。這種可視化分析有助于理解燒制過程中的各種反應和變化，為優化燒制工藝和產品質量提供依據。通過進一步優化燒制工藝，可以提高產品的外觀和質量，滿足市場需求。

（5）陶瓷燒造制度階段數據分析。在陶瓷燒制過程中，每個階段的數據都是重要的生產參數。計算機仿真技術可以通過對每個階段的數據進行分析和模擬，了解整個燒制過程的變化趨勢和影響。通過比較不同階段的溫度、壓力、氣氛等參數對陶瓷性能的影響，計算機仿真技術可以優化燒制制度。這種數據分析有助于了解各階段參數對陶瓷性能的影響，為優化生產工藝提供指導。通過優化燒制制度，可以提高生產效率和質量，降低成本和廢品率。同時，數據分析還可以為生產管理和質量控制提供有力支持，提高整體生產水平。

5.2 陶瓷燒結過程顯微組織的模擬

在工程陶瓷生產中，虛擬仿真技術可以用于模擬陶瓷燒結過程中的顯微組織。這種模擬技術有助于了解陶瓷材料的微觀結構和性能，從而優化生產工藝和提高產品質量。陶瓷燒結是一個復雜的過程，涉及材料顆粒的排列、孔隙的消除、致密化和顯微組織的演變等。在這個過程中，材料的顯微組織對于陶瓷的性能和質量有著至關重要的影響。因此，通過模擬陶瓷燒結過程中的顯微組織，可以更好地理解和控制生產過程。虛擬仿真技術可以通過建立數學模型和算法，模擬陶瓷燒結過程中的顯微組織演變。這種模擬方法可以考慮到材料的物理和化學性質、燒結溫度和壓力、保溫時間和氣氛等因素對顯微組織的影響[5]。通過模擬陶瓷燒結過程中的顯微組織演變，可以預測陶瓷材料的致密度、晶粒大小和分布、氣孔形狀和分布等參數，從而優化生產工藝和產品質量。例如，通過模擬陶瓷燒結過程中的顯微組織演變，可以發現晶粒的生長和氣孔的消除是受溫度和保溫時間的影響的。在一定的溫度下，隨著保溫時間的延長，晶粒逐漸長大，氣孔逐漸消除。因此，在生產過程中，可以通過控制燒結溫度和保溫時間來調整陶瓷材料的顯微組織，提高產品的性能和質量。虛擬仿真技術在工程陶瓷生產中可以發揮重要作用。通過模擬陶瓷燒結過程中的顯微組織演變，可以更好地理解和控制生產過程，優化生產工藝和產品質量。這種模擬方法有助于提高工程陶瓷的生產水平，降低成本和廢品率，滿足市場需求。

5.3 基于計算機仿真技術的工程陶瓷3D 打印

基于計算機仿真技術的工程陶瓷3D 打印是一種先進的陶瓷生產工藝，它利用3D 打印技術實現陶瓷零件的快速、高效、精確制造。該技術依托計算機輔助設計軟件，將陶瓷材料逐層堆積，最終形成具有特定形狀和功能的陶瓷零件，這一技術的應用在工程陶瓷生產中具有重要作用。首先，通過建立3D 模型，可以模擬陶瓷零件的形狀、結構、材料分布等參數，預測其性能和行為。這有助于優化陶瓷零件的設計，提高其質量和性能。其次，計算機仿真技術可以模擬3D 打印過程中材料的堆積過程，預測可能出現的缺陷和問題，如層裂、氣孔等。這為實際生產提供了指導和參考，降低了生產成本和廢品率。但是在具體應用過程中，必須建立完整的3D 模型數據庫和仿真模型庫，包括不同類型陶瓷材料的物理、化學性質參數以及各種生產工藝的模擬數據，以此為基礎，才可以更好地完成對工程陶瓷3D 打印過程的模擬和優化。

6 結語

隨著計算機技術的不斷發展和進步，計算機仿真技術在工程陶瓷加工中的應用也將越來越廣泛和深入。未來，計算機仿真技術將與人工智能、大數據等先進技術相結合，進一步提高模擬和預測的準確性和效率，為工程陶瓷加工技術的發展提供更加有力的支持。