浅谈仿真技术在机械设计制造过程中的应用

杨宇哲

摘 要：计算机仿真技术是借助计算机及其相关软件，问题的分析和解决是通过虚拟试验的方法达到的，是一门结合了多种学科和理论的综合性技术。早期的计算机仿真又被称作蒙特卡罗方法，是一门用随机数通过实验求解随机问题的方法。伴随着计算机技术的不断发展，计算机仿真主要经历了三个比较大的阶段，即模拟机仿真、模拟-数字混合机仿真和数字机仿真。如今，计算机仿真技术的应用已经越来越广泛，例如在机械装备加工制造、物流运输、航空宇航、大型船舶制造、工程管理以及医疗保健等等领域。

关键词：仿真技术；机械设计；应用

1 计算机仿真技术在机械制造行业的重要作用

计算机仿真也被称作虚拟样机技术，设计人员利用特定软件在计算机上建立模型，通过各种动态性能参数分析来优化样机方案，不需要大量制造实物样机，从而用数字化新型技术取代了传统的实验方法，并且具有节约资金、安全可靠、方便灵活以及可重复使用等优点。如今在机械工程计算中，为了解决许多复杂系统的设计、分析和实验等诸多难题，都需要在计算机中建立真实系统的仿真模型，来分析实际系统的活动特征。在研发设计的初始阶段，设计人员只需用工具软件做不同的初始设计并建立起虚拟样机，就可以对现实的或者假设的系统进行仿真研究和试验了，监测和改进系统也很便利。仿真技术的引入不仅极大地提高了机械设备研究设计的质量，而且大幅减少了零部件的开发周期和降低了制造的成本。

2 计算机仿真的实现

计算机仿真技术实现的前提是建立符合实际的电脑数学模型和仿真模型，这个过程涉及到图形学、几何造型学、数据处理技术和力学等知识的集合运用。计算机系统是无法直接识别和处理研究对象的，所以要产生一个既能被计算机接受又可以呈现研究客体实质的数学模型。

计算机处理这些将真实系统的实质抽象出来的数学模型，并输出这些模型的相关参数来展示真实系统的某些特质，这种展示也可以是具象的（如三维立体的）。三维立体模型具有更加直观清晰的特点，所以越来越多的被研究人员所采用。数学模型建立起来以后，计算机仿真的精度将由建模的精准程度来决定。综上所述，要想实现计算机仿真大体上分为三个步骤：

2.1 模型的创建

针对要研究的目标或问题，首先需要抽象出一个能达到仿真目的的可靠系统，并且要给其加上边界条件和约束条件。然后，运用相关学科的知识把这个系统通过数学表达式准确地阐述出来，阐述的内容就是计算机仿真的核心——数学模型。数学模型根据时间的关系可划分为静态模型和动态模型，而动态模型又分为连续时间、离散时间和混合时间三种；模型分为连续变量系统模型和离散事件系统模型是以系统的状态描述和变化方式为依据的。

2.2 模型的变换

模型的变换就是把抽象出来的数学表达式转换成计算机能够处理的形式，这需要运用适当的算法和计算机语言，这种形式所表达的内容就是进行计算机仿真的关键——仿真模型。实现这个过程，既可以根据自身需要研发一个新的系统，也可以把当下市面上已有的仿真软件拿来直接运用。

2.3 模型的实验

将创建的仿真模型输入电脑中，运行仿真模型会获取一系列的仿真结果，这就是模型的仿真实验。由于是按照先期设计的实验方案来运行的，所以仿真实验是一件很简单的事情。但是，仿真的结果又应该按照什么标准来衡量呢？这就需要具体辩析仿真结果的可靠性，检验仿真结果可靠性主要有两种方法（置信通道法和仿真过程的反向验证法）。

3 在机械设计制造行业中计算机仿真技术的广泛应用

3.1 在齿轮设计研究中的应用

齿轮是机械装备的主要基础零部件，研究它的计算机仿真是很有意义的。如运用Visual Lisp语言可以从几何角度研究齿轮任何端面齿形的建模和传动仿真；圆弧针齿行星传动的动力学研究也能运用电脑仿真技术；利用计算机仿真研究了影响正交面齿轮传动接触点的主要参数（包括主动齿轮与刀具齿数差、齿数比、模数等）；在齿轮泵的齿轮研发设计中也很好的应用了计算机仿真。

3.2 在机械结构件设计方面的应用

机械产品要由大量的机构组装起来实现设定好的工艺动作，在进行新产品研发时，这些机构是否能正确地实现所设定的动作，机构与机构之间的运动是否配合得当，机构间是否存在干涉和干涉的部位，怎样选择各种机构组合方案来更好地满足设计标准，这些问题都需要借助计算机仿真来解决。大型的三维机械设计软件都会提供一个机构运动仿真的功能模块，在虚拟环境中设计好的装配体可以模拟演示机构的运动，是一种直观方便的工具软件。这种软件可以依据装配的关系自行主动来计算机构中的运动副，并能自动增添附加的运动发生器、铰链和弹簧；要进行运动学的仿真只需要设定主运动件就可以了，还能从任何角度来观察，软件还能对机构的运动干涉进行检查，设计人员可以很方便地进行检查验证。

3.3 在复杂数值计算分析方面的应用

随着计算机技术在机械工程中的应用越来越广泛，以往许多由于条件限制无法进行计算分析的复杂问题，都可以通过计算机仿真得到满意的解决；另外，计算机辅助使大量复杂的工程计算分析简单化、层次化，节省了大量的时间，避免了低水平的重复劳动，使计算分析更快、更准确，在新产品研发的设计、分析等方面发挥了重要的作用。机械产品开发的基本过程是概念设计→初步设计→详细设计→试验→修正设计→再试验，直到满足产品的要求标准，仿真技术的引入最大限度的减少了材料的浪费和缩短了耗时。对机械产品的动力学模型进行计算机仿真技术分析，可以获得产品结构的强度应力、刚度应变和变形、动态特性固有频率、振动模态、热态特性温度场、热变形等参数，根据计算分析能得到容易导致机械出现疲劳失效的风险因素以及其它潜在的问题。

3.4 在复杂机械加工研究方面的应用

机械加工是机械设计制造行业的生产基础，使用计算机仿真有助于发现其深层次机理，为增强机械加工的性能和质量供给了强有力的理论支持。在数控加工中，利用计算机辅助数控加工模块编制CNC机床的零件加工程序，用生成的图形信息或者数据通过转换变成控制指令，然后设置加工参数等。在磨削加工方面，创建的数学模型描述磨削过程是以时间变化为依据的，这样生成的计算机仿真模型能够预先推测评估磨削的行为和质量，为磨削加工过程的最优化、自动化、虚拟化提供了必要的前提条件。模型建立在变进给过程磨削功率的变化量之上，通过计算机仿真能得到最佳磨削方案可用在实际磨削加工中。在铣削加工方面，建立铣切削过程的动力学模型，开发出切削振动仿真的通用软件，就可以用数字仿真技术来探讨铣削振动的机理和条件。在电火花切割方面，建立多轴联动加工复杂曲面的计算机仿真模型，就可以对电火花加工工艺进行效果的预估、参数的最优化。