仿真技术在机械设计制造过程中的应用

陈 彬

（中国民用航空飞行学院广汉分院， 四川 广汉 618307）

引言

仿真技术需要基于计算机技术基础，通过应用多种科学理论解决随机问题。而早期的计算机仿真技术，则是通过随机数来求解随机问题。近年来，仿真技术和工业领域之间的融合越来越密切，也对工业发展起到很大的促进作用。因此对仿真技术进行研究，能够为机械设计和创造提供更有效的理论依据。

1 计算机仿真技术在机械制造行业的特征

1）应用范围特征。仿真技术在机械设计制造当中的应用，有着鲜明的特征体现，从产品设计到制造和测试维护的整个过程中，仿真技术都能贯穿始终。在机械产品的概念设计以及详细设计和加工制造等环节，仿真技术都能发挥积极的作用。仿真技术在实际应用中，其范围上得到了迅速扩大，在仿真对象和目的上其研究制造对象动力学以及运动学特性，已经向着研究制造系统设计运行方向发展，在库存管理以及产品开发过程组织等层面都有所涉及。

2）集成化特征。机械设计制造过程中仿真技术的应用，在集成化特征层面表现的比较突出，也就是对仿真技术的综合性应用，能有效形成可运行的产品开发以及制造环境。在仿真的类型上是多样化的，有着面向产品以及制造工艺和生产管理等部分的仿真。这些部分在对仿真技术的应用上都得到了综合性体现。

3）分布性特征。仿真技术的应用在与网络技术的结合下，对仿真的分布性特征比较显著。这是通过制造分布所决定的，由敏捷制造以及虚拟网络的支持而实现的。仿真技术的应用和传感器以及图形技术的结合应用特征也比较突出，这就对仿真技术的交互性得到了加强。

2 计算机仿真的实现

计算机仿真技术的顺利实施，需要建立一个既符合要求又可以呈现客体实质的数学模型。在建立模型的过程中，一定要保证建模的精确度，数学模型一旦建立起来，建模的精确度将直接关系着计算机仿真的精度。

计算机仿真主要分成以下几个步骤：

1）模型的创建。面对需要研究的问题，首先需要抽象出一个可以实现有效仿真的可靠系统，并对仿真系统加上边界条件和约束条件。然后，运用相关的知识将准确的架构用数学表达式进行阐述。数学模型按照和时间的关系分成动态模型和静态模型，动态模型由连续性时间、离散时间以及混合时间组成。模型按照状态的变化和方式分成连续性和离散型模型。

2）模型的变换。模型变换是指利用计算机来将抽象的数学表达式转化为计算机能够处理的形式，因此对计算机的算法和计算机的语言提出了较高的要求。这就涉及到计算机仿真的关键步骤-仿真模型的建立。要想顺利实现这个过程，首先需要研发出一套属于自身的新系统，当然也可以使用市面上已经存在的仿真软件来实施仿真。

3）模型的实验。将创建好的仿真模型输入到计算机中，通过计算机处理就可以得到仿真结果。这就构成一整套仿真实验。由于仿真是由实现的设计方案来实施的，因此后续仿真是一件非常简单的工作，但事实上，还需要对仿真结果的可靠性进行检验。

3 仿真技术在齿轮设计研究中的应用

齿轮是机械装备的主要零部件，因此对其进行仿真研究具有十分重要的意义。在操作过程中可以使用Visual Lisp语言来实现集合角度以及对齿轮齿形的建模进行仿真，还可以实现对圆弧齿行星的仿真，利用计算来仿真接触点的相关参数以及对齿轮研发设计中的齿轮泵的仿真[1]。

4 仿真技术在机械结构件设计方面的应用

机械产品需要大量的机械零部件进行组装，在对新产品进行研发的过程中，这些零部件首先需要完成预先的动作，检查结构和结构之间连接的恰当性，探讨以更高的设计方式来满足不同机构间的干涉部位，使其更加满足设计标准。一般在一些大型的三维设计软件中都有一个运动仿真模块，以便其可以能更好地模拟机械结构的运动，这也是现在最常用的操作软件。这种软件能够自主添加运动发生器、弹簧等，因此设计人员仅仅靠运动机构的检查就可以验证仿真度[2]。

5 仿真技术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上的应用范围越来越广，以往很多棘手的问题都可以通过计算机仿真来进行处理。计算机仿真还能使机械计算更加简单化、层次化，节约计算时间，避免在操作过程中的重复操作，提高计算的准确度[3]。机械产品的基本研发过程是“概念设计阶段-初步设计阶段-详细阶段-模拟实验阶段-更改修正阶段-再次修改阶段”，直到满足最终的产品要求。对机械产品进行动力学仿真，能够有效缩短设计时间，减少材料的浪费，及时了解产品结构的强度应力以及刚度等参数，根据计算来获得机械出现疲劳失效的风险因素以及其存在的潜在问题。

6 仿真技术在复杂机械加工研究方面的应用

机械加工是计算机操作和制造的生产技术，利用计算机来发现深层次机理，力求为机械加工提供有效的理论依据。在数控加工过程中，可以利用计算机技术来完成数据模块的加工，并用生成的图形数据信息转换为相应的控制指令，以及设置相关的加工参数[4]。在磨削加工操作上，数学模型的建立是以时间轴为变化单位来设置的，以对磨削的行为和指令进行预先评测，通过计算机仿真得到最终的磨削方案同时也是磨削过程中实现自动化、虚拟化加工的必要前提。在铣削加工上，可以先建立铣切削的相关模型，并利用通用软化来对铣切削的机理和条件进行仿真。在电火花切割方面，应建立加工曲面的计算机仿真模型，以便对电火花加工工艺的效果进行预估[5]。

7 结语

随着我国科学技术的广泛应用，在机械设计制造的发展过程中，对于整体设计和制造业的要求越来越高。仿真技术和机械制造的大范围结合，为我国机械制造带来了一线生机，同时也为可持续发展打下了坚实的基础。

[1]陈荣彬.仿真技术在机械设计制造过程中的应用[J].工程技术，2017（2）：249.

[2]杨宇哲.浅谈仿真技术在机械设计制造过程中的应用[J].科技创新与应用，2014（11）：97.

[3]李丽，吴海涛.仿真技术在机械设计制造中的应用分析[J].工程技术，2017（7）：262.

[4]刘淼.机械虚拟设计及仿真技术在设计中的应用及实例分析[J].科学与财富，2015（7）：109.

[5]路毅，郭强，施政文.仿真技术在机械设计制造中的应用前景[J].内燃机与配件，2017（15）：55-56.