浅谈仿真技术在机械设计制造中的应用

蒋佳兴

【摘  要】随着计算机技术的发展与应用，人们的生产生活越来越离不开计算机技术，随着计算机技术的发展，仿真技术得到普及，在计算机中利用相关软件对所需设计做出虚拟实验，其发展和应用综合多门学科与理论，为人们的设计和实验带来极大便利。本文对仿真技术在机械设计制造行业中的应用进行介绍，指出仿真技术对此行业的重要性，从齿轮设计、结构件设计、复杂机械加工等方面对仿真技术在机械设计制造中的应用进行分析。

【关键词】仿真技术;机械设计制造;应用

一、仿真技术在机械设计制造行业的重要作用

计算机仿真被称为虚拟样机技术，设计人员利用特定软件在计算机上建立模型，同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传统的实验方法，并具有节约资金、安全可靠、方便灵活及可重复使用等优点。在机械工程计算中，为了解决很多复杂系统的设计、分析和实验等难题，需要在计算机中建立真实系统的仿真模型，分析实际系统的活动特征。在研发设计的初始阶段，设计人员需要用工具软件做不同设计，并建立虚拟样机，对现实或假设系统进行仿真研究和试验，监测和改进系统十分便利。仿真技术引入不仅提高机械设备研究设计的质量，减少零部件的开发周期和降低制造成本。

传统的机械设计制造中，一方面，因为需要人工核查数据，加上方案制作程序较多，很难在设计的过程中完成模型测试，导致隐藏的问题不易发现;另一方面，随着机械制造行业迅速发展，机械设计尤其是系统设计更加多样化，设计的过程中难免会有庞大的数据信息，这就会使得实验的过程比较繁琐，实现起来比较困难，会遇到各种各样的矛盾和问题。因此，在进行设计的过程中，我们引入仿真技术，通过建立真实系统的仿真模型，进行虚拟仿真实验，对实验结果和参数进行分析，从而改进设计思路，优化参数配置，以期得到最佳设计方案。这样，不仅极大地提高了方案的可靠性和安全性，而且大大提升了机械设计和研发产品的质量，大幅缩短了开发周期，降低了开发成本。

二、仿真技术的实现

要实现仿真技术，因为计算机无法直接识别和处理实际的研究对象，所以首先需要建立一个既符合分析要求又能反映实际情况的数学模型，即所谓的建模。建模过程涉及高等数学、数据处理等知识的综合运用。在建模过程中，一定要保证其精确度，这将直接关系着仿真的精度。计算机通过处理这些抽象的数学模型，经过变换建立仿真模型，输出与真实系统相关的某些特质和参数，供设计人员进行分析。

1.模型建立

模型的建立，就是首先对研究的问题抽象出一个能进行有效仿真的可靠系统，并对其加上合理的约束条件和边界条件，然后运用相关的学科知识用数学表达式将这个系统进行准确阐述，也就是仿真的核心———数学模型[2]。按照是否随时间的变化而变化，数学模型分为静态模型和动态模型，而动态模型也有连续时间模型、离散时间模型和混合时间模型三种;按照是否考虑随机因素，数学模型分为确定性模型和随机性模型。

2.模型变换

模型的变换，就是把数学模型中抽象的数学表达式转换成为计算机能够识别处理的形式，这需要适当的计算机语言和算法作为基础，这个过程就是仿真的基础———建立仿真模型。设计人员可以使用已有的仿真软件，也可以根据需要自行研发仿真系统进行仿真模型的创建。模型变换是仿真技术的关键步骤，需要专业的计算机知识应用能力。

3.模型实验

模型的实验，就是将仿真模型输入到计算机中运行，获取仿真结果的过程。只要模型建立和变换两个核心步骤做好，模型的仿真实验是非常简单易行的。但是，我们需要通過对仿真结果进行可靠性分析来衡量仿真结果，常用的方法有置信通道法以及仿真过程的反向验证法。

三、仿真技术在机械设计制造中的应用

1.在齿轮设计中的应用

在机械装备中，齿轮可谓是最重要的零部件之一，因此，在设计中对其性能进行仿真意义重大，并且不少设计者也针对此问题做了大量研究。其中包括：使用visual lisp语言对齿轮端面的建模和仿真，从任意几何角度对其性能进行评估;用计算机仿真技术展开对圆弧针齿行星传动的研究;对影响正交齿轮传动接触点的主要参数进行研究等等。此外，计算机仿真技术在齿轮泵的齿轮设计中应用也十分广泛。

2.在机械结构件设计方面的应用

一个机械系统的完成需要各部分机械?Y构件的组合，共同发挥它们的综合作用。因此，在对一个新产品进行设计时，各零部件的性能能否正常发挥、它们之间的配合是否得当、如何选取组合方案等问题，都离不开事先用仿真技术进行模拟优化。现在市场主流的大型三维设计软件都对结构运动仿真功能进行了开发，根据在该软件中设计的装配体的性能，对演示结构的运动展开模拟，如果需要运动学仿真，只需要提前设置好主运动件，具有极大的便利性。此外，在这些大型三维设计软件的仿真运动过程中，设计者能够从任意角度观察运动结果，还能帮助设计者检查结构的运动干涉等问题，功能十分强大。

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。

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。

结语

随着社会经济的快速发展，促进现代工业技术的快速发展，带来机械设计制造行业各生产工艺与步骤的复杂化。因此需要运用自动测试与仿真等高新计算机技术为设计人员优化设计方案提供技术支持。尤其是在仿真技术在机械设计制造中得到广泛使用，使得设计人员从庞大复杂的信息中对机械加工过程或零部件设计进行最优化控制，为机械设计制造行业的发展创造更加有利的环境。

参考文献

[1]朱澄， 李弘锦.仿真技术在机械设计制造中的应用前景[J]. 科技展望， 2017， 27（4）：330.

[2]陈青莲.仿真技术在机械设计制造中的应用前景分析[J].建筑技术开发，2017，44（13）：79-80.

[3]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.