仿真技术在机械设计制造中的应用分析

常娜娜

摘要：近年来，随着科技水平的不断提高，仿真技术在机械设计制造过程中得到广泛应用，营造出高度真实的仿真环境，研制人员可以真切了解机械产品的设计质量与存在的问题，有效解决了传统机械设计制造模式中面临的各项难题，对我国工业领域的可持续发展有着重要意义。因此，本文对仿真技术在机械设计制造中的应用现状进行简要阐述，提出计算机仿真系统的实现策略，提供技术参考。

关键词：仿真技术;机械设计制造;技术应用;实现策略

1  仿真技术在机械设计制造中的具体应用

1.1 机械结构件

近年来，各类机械产品普遍呈现出小型化、集成化发展趋势，虽然产品性能质量得到有效强化，但是，机械结构件的复杂程度与设计难度也有所提升。在设计环节中，要求设计人员基于产品使用需求，依次对各机械部位开展设计工作。同时，还需确保机械结构与定动机之间保持高度匹配状态、不产生组合矛盾。这一问题的存在，导致机械结构件的设计效率持续降低，且各类设计问题层出不穷。与此同时，随着仿真技术的不断发展，设计人员可使用特定的三维机械软件产品，运用软件机械运动仿真的使用功能，从而营造出高度真实的仿真环境，基于现有设计方案，展示机械结构件的运动过程。同时，在修改产品设计方案时，软件也将实时展示机械结构件的设计效果、修改前后差异情况。在这一设计模式下，可以有效避免各类设计问题的出现，便于明确设计思路、协调机械部位与定动机关系。

1.2 复杂数值计算

在机械产品更新换代频率加快、性能质量不断提升的同时，设计难度也有所提高，在设计过程中需完成大量数值计算工作，还面临着诸多复杂计算问题。如若仍旧实施传统的人工设计模式，企业需配置大量工作人员完成数值计算工作，产品设计成本较为高昂，同时，还将时常出现数值计算错误等问题。仿真技术则是在信息处理技术基础之上发展而来，具有较强的数据运算分析能力，既可以通过模拟计算机开展连续系统仿真工作，同时，也可借助仿真技术，辅助与替代人工完成复杂数值计算工作，实现了对复杂数值计算过程的简化，将计算错误等问题的出现率控制在较低程度。在仿真技术早期发展阶段中，受到计算机硬件设备的限制，实际运算速度相对较低，技术推广普及受到限制。近年来，随着数字计算机等仿真工具的更新换代，仿真系统运算速度持续提升，可以切实满足绝大多数机械产品设计工作的复杂数值计算需求。

1.3 齿轮设计

齿轮是各类机械产品结构中的主要构成部分，也是机械设计制造工作的关键所在。在传统设计制造模式中，面临着齿轮设计效果不理想、参数设定不合理等问题。而在应用仿真技术时，设计人员可以选择适当的断面齿形，并在其基础上构建仿真模型，对各系数调整值加以改变，即可对仿真模型进行修改、持续输出仿真结果、开展传动仿真实验，直观化呈现齿轮设计过程与效果。同时，也可运用这项技术对各项设计参数进行运算分析、明确最优值。例如，在圆弧针齿行星设计环节，运用这项技术，可以有效分析正交面齿轮传动接触点的模数、齿轮比等参数。

1.4 复杂机械加工

在机械加工制作环节，对仿真技术的应用，将在一定程度上简化产品制作流程以及生产工艺，有效挖掘深层机理，并推动机械加工的规范化、标准化发展。为直观阐述仿真技术在机械加工层面上的应用现状，以电火花切割、数控加工、铣削加工与磨削加工为例，具体如下。

1.4.1 电火花切割

以机械产品设计方案为主要参照，工作人员在仿真软件中构建配套模型，绘制三维多轴联动加工曲面，连续输出仿真结果，并将仿真结果与电火花切割工作成果进行对比分析。如此，可以提前发现工艺问题、评估切割加工质量。而在仿真结果与切割成果产生出入时，则对问题成因进行分析、改进制作工艺。

1.4.2 数控加工

工作人员根据产品工件的加工工艺，针对性编制数控加工控制程序。在后续加工过程中，系统将基于运行准则，操控CNC机床完成各项工件的加工作业。同时，工作人员向软件下达特定操作指令、转换图形或是调整参数，可以对加工工艺进行改进，确保工件加工过程、成果质量与仿真结果一致。

1.4.3 铣削加工

使用仿真技术，在机械产品铣削工艺过程基础之上，构建配套的动力学模型，为后续切削振动加工的开展提供基础条件。

1.4.4 磨削加工

工作人员向所构建模型中持续导入时间数据与工件磨削加工数据。同时，调整相关系数，即可持续输出仿真结果，获取各项参数指标的最优值，并对磨削加工方案进行优化调整。简单来讲，对仿真技术的应用，可以在仿真过程中发现原有工艺的不足、提供最优化条件。

2  仿真技术在机械设计制造领域中的应用价值

2.1 优化设计制造方案

在传统机械设计模式中，由于采取人工模式，设计效率较为低下，多数企业为控制设计成本与周期，普遍选择制定少量的机械产品设计方案，设计空间较为狭窄。同时，也面临着机械产品细节设计不到位、方案三维立体效果差等问题，部分设计问题没有及时被发现、解决。仿真技术的应用，设计人员既可以借助仿真系统完成大量基础性设计工作，明确产品设计思路、导入相关数据内容，可在短时间内编制机械产品设计方案，并做到对各项设计细节的有效处理。同时，产品三维设计效果较为理想，可以在仿真过程中真实反应产品的性能质量与缺陷问题。因此，设计人员可以在限定时间范围内同时制定多套产品设计方案，并将各套方案進行对比分析，优中选优、拓宽设计思路。

2.2 提高数据分析效率及精度

仿真技术是在信息处理技术基础上发展而成，可以辅助人工完成数据采集与运算分析等工作，在短时间内有效处理庞大数据量，从而提高机械产品设计效率、准确预估产品特性、降低人为主观因素对机械设计质量造成的影响系数。同时，也将切实满足机械产品的个性化设计制造需求。此外，在机械产品结构复杂程度越高、数据处理量越大时，则仿真技术在复杂数值计算方面的应用价值越发显著。

2.3 控制设计成本

在传统设计模式下，由于机械产品呈现出结构复杂化、精密化与小型化发展趋势，虽然产品制造成本有所降低，但却对设计质量提出了更高的要求，企业需配置较为庞大的设计团队，人工成本与机械设计成本较为高昂。以非标自动化设备为例，由于这类机械设备缺乏统一标准，需要設计人员重复开展各项基础性设计工作，如复杂数值计算、设计参数设定等等，使得产品设计周期有所延长，在客观层面上进一步提高了设计成本。对仿真技术的应用，可以辅助设计人员在短时间内完成大量基础工作，如信息采集、数值计算、标准调整等等。同时，在技术应用过程中，可以根据工作需求而构建二维或是三维模型，由仿真模型替代实体模型。不但物料成本有所降低，且设计团队可以得到精简，将人工成本与机械设计总成本控制在较低程度。此外，近年来仿真技术逐渐呈现出智能化发展趋势，与人工智能技术加以有效结合，可以替代设计人员，模拟人类的思维模式，完成部分较为简单的设计工作。因此，随着仿真技术体系的不断完善，将持续降低设计成本、缩减工作量。

3  计算机仿真系统的实现策略

计算机仿真系统的开发与运行步骤为：技术人员结合机械设计制造工作的实际情况，将相关设计内容与数据信息导入至仿真工具当中，构建仿真模型，分层客观体现所存在的主要问题。工作人员对运算放大器的连接形式进行切换、调整相关系数，从而修改仿真模型，营造高度真实的虚拟环境，动态化呈现机械产品的设计制造过程、运动轨迹与某些特质。同时，建模精度越高，则虚拟环境真实度越高、仿真结果越准确。而计算机仿真系统的具体实现步骤及策略如下：

3.1 构建模型

技术人员结合机械设计制造要求、产品基本特征，构建起相对较为抽象的系统，为后续仿真功能的开发与使用提供基础条件。同时，向系统中导入特定的边界条件以及约束条件。随后，在相关条件与数据基础之上构建仿真模型，使用特定数学公式描述仿真核心。随后，选择将时间变化情况或是状态描述结果为主要建模依据，构建若干种仿真模型，常见模型种类包括混合型、连续性以及离散型。以某项机械设计制造项目为例，设计人员最终选择基于状态描述结果，构建离散事件以及连续系统模型。

3.2 模型变换

仿真模型变换的目的在于，将原有较为抽象的表达方式加以转换，转换为计算机系统可识别的表达或是处理形式。随后，技术人员使用特定的编程语言以及算法，将仿真系统核心内容加以阐述，这一部分内容则是所构建的仿真模型。此外，在机械设计制造过程中，工作人员也可根据机械产品的设计与制造需求，对现有仿真模型进行变换处理，在短时间内针对性研制处全新的计算机仿真系统，从而简化机械设计制造流程。

3.3 模型实验

工作人员在计算机仿真系统中导入仿真模型，并下达特定的操作指令，对仿真模型进行调整，即可持续输出仿真结果，完成仿真实验。同时，在配置模拟计算机等仿真工具时，可选择组织开展实时仿真实验，或是对时间比例尺加以适当调整而开展超实时仿真实验，直观化呈现机械产品的运动过程，展示所存在的设计与制作工艺问题。从仿真模型实验结果准确性评估角度来看，企业应结合实际情况，采取适当的衡量方式。目前来看，仿真模型实验结果准确性的常用衡量方式为反向验证法以及置信通道法，不同方式的适用条件存在一定差异。

4  结语

综上所述，在当前我国工业领域发展过程中，仿真技术与机械设计制造之间形成了紧密的内在联系，技术应用情况直接影响到机械产品设计水平与制造质量。因此，企业与技术人员应致力于推动机械设计制造与仿真技术的融合进程，深入了解技术应用价值，充分发挥技术应用效能，将完善仿真技术在机械设计制造领域中的应用模式作为主要研究课题。

参考文献：

[1]樊磊.简析仿真技术在机械设计制造中的应用[J].南方农机，2020，51（11）.

[2]马岳.仿真技术在机械设计制造过程中的应用[J].内燃机与配件，2020（09）.

[3]张世文，黄永鹤.仿真技术在机械设计制造中的应用探讨[J].黑龙江科学，2019，10（22）.

[4]曾广会，张军.仿真技术在机械设计制造中的应用[J].中国设备工程，2019（05）.

[5]王华欣，王松.新型产业化装配式构件的机械化作业在装饰施工中的应用[J].黑龙江科学，2020，11（12）：118-119.

[6]宣军.WK-12C与WK-10B矿用机械挖掘机的设计对比分析[J].机械管理开发，2019，34（12）：49-50，142.