计算机仿真技术在工程陶瓷加工技术中的应用

魏明君，贾舒涵

（1.内蒙古交通职业技术学院，赤峰024005 2.“馨育苑”工作室，赤峰024005）

1 前言

计算机仿真技术具有经济、可靠、实用、安全、可多次重用的优点。仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿，人们利用这样的模型进行实验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题作出决策。将其应用于工程陶瓷加工中，能够从多方面入手促进相关企业研究效率和经济效益的提升。

2 计算机仿真技术的概念

计算机仿真技术是利用计算机建立模型进行科学实验的一门多学科综合性技术[1]。计算机仿真技术的主要步骤包括建立模型、进行实验、分析结果和修正模型。首先，需要针对实际系统某一层次的特性建立模型。然后，进行实验对模型进行验证和修改。最后，分析实验结果，根据结果来修正模型和有关的参数。如此迭代地进行，直到认为这个模型已满足试验者对客观系统的某一层次的仿真目的为止。

3 计算机仿真技术在工程陶瓷加工中的应用优势

将计算机仿真技术应用于工程陶瓷加工中，可以从多方面入手促进陶瓷加工企业生产效率和效益的提升。具体体现在以下几点：

第一，提高实验研究效率。计算机仿真技术利用计算机软件和模型来模拟实验过程，研究人员可以在计算机上设计和进行实验，无需实际操作实验设备或使用实际材料。这大大减少了实物实验的数量，缩短了实验时间。研究人员可以根据需要随时调整参数或条件，快速获得实验结果，从而提高实验效率。同时研究人员还可以利用计算机仿真技术实现多元化实验，在同一平台上进行不同条件、不同参数的实验，获得更多的实验数据和结果。这有助于比较不同实验条件下的结果，加深对实验过程的理解和控制。

第二，降低成本，提高经济效益。通过计算机仿真技术进行实验，研究人员可以节省实验材料、人员等成本。在新材料或新工艺的研发过程中，需要进行大量的实验和测试，使用计算机仿真技术可以大大减少实物实验的数量和时间，从而降低研发成本。此外，计算机仿真技术还可以模拟一些难以进行实物实验的情况，通过计算机仿真技术可以预测并模拟这些问题，帮助研究人员及时发现并解决潜在问题。这可以提高实验的可靠性和稳定性，减少实物实验的风险和成本。

第三，优化工艺参数。计算机仿真技术可以通过模拟实验过程，技术人员可以根据仿真结果调整工艺参数，优化工艺条件，提高产品的质量和性能。这有助于减少实物实验的次数和时间，提高实验的效率和准确性[2]。如图1 所示，就为陶瓷炉窑烧制的虚拟仿真。基于该仿真平台就可以对炉窑烧制的过程进行模拟分析，从而为工艺参数的最优化提供便利。

图1 炉窑烧制的虚拟仿真

总之，计算机仿真技术在工程陶瓷生产中具有显著的应用优势。通过模拟实验过程、优化工艺参数、预测和解决潜在问题以及实现多元化实验等手段，可以大大提高工程陶瓷的生产效率和产品质量，降低生产成本，促进陶瓷行业的可持续发展。

4 计算机仿真技术在工程陶瓷加工中的流程

在工程陶瓷加工中，计算机仿真技术应用需要按照下述流程进行。

第一，设计和建立仿真加工系统。结合产品的规格、性能要求、制造过程中的限制等明确陶瓷生产的目标和要求，以此为基础来完成陶瓷生产仿真系统的设计。系统需要包括模拟陶瓷生产的各种过程，包括原料制备、成型、烧成等。此外，系统还应具备对生产过程的监控、分析和优化功能。为了确保仿真结果的准确性和可靠性，应考虑采用先进的计算机建模和仿真技术。第二，虚拟仿真加工系统的加工设备建模。基于仿真加工系统和计算机建模技术完成对整个陶瓷加工过程中所用工艺设备的建模，能够准确地模拟陶瓷生产的实际需求，需要注意的是为了确保仿真结果的准确性和有效性，必须全面结合具体的生产工艺参数来进行相关工艺设备参数的设定[3]。第三，虚拟仿真加工功能的设定和应用。在完成了加工设备的建模后，就可以开始实现虚拟仿真加工功能。这包括模拟原料的制备、成型、烧成等过程，并收集和分析数据，以评估生产过程的效果和质量。陶瓷干压成型粉料喷雾干燥造粒虚拟仿真如图2 所示，通过这种方式，可以在计算机上模拟陶瓷生产的各个环节，预测潜在的问题，然后就可以找出生产过程中的问题，并提出改进措施。通过这种方式，计算机仿真技术可以有效地提高陶瓷生产的效率和产品质量。优化涉及调整原料配方、改进加工工艺或升级设备等多个方面。通过不断实验和调整，可以逐步提高生产过程的效率和产品质量，从而满足市场需求。

图2 陶瓷干压成型粉料喷雾干燥造粒虚拟仿真

5 计算机仿真技术在工程陶瓷加工中的具体应用

5.1 计算机仿真技术在工程陶瓷工艺流程模拟中的应用

陶瓷成型技术工艺是一个复杂且精细的过程，涵盖了从原材料分析到成品烧制的各个阶段。通过计算机仿真技术可以围绕每个阶段进行全面的模拟仿真和分析。

（1）原材料分析。在陶瓷坯体生产中，原材料的选择和分析是至关重要的第一步。计算机仿真技术在这一环节中发挥了重要作用。通过模拟和分析不同类型黏土、石英及长石等原材料的化学元素含量组成，计算机仿真技术可以预测其性能和效果。这有助于建立相应的原材料数据库，为实际生产提供参考和指导。此外，通过建立数学模型，比较不同配方对陶瓷性能的影响，计算机仿真技术还可以优化原材料的选用。这种模拟方法有助于避免生产过程中的试验和错误，提高生产效率和产品质量。

（2）陶瓷泥料可塑性及流动性测试。陶瓷泥料的可塑性和流动性直接影响到陶瓷成型工艺的效率和产品质量。计算机仿真技术可以通过模拟陶瓷泥料的物理性质，如弹性模量、黏度和塑性屈服等，评估其可塑性和流动性。这种模拟方法能够预测出泥料的可塑性和流动性，为选择合适的成型工艺和设备提供依据。根据坯体成型工艺的方式及特点，计算机仿真技术还可以建立相应的泥料数据库，以提供实际生产的参考[4]。这种方法有助于优化陶瓷坯体的制备过程，提高产品的质量和生产效率。

（3）原材料温度测试。陶瓷的烧制工艺对温度有严格要求，原材料的耐火度要达到1350℃。计算机仿真技术可以通过模拟陶瓷烧制过程中的传热和化学反应过程，预测不同温度下陶瓷的性能和外观。这种模拟方法能够预测出不同温度下陶瓷的性能和外观，为优化烧制工艺和产品质量提供依据。实验后，可以建立相关的原材料温度数据库，以进一步优化陶瓷的烧制过程。这种方法有助于提高生产效率和产品质量，减少试验和错误的风险。

（4）陶瓷烧制过程中的物理及化学釉色窑变反应可视化分析。在陶瓷烧制过程中，物理和化学反应非常复杂，涉及多个因素和变量。计算机仿真技术可以通过模拟和分析这些反应过程，实现可视化分析。通过建立数学模型和算法，计算机仿真技术可以预测陶瓷表面的釉色和窑变效果。这种可视化分析有助于理解烧制过程中的各种反应和变化，为优化烧制工艺和产品质量提供依据。通过进一步优化烧制工艺，可以提高产品的外观和质量，满足市场需求。

（5）陶瓷烧造制度阶段数据分析。在陶瓷烧制过程中，每个阶段的数据都是重要的生产参数。计算机仿真技术可以通过对每个阶段的数据进行分析和模拟，了解整个烧制过程的变化趋势和影响。通过比较不同阶段的温度、压力、气氛等参数对陶瓷性能的影响，计算机仿真技术可以优化烧制制度。这种数据分析有助于了解各阶段参数对陶瓷性能的影响，为优化生产工艺提供指导。通过优化烧制制度，可以提高生产效率和质量，降低成本和废品率。同时，数据分析还可以为生产管理和质量控制提供有力支持，提高整体生产水平。

5.2 陶瓷烧结过程显微组织的模拟

在工程陶瓷生产中，虚拟仿真技术可以用于模拟陶瓷烧结过程中的显微组织。这种模拟技术有助于了解陶瓷材料的微观结构和性能，从而优化生产工艺和提高产品质量。陶瓷烧结是一个复杂的过程，涉及材料颗粒的排列、孔隙的消除、致密化和显微组织的演变等。在这个过程中，材料的显微组织对于陶瓷的性能和质量有着至关重要的影响。因此，通过模拟陶瓷烧结过程中的显微组织，可以更好地理解和控制生产过程。虚拟仿真技术可以通过建立数学模型和算法，模拟陶瓷烧结过程中的显微组织演变。这种模拟方法可以考虑到材料的物理和化学性质、烧结温度和压力、保温时间和气氛等因素对显微组织的影响[5]。通过模拟陶瓷烧结过程中的显微组织演变，可以预测陶瓷材料的致密度、晶粒大小和分布、气孔形状和分布等参数，从而优化生产工艺和产品质量。例如，通过模拟陶瓷烧结过程中的显微组织演变，可以发现晶粒的生长和气孔的消除是受温度和保温时间的影响的。在一定的温度下，随着保温时间的延长，晶粒逐渐长大，气孔逐渐消除。因此，在生产过程中，可以通过控制烧结温度和保温时间来调整陶瓷材料的显微组织，提高产品的性能和质量。虚拟仿真技术在工程陶瓷生产中可以发挥重要作用。通过模拟陶瓷烧结过程中的显微组织演变，可以更好地理解和控制生产过程，优化生产工艺和产品质量。这种模拟方法有助于提高工程陶瓷的生产水平，降低成本和废品率，满足市场需求。

5.3 基于计算机仿真技术的工程陶瓷3D 打印

基于计算机仿真技术的工程陶瓷3D 打印是一种先进的陶瓷生产工艺，它利用3D 打印技术实现陶瓷零件的快速、高效、精确制造。该技术依托计算机辅助设计软件，将陶瓷材料逐层堆积，最终形成具有特定形状和功能的陶瓷零件，这一技术的应用在工程陶瓷生产中具有重要作用。首先，通过建立3D 模型，可以模拟陶瓷零件的形状、结构、材料分布等参数，预测其性能和行为。这有助于优化陶瓷零件的设计，提高其质量和性能。其次，计算机仿真技术可以模拟3D 打印过程中材料的堆积过程，预测可能出现的缺陷和问题，如层裂、气孔等。这为实际生产提供了指导和参考，降低了生产成本和废品率。但是在具体应用过程中，必须建立完整的3D 模型数据库和仿真模型库，包括不同类型陶瓷材料的物理、化学性质参数以及各种生产工艺的模拟数据，以此为基础，才可以更好地完成对工程陶瓷3D 打印过程的模拟和优化。

6 结语

随着计算机技术的不断发展和进步，计算机仿真技术在工程陶瓷加工中的应用也将越来越广泛和深入。未来，计算机仿真技术将与人工智能、大数据等先进技术相结合，进一步提高模拟和预测的准确性和效率，为工程陶瓷加工技术的发展提供更加有力的支持。