仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

1、仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用作者：劉永勛王利博來源：決策探索收藏天下（中旬刊）2018年第9期文/劉永勛 王利博摘要：隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，仿真技術(shù)也得以普及，為人們進(jìn)行設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn) 帶來了極大方便。如今，仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用在機(jī)械設(shè)計(jì)制造、水利水電、建筑施工、航空船舶 以及醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域。文章主要介紹了仿真技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的作用，從模型創(chuàng)建、變 換和實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面闡述了仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)步驟，從機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、齒輪設(shè)計(jì)、復(fù)雜機(jī)械加工、 復(fù)雜數(shù)值計(jì)算分析、大型機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)等方面的具體應(yīng)用對(duì)仿真技術(shù)進(jìn)行了探討，剖析了仿真 技術(shù)的重要性。關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)；機(jī)械設(shè)計(jì)制造；模型創(chuàng)建伴隨著計(jì)算機(jī)的普

2、遍應(yīng)用和飛速發(fā)展，仿真技術(shù)逐漸興起，應(yīng)用范圍越來越廣，它結(jié)合了 控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)多門學(xué)科和理論，是一門借助計(jì)算機(jī)及軟件進(jìn)行虛擬仿 真實(shí)驗(yàn)以分析解決實(shí)際問題的綜合性技術(shù)。早期的仿真技術(shù)亦被稱為蒙特卡羅方法，是一種通 過實(shí)驗(yàn)用隨機(jī)數(shù)解決隨機(jī)問題的方法。目前為止，仿真技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個(gè)階段：模擬 機(jī)仿真、模擬數(shù)字混合機(jī)仿真和數(shù)字機(jī)仿真。近年來，仿真技術(shù)在工業(yè)發(fā)展領(lǐng)域中的地位越來 越重要，它極大地促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步。因此，對(duì)仿真技術(shù)進(jìn)行深入研究，就能夠 為機(jī)械設(shè)計(jì)制造提供可視化的模擬制造效果和改進(jìn)優(yōu)化的依據(jù)。一、仿真技術(shù)與機(jī)械設(shè)計(jì)制造（一）仿真技術(shù)仿真技術(shù)，因其不需要

3、制造實(shí)物也被稱為虛擬樣機(jī)技術(shù)，是指設(shè)計(jì)人員利用相關(guān)的軟件在 計(jì)算機(jī)上建立數(shù)據(jù)模型，通過分析動(dòng)態(tài)性能參數(shù)來改進(jìn)優(yōu)化方案，具有安全可靠、靈活方便、 節(jié)約時(shí)間、節(jié)約成本以及不受地域環(huán)境因素影響等諸多優(yōu)點(diǎn)。（二）機(jī)械設(shè)計(jì)制造制造業(yè)是國民經(jīng)濟(jì)的主體，是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。近代歷史一再證明，沒有 強(qiáng)大的制造業(yè)，就沒有國家和民族的強(qiáng)盛。正因?yàn)槿绱?，“中國制?025”是國家實(shí)施制造強(qiáng) 國戰(zhàn)略第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)。而作為工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，機(jī)械設(shè)計(jì)制造涉及面非常廣， 它包括測控技術(shù)、模具設(shè)計(jì)加工、汽車設(shè)計(jì)制造、數(shù)字化設(shè)計(jì)制造、機(jī)電一體化等諸多領(lǐng)域， 囊括了工程材料、力學(xué)、機(jī)械制造技術(shù)、控制理論以及

4、液壓與氣壓傳動(dòng)等多門知識(shí)。隨著科技 的發(fā)展和信息化時(shí)代的到來，我國機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)發(fā)展迅速，但與世界先進(jìn)水平相比，中國 機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)還存在一定的差距。所以，機(jī)械設(shè)計(jì)制造技術(shù)的提高和創(chuàng)新，對(duì)促進(jìn)我國社 會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、推動(dòng)社會(huì)的進(jìn)步有著十分重要的意義。（三）仿真技術(shù)對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)制造的作用傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)制造中，一方面，因?yàn)樾枰斯ず瞬閿?shù)據(jù).加上方案制作程序較多，很難 在設(shè)計(jì)的過程中完成模型測試，導(dǎo)致隱藏的問題不易發(fā)現(xiàn)；另一方面，隨著機(jī)械制造行業(yè)迅速 發(fā)展，機(jī)械設(shè)計(jì)尤其是系統(tǒng)設(shè)計(jì)更加多樣化，設(shè)計(jì)的過程中難免會(huì)有龐大的數(shù)據(jù)信息，這就會(huì) 使得實(shí)驗(yàn)的過程比較繁瑣，實(shí)現(xiàn)起來比較困難，會(huì)遇到各種各樣的矛盾和問題

5、。因此，在進(jìn)行 設(shè)計(jì)的過程中，我們引入仿真技術(shù)，通過建立真實(shí)系統(tǒng)的仿真模型，進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí) 驗(yàn)結(jié)果和參數(shù)進(jìn)行分析，從而改進(jìn)設(shè)計(jì)思路，優(yōu)化參數(shù)配置，以期得到最佳設(shè)計(jì)方案。這樣， 不僅極大地提高了方案的可靠性和安全性，而且大大提升了機(jī)械設(shè)計(jì)和研發(fā)產(chǎn)品的質(zhì)量，大幅 縮短了開發(fā)周期，降低了開發(fā)成本。二、仿真技術(shù)的實(shí)現(xiàn)要實(shí)現(xiàn)仿真技術(shù)，因?yàn)橛?jì)算機(jī)無法直接識(shí)別和處理實(shí)際的研究對(duì)象，所以首先需要建立一 個(gè)既符合分析要求又能反映實(shí)際情況的數(shù)學(xué)模型，即所謂的建模。建模過程涉及高等數(shù)學(xué)、數(shù) 據(jù)處理等知識(shí)的綜合運(yùn)用。在建模過程中，一定要保證其精確度，這將直接關(guān)系著仿真的精度。 計(jì)算機(jī)通過處理這些抽象的數(shù)學(xué)模型

6、，經(jīng)過變換建立仿真模型，輸出與真實(shí)系統(tǒng)相關(guān)的某些特 質(zhì)和參數(shù)，供設(shè)計(jì)人員進(jìn)行分析。（一）模型建立模型的建立，就是首先對(duì)研究的問題抽象出一個(gè)能進(jìn)行有效仿真的可靠系統(tǒng)，并對(duì)其加上 合理的約束條件和邊界條件，然后運(yùn)用相關(guān)的學(xué)科知識(shí)用數(shù)學(xué)表達(dá)式將這個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確闡述， 也就是仿真的核心一一數(shù)學(xué)模型。按照是否隨時(shí)間的變化而變化，數(shù)學(xué)模型分為靜態(tài)模型和動(dòng) 態(tài)模型，而動(dòng)態(tài)模型也有連續(xù)時(shí)間模型、離散時(shí)間模型和混合時(shí)間模型三種；按照是否考慮隨 機(jī)因素，數(shù)學(xué)模型分為確定性模型和隨機(jī)性模型。（二）模型變換模型的變換，就是把數(shù)學(xué)模型中抽象的數(shù)學(xué)表達(dá)式轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能夠識(shí)別處理的形式， 這需要適當(dāng)?shù)挠?jì)算機(jī)語言和算法作為

7、基礎(chǔ)，這個(gè)過程就是仿真的基礎(chǔ)一一建立仿真模型。設(shè)計(jì) 人員可以使用已有的仿真軟件，也可以根據(jù)需要自行研發(fā)仿真系統(tǒng)進(jìn)行仿真模型的創(chuàng)建。模型 變換是仿真技術(shù)的關(guān)鍵步驟，需要專業(yè)的計(jì)算機(jī)知識(shí)應(yīng)用能力。（三）模型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膶?shí)驗(yàn)，就是將仿真模型輸入到計(jì)算機(jī)中運(yùn)行，獲取仿真結(jié)果的過程。只要模型建立 和變換兩個(gè)核心步驟做好，模型的仿真實(shí)驗(yàn)是非常簡單易行的。但是，我們需要通過對(duì)仿真結(jié) 果進(jìn)行可靠性分析來衡量仿真結(jié)果，常用的方法有置信通道法以及仿真過程的反向驗(yàn)證法。三、仿真技術(shù)在機(jī)械設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用（一）在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行，需要將各部分零部件連接組合起來。所以，在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的時(shí)候，各個(gè) 零部件是

8、否安裝正確，各機(jī)構(gòu)間的運(yùn)動(dòng)是否存在干涉，配合是否得當(dāng)，輸出件的運(yùn)動(dòng)范圍、速 度等參數(shù)是否滿足設(shè)計(jì)需求，機(jī)構(gòu)組合方案是否需要優(yōu)化等問題，都需要仿真技術(shù)進(jìn)行模擬來 解決。現(xiàn)在主流的大型三維設(shè)計(jì)軟件如Pro/E、UG等都具備結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的功能，利用這個(gè)功 能可以在虛擬環(huán)境下對(duì)設(shè)計(jì)好的裝配體進(jìn)行模擬。比如進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，只需要將主動(dòng)件設(shè)置 好，就可以從多個(gè)角度直觀觀察到運(yùn)動(dòng)的效果，可以很方便地對(duì)運(yùn)動(dòng)的干涉進(jìn)行檢查驗(yàn)證。此 外，有的軟件還可以根據(jù)裝配關(guān)系自主計(jì)算運(yùn)動(dòng)副和自由度，并自動(dòng)添加附加的運(yùn)動(dòng)發(fā)生器、 鉸鏈、彈簧等。當(dāng)然，還可以結(jié)合其他軟件如ANSYS有限元分析的軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、動(dòng)力學(xué) 分析等。（

9、二）在齒輪設(shè)計(jì)中的應(yīng)用齒輪是機(jī)械設(shè)備中使用最為廣泛的重要傳動(dòng)件，所以，在齒輪設(shè)計(jì)中仿真技術(shù)的運(yùn)用意義 重大。有不少設(shè)計(jì)人員對(duì)此進(jìn)行了研究：首先建立三維模型，方法有多種，如可以通過CaXa電 子圖板形成齒輪的端面輪廓形狀，將其導(dǎo)入ANSYS軟件中利用其前處理器的建模功能，由齒輪 的漸開齒廓線生成三維的齒輪模型，按劃分網(wǎng)格、施加載荷和約束及后處理的步驟對(duì)齒輪進(jìn)行 分析等。再比如運(yùn)用Visual Lisp語言對(duì)直齒輪、斜齒輪、錐齒輪等各種類型齒輪進(jìn)行建模和 仿真，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析，以優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。此外，仿真技術(shù)可以對(duì)影響齒輪傳動(dòng)接觸點(diǎn)的 參數(shù)進(jìn)行研究。因此，仿真技術(shù)在齒輪泵、齒輪減速器等研發(fā)設(shè)計(jì)中

10、有了廣泛的應(yīng)用。（三）在復(fù)雜機(jī)械加工方面的應(yīng)用機(jī)械加工是機(jī)械設(shè)計(jì)制造的實(shí)際操作步驟，在復(fù)雜機(jī)械加工過程中，利用仿真技術(shù)能夠通 過對(duì)機(jī)床、工件、刀具等工藝系統(tǒng)進(jìn)行模擬和監(jiān)測，獲得加工信息，進(jìn)而可以提前發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品加 工過程中可能存在的問題，分析原因并提出改進(jìn)措施，這對(duì)于優(yōu)化流程、減少風(fēng)險(xiǎn)、提高效益 具有十分重要的意義。在數(shù)控加工中，利用輔助數(shù)控加工模塊可以編制優(yōu)化代碼，轉(zhuǎn)換成圖形 信息或數(shù)據(jù)，然后再進(jìn)行參數(shù)設(shè)置；在磨削加工中，因?yàn)閿?shù)學(xué)模型是隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)模型， 所以仿真過程中能夠預(yù)先對(duì)磨削行為和質(zhì)量進(jìn)行評(píng)估，進(jìn)而得到最佳磨削方案；在電火花加工 中，通過建立多軸聯(lián)動(dòng)加工復(fù)雜曲面的仿真模型，可以對(duì)其工

11、藝進(jìn)行效果預(yù)估，優(yōu)化參數(shù)。（四）在復(fù)雜數(shù)值計(jì)算分析方面的應(yīng)用機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)過程是從概念到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，再到零件設(shè)計(jì)，然后試制，裝配好進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 最后進(jìn)行修正，直到滿足實(shí)際需求。產(chǎn)品開發(fā)的周期與其復(fù)雜程度有很大關(guān)系，如果太過復(fù)雜， 周期就會(huì)特別長。但隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，這些原本復(fù)雜的問題通過仿真來解決就會(huì)簡單很 多。在機(jī)械設(shè)計(jì)中，如果遇到需要進(jìn)行復(fù)雜數(shù)值計(jì)算分析的情況，利用仿真技術(shù)可以使復(fù)雜的 運(yùn)算工程簡單化和層次化，避免了低級(jí)的重復(fù)計(jì)算，提高了計(jì)算速度和準(zhǔn)確率，這在新產(chǎn)品的 研發(fā)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著重要的作用。如對(duì)機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行仿真，就可以得到結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、應(yīng) 變變形、振動(dòng)模態(tài)、熱變形等參數(shù)，進(jìn)一步分析就可以得到容易導(dǎo)致出現(xiàn)疲勞失效的隱患和其 他潛在問題。（五）在大型機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)中的應(yīng)用對(duì)于礦山機(jī)械等大型機(jī)械設(shè)備來講.因它們體型較大結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包含的零部件比較多，制 造過程較為復(fù)雜。在實(shí)際的生產(chǎn)過程中，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常在零件的配置過程中出現(xiàn)問題，由于設(shè) 計(jì)人員不能一次性將零件配備到位，導(dǎo)致原機(jī)械零件需要修改，甚至報(bào)廢，從而耽誤生產(chǎn)期限， 給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。如果利用仿真技術(shù)，就可以很好地對(duì)大型機(jī)械的各零部件加工方 法進(jìn)行提前研究比較，從而提高大型機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)效率，極大節(jié)約生產(chǎn)和操作過程中的人力、 物力、財(cái)力。同時(shí)，還可以在虛擬的環(huán)境下，對(duì)其進(jìn)行裝配和環(huán)境使用測試，可以直觀地