楊宇哲

摘 要：計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是借助計(jì)算機(jī)及其相關(guān)軟件，問題的分析和解決是通過虛擬試驗(yàn)的方法達(dá)到的，是一門結(jié)合了多種學(xué)科和理論的綜合性技術(shù)。早期的計(jì)算機(jī)仿真又被稱作蒙特卡羅方法，是一門用隨機(jī)數(shù)通過實(shí)驗(yàn)求解隨機(jī)問題的方法。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)仿真主要經(jīng)歷了三個(gè)比較大的階段，即模擬機(jī)仿真、模擬-數(shù)字混合機(jī)仿真和數(shù)字機(jī)仿真。如今，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，例如在機(jī)械裝備加工制造、物流運(yùn)輸、航空宇航、大型船舶制造、工程管理以及醫(yī)療保健等等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)；機(jī)械設(shè)計(jì)；應(yīng)用

1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械制造行業(yè)的重要作用

計(jì)算機(jī)仿真也被稱作虛擬樣機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)人員利用特定軟件在計(jì)算機(jī)上建立模型，通過各種動(dòng)態(tài)性能參數(shù)分析來(lái)優(yōu)化樣機(jī)方案，不需要大量制造實(shí)物樣機(jī)，從而用數(shù)字化新型技術(shù)取代了傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法，并且具有節(jié)約資金、安全可靠、方便靈活以及可重復(fù)使用等優(yōu)點(diǎn)。如今在機(jī)械工程計(jì)算中，為了解決許多復(fù)雜系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、分析和實(shí)驗(yàn)等諸多難題，都需要在計(jì)算機(jī)中建立真實(shí)系統(tǒng)的仿真模型，來(lái)分析實(shí)際系統(tǒng)的活動(dòng)特征。在研發(fā)設(shè)計(jì)的初始階段，設(shè)計(jì)人員只需用工具軟件做不同的初始設(shè)計(jì)并建立起虛擬樣機(jī)，就可以對(duì)現(xiàn)實(shí)的或者假設(shè)的系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究和試驗(yàn)了，監(jiān)測(cè)和改進(jìn)系統(tǒng)也很便利。仿真技術(shù)的引入不僅極大地提高了機(jī)械設(shè)備研究設(shè)計(jì)的質(zhì)量，而且大幅減少了零部件的開發(fā)周期和降低了制造的成本。

2 計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)的前提是建立符合實(shí)際的電腦數(shù)學(xué)模型和仿真模型，這個(gè)過程涉及到圖形學(xué)、幾何造型學(xué)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)和力學(xué)等知識(shí)的集合運(yùn)用。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是無(wú)法直接識(shí)別和處理研究對(duì)象的，所以要產(chǎn)生一個(gè)既能被計(jì)算機(jī)接受又可以呈現(xiàn)研究客體實(shí)質(zhì)的數(shù)學(xué)模型。

計(jì)算機(jī)處理這些將真實(shí)系統(tǒng)的實(shí)質(zhì)抽象出來(lái)的數(shù)學(xué)模型，并輸出這些模型的相關(guān)參數(shù)來(lái)展示真實(shí)系統(tǒng)的某些特質(zhì)，這種展示也可以是具象的（如三維立體的）。三維立體模型具有更加直觀清晰的特點(diǎn)，所以越來(lái)越多的被研究人員所采用。數(shù)學(xué)模型建立起來(lái)以后，計(jì)算機(jī)仿真的精度將由建模的精準(zhǔn)程度來(lái)決定。綜上所述，要想實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)仿真大體上分為三個(gè)步驟：

2.1 模型的創(chuàng)建

針對(duì)要研究的目標(biāo)或問題，首先需要抽象出一個(gè)能達(dá)到仿真目的的可靠系統(tǒng)，并且要給其加上邊界條件和約束條件。然后，運(yùn)用相關(guān)學(xué)科的知識(shí)把這個(gè)系統(tǒng)通過數(shù)學(xué)表達(dá)式準(zhǔn)確地闡述出來(lái)，闡述的內(nèi)容就是計(jì)算機(jī)仿真的核心——數(shù)學(xué)模型。數(shù)學(xué)模型根據(jù)時(shí)間的關(guān)系可劃分為靜態(tài)模型和動(dòng)態(tài)模型，而動(dòng)態(tài)模型又分為連續(xù)時(shí)間、離散時(shí)間和混合時(shí)間三種；模型分為連續(xù)變量系統(tǒng)模型和離散事件系統(tǒng)模型是以系統(tǒng)的狀態(tài)描述和變化方式為依據(jù)的。

2.2 模型的變換

模型的變換就是把抽象出來(lái)的數(shù)學(xué)表達(dá)式轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能夠處理的形式，這需要運(yùn)用適當(dāng)?shù)乃惴ê陀?jì)算機(jī)語(yǔ)言，這種形式所表達(dá)的內(nèi)容就是進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的關(guān)鍵——仿真模型。實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程，既可以根據(jù)自身需要研發(fā)一個(gè)新的系統(tǒng)，也可以把當(dāng)下市面上已有的仿真軟件拿來(lái)直接運(yùn)用。

2.3 模型的實(shí)驗(yàn)

將創(chuàng)建的仿真模型輸入電腦中，運(yùn)行仿真模型會(huì)獲取一系列的仿真結(jié)果，這就是模型的仿真實(shí)驗(yàn)。由于是按照先期設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方案來(lái)運(yùn)行的，所以仿真實(shí)驗(yàn)是一件很簡(jiǎn)單的事情。但是，仿真的結(jié)果又應(yīng)該按照什么標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量呢？這就需要具體辯析仿真結(jié)果的可靠性，檢驗(yàn)仿真結(jié)果可靠性主要有兩種方法（置信通道法和仿真過程的反向驗(yàn)證法）。

3 在機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)中計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的廣泛應(yīng)用

3.1 在齒輪設(shè)計(jì)研究中的應(yīng)用

齒輪是機(jī)械裝備的主要基礎(chǔ)零部件，研究它的計(jì)算機(jī)仿真是很有意義的。如運(yùn)用Visual Lisp語(yǔ)言可以從幾何角度研究齒輪任何端面齒形的建模和傳動(dòng)仿真；圓弧針齒行星傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)研究也能運(yùn)用電腦仿真技術(shù)；利用計(jì)算機(jī)仿真研究了影響正交面齒輪傳動(dòng)接觸點(diǎn)的主要參數(shù)（包括主動(dòng)齒輪與刀具齒數(shù)差、齒數(shù)比、模數(shù)等）；在齒輪泵的齒輪研發(fā)設(shè)計(jì)中也很好的應(yīng)用了計(jì)算機(jī)仿真。

3.2 在機(jī)械結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用

機(jī)械產(chǎn)品要由大量的機(jī)構(gòu)組裝起來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)定好的工藝動(dòng)作，在進(jìn)行新產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，這些機(jī)構(gòu)是否能正確地實(shí)現(xiàn)所設(shè)定的動(dòng)作，機(jī)構(gòu)與機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)是否配合得當(dāng)，機(jī)構(gòu)間是否存在干涉和干涉的部位，怎樣選擇各種機(jī)構(gòu)組合方案來(lái)更好地滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這些問題都需要借助計(jì)算機(jī)仿真來(lái)解決。大型的三維機(jī)械設(shè)計(jì)軟件都會(huì)提供一個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真的功能模塊，在虛擬環(huán)境中設(shè)計(jì)好的裝配體可以模擬演示機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，是一種直觀方便的工具軟件。這種軟件可以依據(jù)裝配的關(guān)系自行主動(dòng)來(lái)計(jì)算機(jī)構(gòu)中的運(yùn)動(dòng)副，并能自動(dòng)增添附加的運(yùn)動(dòng)發(fā)生器、鉸鏈和彈簧；要進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)的仿真只需要設(shè)定主運(yùn)動(dòng)件就可以了，還能從任何角度來(lái)觀察，軟件還能對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)干涉進(jìn)行檢查，設(shè)計(jì)人員可以很方便地進(jìn)行檢查驗(yàn)證。

3.3 在復(fù)雜數(shù)值計(jì)算分析方面的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在機(jī)械工程中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，以往許多由于條件限制無(wú)法進(jìn)行計(jì)算分析的復(fù)雜問題，都可以通過計(jì)算機(jī)仿真得到滿意的解決；另外，計(jì)算機(jī)輔助使大量復(fù)雜的工程計(jì)算分析簡(jiǎn)單化、層次化，節(jié)省了大量的時(shí)間，避免了低水平的重復(fù)勞動(dòng)，使計(jì)算分析更快、更準(zhǔn)確，在新產(chǎn)品研發(fā)的設(shè)計(jì)、分析等方面發(fā)揮了重要的作用。機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)的基本過程是概念設(shè)計(jì)→初步設(shè)計(jì)→詳細(xì)設(shè)計(jì)→試驗(yàn)→修正設(shè)計(jì)→再試驗(yàn)，直到滿足產(chǎn)品的要求標(biāo)準(zhǔn)，仿真技術(shù)的引入最大限度的減少了材料的浪費(fèi)和縮短了耗時(shí)。對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)分析，可以獲得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度應(yīng)力、剛度應(yīng)變和變形、動(dòng)態(tài)特性固有頻率、振動(dòng)模態(tài)、熱態(tài)特性溫度場(chǎng)、熱變形等參數(shù)，根據(jù)計(jì)算分析能得到容易導(dǎo)致機(jī)械出現(xiàn)疲勞失效的風(fēng)險(xiǎn)因素以及其它潛在的問題。

3.4 在復(fù)雜機(jī)械加工研究方面的應(yīng)用

機(jī)械加工是機(jī)械設(shè)計(jì)制造行業(yè)的生產(chǎn)基礎(chǔ)，使用計(jì)算機(jī)仿真有助于發(fā)現(xiàn)其深層次機(jī)理，為增強(qiáng)機(jī)械加工的性能和質(zhì)量供給了強(qiáng)有力的理論支持。在數(shù)控加工中，利用計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控加工模塊編制CNC機(jī)床的零件加工程序，用生成的圖形信息或者數(shù)據(jù)通過轉(zhuǎn)換變成控制指令，然后設(shè)置加工參數(shù)等。在磨削加工方面，創(chuàng)建的數(shù)學(xué)模型描述磨削過程是以時(shí)間變化為依據(jù)的，這樣生成的計(jì)算機(jī)仿真模型能夠預(yù)先推測(cè)評(píng)估磨削的行為和質(zhì)量，為磨削加工過程的最優(yōu)化、自動(dòng)化、虛擬化提供了必要的前提條件。模型建立在變進(jìn)給過程磨削功率的變化量之上，通過計(jì)算機(jī)仿真能得到最佳磨削方案可用在實(shí)際磨削加工中。在銑削加工方面，建立銑切削過程的動(dòng)力學(xué)模型，開發(fā)出切削振動(dòng)仿真的通用軟件，就可以用數(shù)字仿真技術(shù)來(lái)探討銑削振動(dòng)的機(jī)理和條件。在電火花切割方面，建立多軸聯(lián)動(dòng)加工復(fù)雜曲面的計(jì)算機(jī)仿真模型，就可以對(duì)電火花加工工藝進(jìn)行效果的預(yù)估、參數(shù)的最優(yōu)化。