1、仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應用作者：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：隨著計算機技術(shù)的發(fā)展與廣泛應用，仿真技術(shù)也得以普及，為人們進行設(shè)計和實驗 帶來了極大方便。如今，仿真技術(shù)廣泛應用在機械設(shè)計制造、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)對機械設(shè)計制造行業(yè)的作用，從模型創(chuàng)建、變 換和實驗三個方面闡述了仿真技術(shù)的實現(xiàn)步驟，從機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、齒輪設(shè)計、復雜機械加工、 復雜數(shù)值計算分析、大型機械設(shè)備設(shè)計等方面的具體應用對仿真技術(shù)進行了探討，剖析了仿真 技術(shù)的重要性。關(guān)鍵詞：仿真技術(shù)；機械設(shè)計制造；模型創(chuàng)建伴隨著計算機的普

2、遍應用和飛速發(fā)展，仿真技術(shù)逐漸興起，應用范圍越來越廣，它結(jié)合了 控制論、系統(tǒng)論、相似原理和信息技術(shù)多門學科和理論，是一門借助計算機及軟件進行虛擬仿 真實驗以分析解決實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 過實驗用隨機數(shù)解決隨機問題的方法。目前為止，仿真技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)歷了三個階段：模擬 機仿真、模擬數(shù)字混合機仿真和數(shù)字機仿真。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，它極大地促進了經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步。因此，對仿真技術(shù)進行深入研究，就能夠 為機械設(shè)計制造提供可視化的模擬制造效果和改進優(yōu)化的依據(jù)。一、仿真技術(shù)與機械設(shè)計制造（一）仿真技術(shù)仿真技術(shù)，因其不需要

3、制造實物也被稱為虛擬樣機技術(shù)，是指設(shè)計人員利用相關(guān)的軟件在 計算機上建立數(shù)據(jù)模型，通過分析動態(tài)性能參數(shù)來改進優(yōu)化方案，具有安全可靠、靈活方便、 節(jié)約時間、節(jié)約成本以及不受地域環(huán)境因素影響等諸多優(yōu)點。（二）機械設(shè)計制造制造業(yè)是國民經(jīng)濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。近代歷史一再證明，沒有 強大的制造業(yè)，就沒有國家和民族的強盛。正因為如此，“中國制造2025”是國家實施制造強 國戰(zhàn)略第一個十年行動綱領(lǐng)。而作為工業(yè)生產(chǎn)的重要組成部分，機械設(shè)計制造涉及面非常廣， 它包括測控技術(shù)、模具設(shè)計加工、汽車設(shè)計制造、數(shù)字化設(shè)計制造、機電一體化等諸多領(lǐng)域， 囊括了工程材料、力學、機械制造技術(shù)、控制理論以及

4、液壓與氣壓傳動等多門知識。隨著科技 的發(fā)展和信息化時代的到來，我國機械設(shè)計制造行業(yè)發(fā)展迅速，但與世界先進水平相比，中國 機械設(shè)計制造技術(shù)還存在一定的差距。所以，機械設(shè)計制造技術(shù)的提高和創(chuàng)新，對促進我國社 會經(jīng)濟發(fā)展、推動社會的進步有著十分重要的意義。（三）仿真技術(shù)對機械設(shè)計制造的作用傳統(tǒng)的機械設(shè)計制造中，一方面，因為需要人工核查數(shù)據(jù).加上方案制作程序較多，很難 在設(shè)計的過程中完成模型測試，導致隱藏的問題不易發(fā)現(xiàn)；另一方面，隨著機械制造行業(yè)迅速 發(fā)展，機械設(shè)計尤其是系統(tǒng)設(shè)計更加多樣化，設(shè)計的過程中難免會有龐大的數(shù)據(jù)信息，這就會 使得實驗的過程比較繁瑣，實現(xiàn)起來比較困難，會遇到各種各樣的矛盾和問題

5、。因此，在進行 設(shè)計的過程中，我們引入仿真技術(shù)，通過建立真實系統(tǒng)的仿真模型，進行虛擬仿真實驗，對實 驗結(jié)果和參數(shù)進行分析，從而改進設(shè)計思路，優(yōu)化參數(shù)配置，以期得到最佳設(shè)計方案。這樣， 不僅極大地提高了方案的可靠性和安全性，而且大大提升了機械設(shè)計和研發(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)的實現(xiàn)要實現(xiàn)仿真技術(shù)，因為計算機無法直接識別和處理實際的研究對象，所以首先需要建立一 個既符合分析要求又能反映實際情況的數(shù)學模型，即所謂的建模。建模過程涉及高等數(shù)學、數(shù) 據(jù)處理等知識的綜合運用。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。 計算機通過處理這些抽象的數(shù)學模型

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

7、基礎(chǔ)，這個過程就是仿真的基礎(chǔ)一一建立仿真模型。設(shè)計 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)的計算機知識應用能力。（三）模型實驗模型的實驗，就是將仿真模型輸入到計算機中運行，獲取仿真結(jié)果的過程。只要模型建立 和變換兩個核心步驟做好，模型的仿真實驗是非常簡單易行的。但是，我們需要通過對仿真結(jié) 果進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證法。三、仿真技術(shù)在機械設(shè)計制造中的應用（一）在機械結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應用機械設(shè)備的運行，需要將各部分零部件連接組合起來。所以，在設(shè)計新產(chǎn)品的時候，各個 零部件是

8、否安裝正確，各機構(gòu)間的運動是否存在干涉，配合是否得當，輸出件的運動范圍、速 度等參數(shù)是否滿足設(shè)計需求，機構(gòu)組合方案是否需要優(yōu)化等問題，都需要仿真技術(shù)進行模擬來 解決?，F(xiàn)在主流的大型三維設(shè)計軟件如Pro/E、UG等都具備結(jié)構(gòu)運動仿真的功能，利用這個功 能可以在虛擬環(huán)境下對設(shè)計好的裝配體進行模擬。比如進行運動學仿真，只需要將主動件設(shè)置 好，就可以從多個角度直觀觀察到運動的效果，可以很方便地對運動的干涉進行檢查驗證。此 外，有的軟件還可以根據(jù)裝配關(guān)系自主計算運動副和自由度，并自動添加附加的運動發(fā)生器、 鉸鏈、彈簧等。當然，還可以結(jié)合其他軟件如ANSYS有限元分析的軟件進行結(jié)構(gòu)分析、動力學 分析等。（

9、二）在齒輪設(shè)計中的應用齒輪是機械設(shè)備中使用最為廣泛的重要傳動件，所以，在齒輪設(shè)計中仿真技術(shù)的運用意義 重大。有不少設(shè)計人員對此進行了研究：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齒輪進行 分析等。再比如運用Visual Lisp語言對直齒輪、斜齒輪、錐齒輪等各種類型齒輪進行建模和 仿真，對仿真結(jié)果進行分析，以優(yōu)化設(shè)計方案。此外，仿真技術(shù)可以對影響齒輪傳動接觸點的 參數(shù)進行研究。因此，仿真技術(shù)在齒輪泵、齒輪減速器等研發(fā)設(shè)計中

10、有了廣泛的應用。（三）在復雜機械加工方面的應用機械加工是機械設(shè)計制造的實際操作步驟，在復雜機械加工過程中，利用仿真技術(shù)能夠通 過對機床、工件、刀具等工藝系統(tǒng)進行模擬和監(jiān)測，獲得加工信息，進而可以提前發(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措施，這對于優(yōu)化流程、減少風險、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)，然后再進行參數(shù)設(shè)置；在磨削加工中，因為數(shù)學模型是隨時間變化的動態(tài)模型， 所以仿真過程中能夠預先對磨削行為和質(zhì)量進行評估，進而得到最佳磨削方案；在電火花加工 中，通過建立多軸聯(lián)動加工復雜曲面的仿真模型，可以對其工

11、藝進行效果預估，優(yōu)化參數(shù)。（四）在復雜數(shù)值計算分析方面的應用機械產(chǎn)品的研發(fā)過程是從概念到結(jié)構(gòu)設(shè)計，再到零件設(shè)計，然后試制，裝配好進行實驗， 最后進行修正，直到滿足實際需求。產(chǎn)品開發(fā)的周期與其復雜程度有很大關(guān)系，如果太過復雜， 周期就會特別長。但隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，這些原本復雜的問題通過仿真來解決就會簡單很 多。在機械設(shè)計中，如果遇到需要進行復雜數(shù)值計算分析的情況，利用仿真技術(shù)可以使復雜的 運算工程簡單化和層次化，避免了低級的重復計算，提高了計算速度和準確率，這在新產(chǎn)品的 研發(fā)設(shè)計中發(fā)揮著重要的作用。如對機構(gòu)的動力學模型進行仿真，就可以得到結(jié)構(gòu)的強度、應 變變形、振動模態(tài)、熱變形等參數(shù)，進一步分析就可以得到容易導致出現(xiàn)疲勞失效的隱患和其 他潛在問題。（五）在大型機械設(shè)備設(shè)計中的應用對于礦山機械等大型機械設(shè)備來講.因它們體型較大結(jié)構(gòu)復雜，包含的零部件比較多，制 造過程較為復雜。在實際的生產(chǎn)過程中，設(shè)計人員經(jīng)常在零件的配置過程中出現(xiàn)問題，由于設(shè) 計人員不能一次性將零件配備到位，導致原機械零件需要修改，甚至報廢，從而耽誤生產(chǎn)期限， 給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟損失。如果利用仿真技術(shù)，就可以很好地對大型機械的各零部件加工方 法進行提前研究比較，從而提高大型機械設(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、財力。同時，還可以在虛擬的環(huán)境下，對其進行裝配和環(huán)境使用測試，可以直觀地