仿真技术在机械设计制造中的应用

1、仿真技术在机械设计制造中的应用作者：刘永勋王利博来源：决策探索收藏天下（中旬刊）2018年第9期文/刘永勋 王利博摘要：随着计算机技术的发展与广泛应用，仿真技术也得以普及，为人们进行设计和实验 带来了极大方便。如今，仿真技术广泛应用在机械设计制造、水利水电、建筑施工、航空船舶 以及医疗设备等领域。文章主要介绍了仿真技术对机械设计制造行业的作用，从模型创建、变 换和实验三个方面阐述了仿真技术的实现步骤，从机械结构设计、齿轮设计、复杂机械加工、 复杂数值计算分析、大型机械设备设计等方面的具体应用对仿真技术进行了探讨，剖析了仿真 技术的重要性。关键词：仿真技术；机械设计制造；模型创建伴随着计算机的普

2、遍应用和飞速发展，仿真技术逐渐兴起，应用范围越来越广，它结合了 控制论、系统论、相似原理和信息技术多门学科和理论，是一门借助计算机及软件进行虚拟仿 真实验以分析解决实际问题的综合性技术。早期的仿真技术亦被称为蒙特卡罗方法，是一种通 过实验用随机数解决随机问题的方法。目前为止，仿真技术的发展主要经历了三个阶段：模拟 机仿真、模拟数字混合机仿真和数字机仿真。近年来，仿真技术在工业发展领域中的地位越来 越重要，它极大地促进了经济的发展和社会的进步。因此，对仿真技术进行深入研究，就能够 为机械设计制造提供可视化的模拟制造效果和改进优化的依据。一、仿真技术与机械设计制造（一）仿真技术仿真技术，因其不需要

3、制造实物也被称为虚拟样机技术，是指设计人员利用相关的软件在 计算机上建立数据模型，通过分析动态性能参数来改进优化方案，具有安全可靠、灵活方便、 节约时间、节约成本以及不受地域环境因素影响等诸多优点。（二）机械设计制造制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。近代历史一再证明，没有 强大的制造业，就没有国家和民族的强盛。正因为如此，“中国制造2025”是国家实施制造强 国战略第一个十年行动纲领。而作为工业生产的重要组成部分，机械设计制造涉及面非常广， 它包括测控技术、模具设计加工、汽车设计制造、数字化设计制造、机电一体化等诸多领域， 囊括了工程材料、力学、机械制造技术、控制理论以及

4、液压与气压传动等多门知识。随着科技 的发展和信息化时代的到来，我国机械设计制造行业发展迅速，但与世界先进水平相比，中国 机械设计制造技术还存在一定的差距。所以，机械设计制造技术的提高和创新，对促进我国社 会经济发展、推动社会的进步有着十分重要的意义。（三）仿真技术对机械设计制造的作用传统的机械设计制造中，一方面，因为需要人工核查数据.加上方案制作程序较多，很难 在设计的过程中完成模型测试，导致隐藏的问题不易发现；另一方面，随着机械制造行业迅速 发展，机械设计尤其是系统设计更加多样化，设计的过程中难免会有庞大的数据信息，这就会 使得实验的过程比较繁琐，实现起来比较困难，会遇到各种各样的矛盾和问题

5、。因此，在进行 设计的过程中，我们引入仿真技术，通过建立真实系统的仿真模型，进行虚拟仿真实验，对实 验结果和参数进行分析，从而改进设计思路，优化参数配置，以期得到最佳设计方案。这样， 不仅极大地提高了方案的可靠性和安全性，而且大大提升了机械设计和研发产品的质量，大幅 缩短了开发周期，降低了开发成本。二、仿真技术的实现要实现仿真技术，因为计算机无法直接识别和处理实际的研究对象，所以首先需要建立一 个既符合分析要求又能反映实际情况的数学模型，即所谓的建模。建模过程涉及高等数学、数 据处理等知识的综合运用。在建模过程中，一定要保证其精确度，这将直接关系着仿真的精度。 计算机通过处理这些抽象的数学模型

6、，经过变换建立仿真模型，输出与真实系统相关的某些特 质和参数，供设计人员进行分析。（一）模型建立模型的建立，就是首先对研究的问题抽象出一个能进行有效仿真的可靠系统，并对其加上 合理的约束条件和边界条件，然后运用相关的学科知识用数学表达式将这个系统进行准确阐述， 也就是仿真的核心一一数学模型。按照是否随时间的变化而变化，数学模型分为静态模型和动 态模型，而动态模型也有连续时间模型、离散时间模型和混合时间模型三种；按照是否考虑随 机因素，数学模型分为确定性模型和随机性模型。（二）模型变换模型的变换，就是把数学模型中抽象的数学表达式转换成为计算机能够识别处理的形式， 这需要适当的计算机语言和算法作为

7、基础，这个过程就是仿真的基础一一建立仿真模型。设计 人员可以使用已有的仿真软件，也可以根据需要自行研发仿真系统进行仿真模型的创建。模型 变换是仿真技术的关键步骤，需要专业的计算机知识应用能力。（三）模型实验模型的实验，就是将仿真模型输入到计算机中运行，获取仿真结果的过程。只要模型建立 和变换两个核心步骤做好，模型的仿真实验是非常简单易行的。但是，我们需要通过对仿真结 果进行可靠性分析来衡量仿真结果，常用的方法有置信通道法以及仿真过程的反向验证法。三、仿真技术在机械设计制造中的应用（一）在机械结构设计中的应用机械设备的运行，需要将各部分零部件连接组合起来。所以，在设计新产品的时候，各个 零部件是

8、否安装正确，各机构间的运动是否存在干涉，配合是否得当，输出件的运动范围、速 度等参数是否满足设计需求，机构组合方案是否需要优化等问题，都需要仿真技术进行模拟来 解决。现在主流的大型三维设计软件如Pro/E、UG等都具备结构运动仿真的功能，利用这个功 能可以在虚拟环境下对设计好的装配体进行模拟。比如进行运动学仿真，只需要将主动件设置 好，就可以从多个角度直观观察到运动的效果，可以很方便地对运动的干涉进行检查验证。此 外，有的软件还可以根据装配关系自主计算运动副和自由度，并自动添加附加的运动发生器、 铰链、弹簧等。当然，还可以结合其他软件如ANSYS有限元分析的软件进行结构分析、动力学 分析等。（

9、二）在齿轮设计中的应用齿轮是机械设备中使用最为广泛的重要传动件，所以，在齿轮设计中仿真技术的运用意义 重大。有不少设计人员对此进行了研究：首先建立三维模型，方法有多种，如可以通过CaXa电 子图板形成齿轮的端面轮廓形状，将其导入ANSYS软件中利用其前处理器的建模功能，由齿轮 的渐开齿廓线生成三维的齿轮模型，按划分网格、施加载荷和约束及后处理的步骤对齿轮进行 分析等。再比如运用Visual Lisp语言对直齿轮、斜齿轮、锥齿轮等各种类型齿轮进行建模和 仿真，对仿真结果进行分析，以优化设计方案。此外，仿真技术可以对影响齿轮传动接触点的 参数进行研究。因此，仿真技术在齿轮泵、齿轮减速器等研发设计中

10、有了广泛的应用。（三）在复杂机械加工方面的应用机械加工是机械设计制造的实际操作步骤，在复杂机械加工过程中，利用仿真技术能够通 过对机床、工件、刀具等工艺系统进行模拟和监测，获得加工信息，进而可以提前发现产品加 工过程中可能存在的问题，分析原因并提出改进措施，这对于优化流程、减少风险、提高效益 具有十分重要的意义。在数控加工中，利用辅助数控加工模块可以编制优化代码，转换成图形 信息或数据，然后再进行参数设置；在磨削加工中，因为数学模型是随时间变化的动态模型， 所以仿真过程中能够预先对磨削行为和质量进行评估，进而得到最佳磨削方案；在电火花加工 中，通过建立多轴联动加工复杂曲面的仿真模型，可以对其工

11、艺进行效果预估，优化参数。（四）在复杂数值计算分析方面的应用机械产品的研发过程是从概念到结构设计，再到零件设计，然后试制，装配好进行实验， 最后进行修正，直到满足实际需求。产品开发的周期与其复杂程度有很大关系，如果太过复杂， 周期就会特别长。但随着计算机技术的发展，这些原本复杂的问题通过仿真来解决就会简单很 多。在机械设计中，如果遇到需要进行复杂数值计算分析的情况，利用仿真技术可以使复杂的 运算工程简单化和层次化，避免了低级的重复计算，提高了计算速度和准确率，这在新产品的 研发设计中发挥着重要的作用。如对机构的动力学模型进行仿真，就可以得到结构的强度、应 变变形、振动模态、热变形等参数，进一步分析就可以得到容易导致出现疲劳失效的隐患和其 他潜在问题。（五）在大型机械设备设计中的应用对于矿山机械等大型机械设备来讲.因它们体型较大结构复杂，包含的零部件比较多，制 造过程较为复杂。在实际的生产过程中，设计人员经常在零件的配置过程中出现问题，由于设 计人员不能一次性将零件配备到位，导致原机械零件需要修改，甚至报废，从而耽误生产期限， 给企业带来巨大的经济损失。如果利用仿真技术，就可以很好地对大型机械的各零部件加工方 法进行提前研究比较，从而提高大型机械设备的生产效率，极大节约生产和操作过程中的人力、 物力、财力。同时，还可以在虚拟的环境下，对其进行装配和环境使用测试，可以直观地