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摘要：隨著計算機技術的發展與廣泛應用，仿真技術也得以普及，為人們進行設計和實驗帶來了極大方便。如今，仿真技術廣泛應用在機械設計制造、水利水電、建筑施工、航空船舶以及醫療設備等領域。文章主要介紹了仿真技術對機械設計制造行業的作用，從模型創建、變換和實驗三個方面闡述了仿真技術的實現步驟，從機械結構設計、齒輪設計、復雜機械加工、復雜數值計算分析、大型機械設備設計等方面的具體應用對仿真技術進行了探討，剖析了仿真技術的重要性。
關鍵詞：仿真技術；機械設計制造；模型創建
伴隨著計算機的普遍應用和飛速發展，仿真技術逐漸興起，應用范圍越來越廣，它結合了控制論、系統論、相似原理和信息技術多門學科和理論，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。早期的仿真技術亦被稱為蒙特卡羅方法，是一種通過實驗用隨機數解決隨機問題的方法。目前為止，仿真技術的發展主要經歷了三個階段：模擬機仿真、模擬數字混合機仿真和數字機仿真[1]。近年來，仿真技術在工業發展領域中的地位越來越重要，它極大地促進了經濟的發展和社會的進步。因此，對仿真技術進行深入研究，就能夠為機械設計制造提供可視化的模擬制造效果和改進優化的依據。
一、仿真技術與機械設計制造
（一）仿真技術
仿真技術，因其不需要制造實物也被稱為虛擬樣機技術，是指設計人員利用相關的軟件在計算機上建立數據模型，通過分析動態性能參數來改進優化方案，具有安全可靠、靈活方便、節約時間、節約成本以及不受地域環境因素影響等諸多優點。
（二）機械設計制造
制造業是國民經濟的主體，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，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略第一個十年行動綱領。而作為工業生產的重要組成部分，機械設計制造涉及面非常廣，它包括測控技術、模具設計加工、汽車設計制造、數字化設計制造、機電一體化等諸多領域，囊括了工程材料、力學、機械制造技術、控制理論以及液壓與氣壓傳動等多門知識。隨著科技的發展和信息化時代的到來，我國機械設計制造行業發展迅速，但與世界先進水平相比，中國機械設計制造技術還存在一定的差距。所以，機械設計制造技術的提高和創新，對促進我國社會經濟發展、推動社會的進步有著十分重要的意義。
（三）仿真技術對機械設計制造的作用
傳統的機械設計制造中，一方面，因為需要人工核查數據，加上方案制作程序較多，很難在設計的過程中完成模型測試，導致隱藏的問題不易發現；另一方面，隨著機械制造行業迅速發展，機械設計尤其是系統設計更加多樣化，設計的過程中難免會有龐大的數據信息，這就會使得實驗的過程比較繁瑣，實現起來比較困難，會遇到各種各樣的矛盾和問題。因此，在進行設計的過程中，我們引入仿真技術，通過建立真實系統的仿真模型，進行虛擬仿真實驗，對實驗結果和參數進行分析，從而改進設計思路，優化參數配置，以期得到最佳設計方案。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計和研發產品的質量，大幅縮短了開發周期，降低了開發成本。
二、仿真技術的實現
要實現仿真技術，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學模型，即所謂的建模。建模過程涉及高等數學、數據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，這將直接關系著仿真的精度。計算機通過處理這些抽象的數學模型，經過變換建立仿真模型，輸出與真實系統相關的某些特質和參數，供設計人員進行分析。
（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，并對其加上合理的約束條件和邊界條件，然后運用相關的學科知識用數學表達式將這個系統進行準確闡述，也就是仿真的核心———數學模型[2]。按照是否隨時間的變化而變化，數學模型分為靜態模型和動態模型，而動態模型也有連續時間模型、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，就是把數學模型中抽象的數學表達式轉換成為計算機能夠識別處理的形式，這需要適當的計算機語言和算法作為基礎，這個過程就是仿真的基礎———建立仿真模型。設計人員可以使用已有的仿真軟件，也可以根據需要自行研發仿真系統進行仿真模型的創建。模型變換是仿真技術的關鍵步驟，需要專業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果進行可靠性分析來衡量仿真結果，常用的方法有置信通道法以及仿真過程的反向驗證法。
三、仿真技術在機械設計制造中的應用
（一）在機械結構設計中的應用
機械設備的運行，需要將各部分零部件連接組合起來。所以，在設計新產品的時候，各個零部件是否安裝正確，各機構間的運動是否存在干涉，配合是否得當，輸出件的運動范圍、速度等參數是否滿足設計需求，機構組合方案是否需要優化等問題，都需要仿真技術進行模擬來解決?，F在主流的大型三維設計軟件如Pro/E、UG等都具備結構運動仿真的功能，利用這個功能可以在虛擬環境下對設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裝配關系自主計算運動副和自由度，并自動添加附加的運動發生器、鉸鏈、彈簧等。當然，還可以結合其他軟件如ANSYS有限元分析的軟件進行結構分析、動力學分析等。
（二）在齒輪設計中的應用
齒輪是機械設備中使用最為廣泛的重要傳動件，所以，在齒輪設計中仿真技術的運用意義重大。有不少設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VisualLisp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，對仿真結果進行分析，以優化設計方案。此外，仿真技術可以對影響齒輪傳動接觸點的參數進行研究。因此，仿真技術在齒輪泵、齒輪減速器等研發設計中有了廣泛的應用。
（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，利用仿真技術能夠通過對機床、工件、刀具等工藝系統進行模擬和監測，獲得加工信息，進而可以提前發現產品加工過程中可能存在的問題，分析原因并提出改進措施，這對于優化流程、減少風險、提高效益具有十分重要的意義[3]。在數控加工中，利用輔助數控加工模塊可以編制優化代碼，轉換成圖形信息或數據，然后再進行參數設置；在磨削加工中，因為數學模型是隨時間變化的動態模型，所以仿真過程中能夠預先對磨削行為和質量進行評估，進而得到最佳磨削方案；在電火花加工中，通過建立多軸聯動加工復雜曲面的仿真模型，可以對其工藝進行效果預估，優化參數。
（四）在復雜數值計算分析方面的應用
機械產品的研發過程是從概念到結構設計，再到零件設計，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。產品開發的周期與其復雜程度有很大關系，如果太過復雜，周期就會特別長。但隨著計算機技術的發展，這些原本復雜的問題通過仿真來解決就會簡單很多。在機械設計中，如果遇到需要進行復雜數值計算分析的情況，利用仿真技術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，這在新產品的研發設計中發揮著重要的作用。如對機構的動力學模型進行仿真，就可以得到結構的強度、應變變形、振動模態、熱變形等參數，進一步分析就可以得到容易導致出現疲勞失效的隱患和其他潛在問題。
（五）在大型機械設備設計中的應用
對于礦山機械等大型機械設備來講，因它們體型較大結構復雜，包含的零部件比較多，制造過程較為復雜。在實際的生產過程中，設計人員經常在零件的配置過程中出現問題，由于設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，從而耽誤生產期限，給企業帶來巨大的經濟損失。如果利用仿真技術，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備的生產效率，極大節約生產和操作過程中的人力、物力、財力。同時，還可以在虛擬的環境下，對其進行裝配和環境使用測試，可以直觀地檢查設備運行情況，大大減少返工率，降低成本，確保質量。
四、結語
仿真技術是一門綜合性較強的技術，隨著計算機技術和現代工業的迅速發展，仿真技術的應用范圍日益廣泛，其作用也愈加重要。仿真技術在機械設計制造過程中的應用既提高了產品質量，又縮短了設計、試制周期，降低了開發成本，有效提高了機械設計制造的整體水平，已成為機械設計制造過程中不可缺少的組成部分，具有廣闊良好的發展前景。
參考文獻：
[1]熊勇.仿真技術在機械設計制造中的應用[J].電子技術與軟件工程,2016(15):82.
[2]陳彬.仿真技術在機械設計制造過程中的應用[J].機械管理開發,2018(06):222-223.
[3]高妮萍.機械加工仿真技術研究[J].企業導報,2016(06):195.
作者:劉永勛 王利博 單位:河南工學院
