計算機仿真技術在機械行業(yè)應用
計算機仿真技術是以多種學科和理論為基礎，以計算機及其相應的軟件為工具，通過虛擬試驗的方法來分析和解決問題的一門綜合性技術。計算機仿真（模擬）早期稱為蒙特卡羅方法，是一門利用隨機數實驗求解隨機問題的方法。
其原理可追溯到1773年法國自然學家G.L.L.Buffon為估計圓周率值所進行的物理實驗。根據仿真過程中所采用計算機類型的不同，計算機仿真大致經歷了模擬機仿真、模擬－數字混合機仿真和數字機仿真三個大的階段。20世紀50年代計算機仿真主要采用模擬機；60年代后串行處理數字機逐漸應用到仿真之中，但難以滿足航天、化工等大規(guī)模復雜系統(tǒng)對仿真時限的要求；到了70年代模擬－數字混合機曾一度應用于飛行仿真、衛(wèi)星仿真和核反應堆仿真等眾多高技術研究領域；80年代后由于并行處理技術的發(fā)展，數字機才最終成為計算機仿真的主流?，F(xiàn)在，計算機仿真技術已經在機械制造、航空航天、交通運輸、船舶工程、經濟管理、工程建設、軍事模擬以及醫(yī)療衛(wèi)生等領域得到了廣泛的應用。
一、計算機仿真的實現(xiàn)
對于需要研究的對象，計算機一般是不能直接認知和處理的，這就要求為之建立一個既能反映所研究對象的實質，又易于被計算機處理的數學模型。
數學模型將研究對象的實質抽象出來，計算機再來處理這些經過抽象的數學模型，并通過輸出這些模型的相關數據來展現(xiàn)研究對象的某些特質，當然，這種展現(xiàn)可以是三維立體的。由于三維顯示更加清晰直觀，已為越來越多的研究者所采用。通過對這些輸出量的分析，就可以更加清楚的認識研究對象。通過這個關系還可以看出，數學建模的精準程度是決定計算機仿真精度的最關鍵因素。從模型這個角度出發(fā)，可以將計算機仿真的實現(xiàn)分為三個大的步驟：模型的建立、模型的轉換和模型的仿真實驗。
1．模型的建立
對于所研究的對象或問題，首先需要根據仿真所要達到的目的抽象出一個確定的系統(tǒng)，并且要給出這個系統(tǒng)的邊界條件和約束條件。在這之后，需要利用各種相關學科的知識，把所抽象出來的系統(tǒng)用數學的表達式描述出來，描述的內容，就是所謂的“數學模型”。這個模型是進行計算機仿真的核心。
系統(tǒng)的數學模型根據時間關系可劃分為靜態(tài)模型、連續(xù)時間動態(tài)模型、離散時間動態(tài)模型和混合時間動態(tài)模型；根據系統(tǒng)的狀態(tài)描述和變化方式可劃分為連續(xù)變量系統(tǒng)模型和離散事件系統(tǒng)模型。對于數學建模的一些問題，西安交通大學的胡峰等人在《動態(tài)系統(tǒng)計算機仿真技術綜述（Ⅰ）——仿真模型》中有較為詳細的論述。
2．模型的轉換
所謂模型的轉換，即是對上一步抽象出來的數學表達式通過各種適當的算法和計算機語言轉換成為計算機能夠處理的形式，這種形式所表現(xiàn)的內容，就是所謂的“仿真模型”。這個模型是進行計算機仿真的關鍵。實現(xiàn)這一過程，既可以自行開發(fā)一個新的系統(tǒng)，也可以運用現(xiàn)在市場上已有的仿真軟件，如鑄造過程就常用MAGMAsoft軟件來進行仿真。
3．模型的仿真實驗
將上一步得到的仿真模型載入計算機，按照預先設置的實驗方案來運行仿真模型，得到一系列的仿真結果，這就是所謂的“模型的仿真實驗”。
具備了上面的條件之后，仿真實驗是一個很容易的事情。但是，應該如何來評價這個仿真的結果呢？這就需要來分析仿真實驗的可靠性。胡峰等人在《動態(tài)系統(tǒng)計算機仿真技術綜述（Ⅱ）——仿真結果分析》一文中提出了檢驗仿真結果可靠性的兩種方法：置信通道法和仿真過程的反向驗證法，可供參考。
二、計算機仿真在機械行業(yè)中的應用
1．計算機仿真在復雜機械加工過程研究方面的應用
機械加工過程，是機械行業(yè)進行生產的基礎。利用計算機仿真，有助于發(fā)現(xiàn)其機理，為提高機械加工性能提供理論支持。如磨削方面，吉林大學的王龍山教授等提出了依賴于時間變化的描述磨削過程的各個數學模型，通過計算機模擬可以預測和估計磨削行為和磨削質量，為磨削過程優(yōu)化、智能控制、虛擬磨削創(chuàng)造了必要的前提。李國發(fā)博士等研究了變進給磨削過程磨削功率的模型，利用計算機仿真得到能夠應用于實際磨削過程的最佳磨削方案。還有山東大學機械工程學院的王霖等研究了磨削溫度場的計算機仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了對磨削溫度場的預測及優(yōu)化，為研究各加工參數對磨削溫度場的影響提供了理論依據。銑削方面，同濟大學機械工程系的李滬曾教授等建立了多齒端銑切削過程動力學模型，開發(fā)了切削振動仿真的微機通用軟件，采用數字仿真方法研究了平面端銑切削振動的原理和條件。佳木斯大學的任福君教授等研究了電火花切割多軸加工復雜曲面的計算機圖形仿真技術；上海交通大學的樓樂明博士等建立了電火花加工的工藝仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了加工效果的預測、加工參數的優(yōu)化。擠壓成型方面，上海交通大學的儲燦東博士建立了連續(xù)擠壓的計算機仿真模型，并通過模擬實驗得出了連續(xù)擠壓全過程的應力場、應變場和溫度場。
?。病∮嬎銠C仿真在齒輪設計方面的應用
齒輪是機械產品的主要基礎部件，對其進行仿真研究具有重要意義，很多的科研工作者在這方面做了相關的研究。如太原理工大學的龐桂兵等采用Visual Lisp 語言從幾何角度討論了任意端面齒形的齒輪建模及其傳動仿真，山東礦業(yè)學院的張廣軍等利用計算機仿真研究了圓弧針齒行星傳動的動力學問題，南京航空航天大學機電工程學院的曾英等通過計算機仿真探討了主動齒輪與刀具齒數差、齒數比、模數等主要參數對正交面齒輪傳動接觸點的影響。計算機仿真在齒輪泵的齒輪的設計與制造中，也有著重要的應用。
其原理可追溯到1773年法國自然學家G.L.L.Buffon為估計圓周率值所進行的物理實驗。根據仿真過程中所采用計算機類型的不同，計算機仿真大致經歷了模擬機仿真、模擬－數字混合機仿真和數字機仿真三個大的階段。20世紀50年代計算機仿真主要采用模擬機；60年代后串行處理數字機逐漸應用到仿真之中，但難以滿足航天、化工等大規(guī)模復雜系統(tǒng)對仿真時限的要求；到了70年代模擬－數字混合機曾一度應用于飛行仿真、衛(wèi)星仿真和核反應堆仿真等眾多高技術研究領域；80年代后由于并行處理技術的發(fā)展，數字機才最終成為計算機仿真的主流?，F(xiàn)在，計算機仿真技術已經在機械制造、航空航天、交通運輸、船舶工程、經濟管理、工程建設、軍事模擬以及醫(yī)療衛(wèi)生等領域得到了廣泛的應用。
一、計算機仿真的實現(xiàn)
對于需要研究的對象，計算機一般是不能直接認知和處理的，這就要求為之建立一個既能反映所研究對象的實質，又易于被計算機處理的數學模型。
數學模型將研究對象的實質抽象出來，計算機再來處理這些經過抽象的數學模型，并通過輸出這些模型的相關數據來展現(xiàn)研究對象的某些特質，當然，這種展現(xiàn)可以是三維立體的。由于三維顯示更加清晰直觀，已為越來越多的研究者所采用。通過對這些輸出量的分析，就可以更加清楚的認識研究對象。通過這個關系還可以看出，數學建模的精準程度是決定計算機仿真精度的最關鍵因素。從模型這個角度出發(fā)，可以將計算機仿真的實現(xiàn)分為三個大的步驟：模型的建立、模型的轉換和模型的仿真實驗。
1．模型的建立
對于所研究的對象或問題，首先需要根據仿真所要達到的目的抽象出一個確定的系統(tǒng)，并且要給出這個系統(tǒng)的邊界條件和約束條件。在這之后，需要利用各種相關學科的知識，把所抽象出來的系統(tǒng)用數學的表達式描述出來，描述的內容，就是所謂的“數學模型”。這個模型是進行計算機仿真的核心。
系統(tǒng)的數學模型根據時間關系可劃分為靜態(tài)模型、連續(xù)時間動態(tài)模型、離散時間動態(tài)模型和混合時間動態(tài)模型；根據系統(tǒng)的狀態(tài)描述和變化方式可劃分為連續(xù)變量系統(tǒng)模型和離散事件系統(tǒng)模型。對于數學建模的一些問題，西安交通大學的胡峰等人在《動態(tài)系統(tǒng)計算機仿真技術綜述（Ⅰ）——仿真模型》中有較為詳細的論述。
2．模型的轉換
所謂模型的轉換，即是對上一步抽象出來的數學表達式通過各種適當的算法和計算機語言轉換成為計算機能夠處理的形式，這種形式所表現(xiàn)的內容，就是所謂的“仿真模型”。這個模型是進行計算機仿真的關鍵。實現(xiàn)這一過程，既可以自行開發(fā)一個新的系統(tǒng)，也可以運用現(xiàn)在市場上已有的仿真軟件，如鑄造過程就常用MAGMAsoft軟件來進行仿真。
3．模型的仿真實驗
將上一步得到的仿真模型載入計算機，按照預先設置的實驗方案來運行仿真模型，得到一系列的仿真結果，這就是所謂的“模型的仿真實驗”。
具備了上面的條件之后，仿真實驗是一個很容易的事情。但是，應該如何來評價這個仿真的結果呢？這就需要來分析仿真實驗的可靠性。胡峰等人在《動態(tài)系統(tǒng)計算機仿真技術綜述（Ⅱ）——仿真結果分析》一文中提出了檢驗仿真結果可靠性的兩種方法：置信通道法和仿真過程的反向驗證法，可供參考。
二、計算機仿真在機械行業(yè)中的應用
1．計算機仿真在復雜機械加工過程研究方面的應用
機械加工過程，是機械行業(yè)進行生產的基礎。利用計算機仿真，有助于發(fā)現(xiàn)其機理，為提高機械加工性能提供理論支持。如磨削方面，吉林大學的王龍山教授等提出了依賴于時間變化的描述磨削過程的各個數學模型，通過計算機模擬可以預測和估計磨削行為和磨削質量，為磨削過程優(yōu)化、智能控制、虛擬磨削創(chuàng)造了必要的前提。李國發(fā)博士等研究了變進給磨削過程磨削功率的模型，利用計算機仿真得到能夠應用于實際磨削過程的最佳磨削方案。還有山東大學機械工程學院的王霖等研究了磨削溫度場的計算機仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了對磨削溫度場的預測及優(yōu)化，為研究各加工參數對磨削溫度場的影響提供了理論依據。銑削方面，同濟大學機械工程系的李滬曾教授等建立了多齒端銑切削過程動力學模型，開發(fā)了切削振動仿真的微機通用軟件，采用數字仿真方法研究了平面端銑切削振動的原理和條件。佳木斯大學的任福君教授等研究了電火花切割多軸加工復雜曲面的計算機圖形仿真技術；上海交通大學的樓樂明博士等建立了電火花加工的工藝仿真系統(tǒng)，實現(xiàn)了加工效果的預測、加工參數的優(yōu)化。擠壓成型方面，上海交通大學的儲燦東博士建立了連續(xù)擠壓的計算機仿真模型，并通過模擬實驗得出了連續(xù)擠壓全過程的應力場、應變場和溫度場。
?。病∮嬎銠C仿真在齒輪設計方面的應用
齒輪是機械產品的主要基礎部件，對其進行仿真研究具有重要意義，很多的科研工作者在這方面做了相關的研究。如太原理工大學的龐桂兵等采用Visual Lisp 語言從幾何角度討論了任意端面齒形的齒輪建模及其傳動仿真，山東礦業(yè)學院的張廣軍等利用計算機仿真研究了圓弧針齒行星傳動的動力學問題，南京航空航天大學機電工程學院的曾英等通過計算機仿真探討了主動齒輪與刀具齒數差、齒數比、模數等主要參數對正交面齒輪傳動接觸點的影響。計算機仿真在齒輪泵的齒輪的設計與制造中，也有著重要的應用。
