計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械行業(yè)應(yīng)用
計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是以多種學(xué)科和理論為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的軟件為工具，通過虛擬試驗(yàn)的方法來分析和解決問題的一門綜合性技術(shù)。計(jì)算機(jī)仿真（模擬）早期稱為蒙特卡羅方法，是一門利用隨機(jī)數(shù)實(shí)驗(yàn)求解隨機(jī)問題的方法。
其原理可追溯到1773年法國(guó)自然學(xué)家G.L.L.Buffon為估計(jì)圓周率值所進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)。根據(jù)仿真過程中所采用計(jì)算機(jī)類型的不同，計(jì)算機(jī)仿真大致經(jīng)歷了模擬機(jī)仿真、模擬－數(shù)字混合機(jī)仿真和數(shù)字機(jī)仿真三個(gè)大的階段。20世紀(jì)50年代計(jì)算機(jī)仿真主要采用模擬機(jī)；60年代后串行處理數(shù)字機(jī)逐漸應(yīng)用到仿真之中，但難以滿足航天、化工等大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)仿真時(shí)限的要求；到了70年代模擬－數(shù)字混合機(jī)曾一度應(yīng)用于飛行仿真、衛(wèi)星仿真和核反應(yīng)堆仿真等眾多高技術(shù)研究領(lǐng)域；80年代后由于并行處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字機(jī)才最終成為計(jì)算機(jī)仿真的主流。現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械制造、航空航天、交通運(yùn)輸、船舶工程、經(jīng)濟(jì)管理、工程建設(shè)、軍事模擬以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
一、計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)
對(duì)于需要研究的對(duì)象，計(jì)算機(jī)一般是不能直接認(rèn)知和處理的，這就要求為之建立一個(gè)既能反映所研究對(duì)象的實(shí)質(zhì)，又易于被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)學(xué)模型。
數(shù)學(xué)模型將研究對(duì)象的實(shí)質(zhì)抽象出來，計(jì)算機(jī)再來處理這些經(jīng)過抽象的數(shù)學(xué)模型，并通過輸出這些模型的相關(guān)數(shù)據(jù)來展現(xiàn)研究對(duì)象的某些特質(zhì)，當(dāng)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(duì)這些輸出量的分析，就可以更加清楚的認(rèn)識(shí)研究對(duì)象。通過這個(gè)關(guān)系還可以看出，數(shù)學(xué)建模的精準(zhǔn)程度是決定計(jì)算機(jī)仿真精度的最關(guān)鍵因素。從模型這個(gè)角度出發(fā)，可以將計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)分為三個(gè)大的步驟：模型的建立、模型的轉(zhuǎn)換和模型的仿真實(shí)驗(yàn)。
1．模型的建立
對(duì)于所研究的對(duì)象或問題，首先需要根據(jù)仿真所要達(dá)到的目的抽象出一個(gè)確定的系統(tǒng)，并且要給出這個(gè)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(guān)學(xué)科的知識(shí)，把所抽象出來的系統(tǒng)用數(shù)學(xué)的表達(dá)式描述出來，描述的內(nèi)容，就是所謂的“數(shù)學(xué)模型”。這個(gè)模型是進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的核心。
系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)時(shí)間關(guān)系可劃分為靜態(tài)模型、連續(xù)時(shí)間動(dòng)態(tài)模型、離散時(shí)間動(dòng)態(tài)模型和混合時(shí)間動(dòng)態(tài)模型；根據(jù)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(duì)于數(shù)學(xué)建模的一些問題，西安交通大學(xué)的胡峰等人在《動(dòng)態(tài)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)綜述（Ⅰ）——仿真模型》中有較為詳細(xì)的論述。
2．模型的轉(zhuǎn)換
所謂模型的轉(zhuǎn)換，即是對(duì)上一步抽象出來的數(shù)學(xué)表達(dá)式通過各種適當(dāng)?shù)乃惴ê陀?jì)算機(jī)語言轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能夠處理的形式，這種形式所表現(xiàn)的內(nèi)容，就是所謂的“仿真模型”。這個(gè)模型是進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)這一過程，既可以自行開發(fā)一個(gè)新的系統(tǒng)，也可以運(yùn)用現(xiàn)在市場(chǎng)上已有的仿真軟件，如鑄造過程就常用MAGMAsoft軟件來進(jìn)行仿真。
3．模型的仿真實(shí)驗(yàn)
將上一步得到的仿真模型載入計(jì)算機(jī)，按照預(yù)先設(shè)置的實(shí)驗(yàn)方案來運(yùn)行仿真模型，得到一系列的仿真結(jié)果，這就是所謂的“模型的仿真實(shí)驗(yàn)”。
具備了上面的條件之后，仿真實(shí)驗(yàn)是一個(gè)很容易的事情。但是，應(yīng)該如何來評(píng)價(jià)這個(gè)仿真的結(jié)果呢？這就需要來分析仿真實(shí)驗(yàn)的可靠性。胡峰等人在《動(dòng)態(tài)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)綜述（Ⅱ）——仿真結(jié)果分析》一文中提出了檢驗(yàn)仿真結(jié)果可靠性的兩種方法：置信通道法和仿真過程的反向驗(yàn)證法，可供參考。
二、計(jì)算機(jī)仿真在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用
1．計(jì)算機(jī)仿真在復(fù)雜機(jī)械加工過程研究方面的應(yīng)用
機(jī)械加工過程，是機(jī)械行業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的基礎(chǔ)。利用計(jì)算機(jī)仿真，有助于發(fā)現(xiàn)其機(jī)理，為提高機(jī)械加工性能提供理論支持。如磨削方面，吉林大學(xué)的王龍山教授等提出了依賴于時(shí)間變化的描述磨削過程的各個(gè)數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)模擬可以預(yù)測(cè)和估計(jì)磨削行為和磨削質(zhì)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(guó)發(fā)博士等研究了變進(jìn)給磨削過程磨削功率的模型，利用計(jì)算機(jī)仿真得到能夠應(yīng)用于實(shí)際磨削過程的最佳磨削方案。還有山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的王霖等研究了磨削溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磨削溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)及優(yōu)化，為研究各加工參數(shù)對(duì)磨削溫度場(chǎng)的影響提供了理論依據(jù)。銑削方面，同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程系的李滬曾教授等建立了多齒端銑切削過程動(dòng)力學(xué)模型，開發(fā)了切削振動(dòng)仿真的微機(jī)通用軟件，采用數(shù)字仿真方法研究了平面端銑切削振動(dòng)的原理和條件。佳木斯大學(xué)的任福君教授等研究了電火花切割多軸加工復(fù)雜曲面的計(jì)算機(jī)圖形仿真技術(shù)；上海交通大學(xué)的樓樂明博士等建立了電火花加工的工藝仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了加工效果的預(yù)測(cè)、加工參數(shù)的優(yōu)化。擠壓成型方面，上海交通大學(xué)的儲(chǔ)燦東博士建立了連續(xù)擠壓的計(jì)算機(jī)仿真模型，并通過模擬實(shí)驗(yàn)得出了連續(xù)擠壓全過程的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)。
?。病∮?jì)算機(jī)仿真在齒輪設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用
齒輪是機(jī)械產(chǎn)品的主要基礎(chǔ)部件，對(duì)其進(jìn)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(guān)的研究。如太原理工大學(xué)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(dòng)仿真，山東礦業(yè)學(xué)院的張廣軍等利用計(jì)算機(jī)仿真研究了圓弧針齒行星傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問題，南京航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的曾英等通過計(jì)算機(jī)仿真探討了主動(dòng)齒輪與刀具齒數(shù)差、齒數(shù)比、模數(shù)等主要參數(shù)對(duì)正交面齒輪傳動(dòng)接觸點(diǎn)的影響。計(jì)算機(jī)仿真在齒輪泵的齒輪的設(shè)計(jì)與制造中，也有著重要的應(yīng)用。
其原理可追溯到1773年法國(guó)自然學(xué)家G.L.L.Buffon為估計(jì)圓周率值所進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)。根據(jù)仿真過程中所采用計(jì)算機(jī)類型的不同，計(jì)算機(jī)仿真大致經(jīng)歷了模擬機(jī)仿真、模擬－數(shù)字混合機(jī)仿真和數(shù)字機(jī)仿真三個(gè)大的階段。20世紀(jì)50年代計(jì)算機(jī)仿真主要采用模擬機(jī)；60年代后串行處理數(shù)字機(jī)逐漸應(yīng)用到仿真之中，但難以滿足航天、化工等大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)對(duì)仿真時(shí)限的要求；到了70年代模擬－數(shù)字混合機(jī)曾一度應(yīng)用于飛行仿真、衛(wèi)星仿真和核反應(yīng)堆仿真等眾多高技術(shù)研究領(lǐng)域；80年代后由于并行處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字機(jī)才最終成為計(jì)算機(jī)仿真的主流。現(xiàn)在，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械制造、航空航天、交通運(yùn)輸、船舶工程、經(jīng)濟(jì)管理、工程建設(shè)、軍事模擬以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
一、計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)
對(duì)于需要研究的對(duì)象，計(jì)算機(jī)一般是不能直接認(rèn)知和處理的，這就要求為之建立一個(gè)既能反映所研究對(duì)象的實(shí)質(zhì)，又易于被計(jì)算機(jī)處理的數(shù)學(xué)模型。
數(shù)學(xué)模型將研究對(duì)象的實(shí)質(zhì)抽象出來，計(jì)算機(jī)再來處理這些經(jīng)過抽象的數(shù)學(xué)模型，并通過輸出這些模型的相關(guān)數(shù)據(jù)來展現(xiàn)研究對(duì)象的某些特質(zhì)，當(dāng)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(duì)這些輸出量的分析，就可以更加清楚的認(rèn)識(shí)研究對(duì)象。通過這個(gè)關(guān)系還可以看出，數(shù)學(xué)建模的精準(zhǔn)程度是決定計(jì)算機(jī)仿真精度的最關(guān)鍵因素。從模型這個(gè)角度出發(fā)，可以將計(jì)算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)分為三個(gè)大的步驟：模型的建立、模型的轉(zhuǎn)換和模型的仿真實(shí)驗(yàn)。
1．模型的建立
對(duì)于所研究的對(duì)象或問題，首先需要根據(jù)仿真所要達(dá)到的目的抽象出一個(gè)確定的系統(tǒng)，并且要給出這個(gè)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(guān)學(xué)科的知識(shí)，把所抽象出來的系統(tǒng)用數(shù)學(xué)的表達(dá)式描述出來，描述的內(nèi)容，就是所謂的“數(shù)學(xué)模型”。這個(gè)模型是進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的核心。
系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)時(shí)間關(guān)系可劃分為靜態(tài)模型、連續(xù)時(shí)間動(dòng)態(tài)模型、離散時(shí)間動(dòng)態(tài)模型和混合時(shí)間動(dòng)態(tài)模型；根據(jù)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(duì)于數(shù)學(xué)建模的一些問題，西安交通大學(xué)的胡峰等人在《動(dòng)態(tài)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)綜述（Ⅰ）——仿真模型》中有較為詳細(xì)的論述。
2．模型的轉(zhuǎn)換
所謂模型的轉(zhuǎn)換，即是對(duì)上一步抽象出來的數(shù)學(xué)表達(dá)式通過各種適當(dāng)?shù)乃惴ê陀?jì)算機(jī)語言轉(zhuǎn)換成為計(jì)算機(jī)能夠處理的形式，這種形式所表現(xiàn)的內(nèi)容，就是所謂的“仿真模型”。這個(gè)模型是進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真的關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)這一過程，既可以自行開發(fā)一個(gè)新的系統(tǒng)，也可以運(yùn)用現(xiàn)在市場(chǎng)上已有的仿真軟件，如鑄造過程就常用MAGMAsoft軟件來進(jìn)行仿真。
3．模型的仿真實(shí)驗(yàn)
將上一步得到的仿真模型載入計(jì)算機(jī)，按照預(yù)先設(shè)置的實(shí)驗(yàn)方案來運(yùn)行仿真模型，得到一系列的仿真結(jié)果，這就是所謂的“模型的仿真實(shí)驗(yàn)”。
具備了上面的條件之后，仿真實(shí)驗(yàn)是一個(gè)很容易的事情。但是，應(yīng)該如何來評(píng)價(jià)這個(gè)仿真的結(jié)果呢？這就需要來分析仿真實(shí)驗(yàn)的可靠性。胡峰等人在《動(dòng)態(tài)系統(tǒng)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)綜述（Ⅱ）——仿真結(jié)果分析》一文中提出了檢驗(yàn)仿真結(jié)果可靠性的兩種方法：置信通道法和仿真過程的反向驗(yàn)證法，可供參考。
二、計(jì)算機(jī)仿真在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用
1．計(jì)算機(jī)仿真在復(fù)雜機(jī)械加工過程研究方面的應(yīng)用
機(jī)械加工過程，是機(jī)械行業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的基礎(chǔ)。利用計(jì)算機(jī)仿真，有助于發(fā)現(xiàn)其機(jī)理，為提高機(jī)械加工性能提供理論支持。如磨削方面，吉林大學(xué)的王龍山教授等提出了依賴于時(shí)間變化的描述磨削過程的各個(gè)數(shù)學(xué)模型，通過計(jì)算機(jī)模擬可以預(yù)測(cè)和估計(jì)磨削行為和磨削質(zhì)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(guó)發(fā)博士等研究了變進(jìn)給磨削過程磨削功率的模型，利用計(jì)算機(jī)仿真得到能夠應(yīng)用于實(shí)際磨削過程的最佳磨削方案。還有山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的王霖等研究了磨削溫度場(chǎng)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)磨削溫度場(chǎng)的預(yù)測(cè)及優(yōu)化，為研究各加工參數(shù)對(duì)磨削溫度場(chǎng)的影響提供了理論依據(jù)。銑削方面，同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程系的李滬曾教授等建立了多齒端銑切削過程動(dòng)力學(xué)模型，開發(fā)了切削振動(dòng)仿真的微機(jī)通用軟件，采用數(shù)字仿真方法研究了平面端銑切削振動(dòng)的原理和條件。佳木斯大學(xué)的任福君教授等研究了電火花切割多軸加工復(fù)雜曲面的計(jì)算機(jī)圖形仿真技術(shù)；上海交通大學(xué)的樓樂明博士等建立了電火花加工的工藝仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了加工效果的預(yù)測(cè)、加工參數(shù)的優(yōu)化。擠壓成型方面，上海交通大學(xué)的儲(chǔ)燦東博士建立了連續(xù)擠壓的計(jì)算機(jī)仿真模型，并通過模擬實(shí)驗(yàn)得出了連續(xù)擠壓全過程的應(yīng)力場(chǎng)、應(yīng)變場(chǎng)和溫度場(chǎng)。
?。病∮?jì)算機(jī)仿真在齒輪設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用
齒輪是機(jī)械產(chǎn)品的主要基礎(chǔ)部件，對(duì)其進(jìn)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(guān)的研究。如太原理工大學(xué)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(dòng)仿真，山東礦業(yè)學(xué)院的張廣軍等利用計(jì)算機(jī)仿真研究了圓弧針齒行星傳動(dòng)的動(dòng)力學(xué)問題，南京航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的曾英等通過計(jì)算機(jī)仿真探討了主動(dòng)齒輪與刀具齒數(shù)差、齒數(shù)比、模數(shù)等主要參數(shù)對(duì)正交面齒輪傳動(dòng)接觸點(diǎn)的影響。計(jì)算機(jī)仿真在齒輪泵的齒輪的設(shè)計(jì)與制造中，也有著重要的應(yīng)用。
