浅谈计算机仿真在机械上的应用

浅谈计算机仿真在机械上的应用李思宏（重庆交通大学，重庆402247）摘要：如今计算机仿真技术在机械上有着广泛的应用，计算机仿真已然成为热门。本文用综述的形式简要介绍了计算机仿真的概念、机械生产现状及计算机仿真在机械各个领域的应用，并给出了一个计算机仿真的实例——有限元建模的过程。希望读者能够对计算机仿真有能够有一定的了解，理解这种分析手段在当今机械生产中有着广泛应用的原因。关键词：计算机仿真机械综述ApplicationofComputerSimulationintheMachineryLiSi-hong(ChongqingJiaotonguniversity,Chongqing402247)Abstract:Nowadays,thecomputersimulationtechnologyinthemachineryhasbeenwidelyused,thecomputersimulationhasbecomeahot.Thispapersummarizestheformbrieflyintroducedtheproductionstatusandthemechanicalconceptofcomputer,computersimulationofmechanicalsimulationinvariousfields,andgivesaprocesscomputersimulationexamples--finiteelementmodeling.Ihopethereaderwilloncomputersimulationhastohaveacertaindegreeofunderstanding,theunderstandingofthiskindofanalysistechniquesarewidelyappliedinmodernmachineryproduction.Keywords:computersimulationmachineryoverview0序言随着科技的发展，当今机械工程较传统机械有了较大的改变，其中显而易见的就是计算机仿真技术在各个方面上都得到了广泛的应用。作者从计算机仿真的概述和当今机械生产的现状入手，介绍了计算机仿真在机械的各个领域的作用，并给出了一个计算机仿真的实例。1计算机仿真计算机仿真是应用电子计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿。它是一种描述性技术，是一种定量分析方法。通过建立某一过程和某一系统的模式，来描述该过程或该系统，然后用一系列有目的、有条件的计算机仿真实验来刻画系统的特征，从而得出数量指标，为决策者提供有关这一过程或系统得定量分析结果，作为决策的理论依据。（1）计算机仿真是用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在某些实验条件下对模型进行动态实验的一门综合性技术。它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统（尤其是复杂系统）的重要工具。仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿。人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界的某一层次的问题做出决策。仿真是一个相对概念，任何逼真的仿真都只能是对真实系统某些属性的逼近。仿真是有层次的，既要针对所欲处理的客观系统的问题，又要针对提出处理者的需求层次，否则很难评价一个仿真系统的优劣。2机械生产现状机械生产正向着高速、高效、轻量化、自动化和精密的方向快速发展，而产品结构更加复杂，因此这让机械设计有了更大的困难，要求也越高。与此同时，随着人们生活水平质的飞跃，机械的运转更加安全环保成为了一个重要课题。机械动态设计有了现代的设计方法，通过动力学建模获得相应的动态特性数学模型，有了很多成熟方法，如机械机能解析建模法、机械结构动力分析有限元建模法、传递矩阵建模法、试验模态分析建模法、试验模态分析建模法和机械结构动力学混合建模法。（2）这各种建模都属于运用计算机对系统的结构、功能和行为以及参与系统控制的人的思维过程和行为进行动态性比较逼真的模仿，即计算机仿真技术。3计算机仿真在机械上的应用3.1在机械加工上的应用在大型的机械工厂中，其生产过程分为设计、制造、工艺、管理、组装和检验这六个部分。计算机仿真在这六个方面上均有体现。在此者六个方面上主要讨论计算机仿真在工艺（加工）上的应用。机械加工过程，是机械行业进行生产的基础。利用计算机仿真，有助于发现其机理，为提高机械加工性能提供理论支持。如磨削方面，吉林大学的王龙山教授等提出了依赖于时间变化的描述磨削过程的各个数学模型，通过计算机模拟可以预测和估计磨削行为和磨削质量，为磨削过程优化、智能控制、虚拟磨削创造了必要的前提。李国发博士等研究了变进给磨削过程磨削功率的模型，利用计算机仿真得到能够应用于实际磨削过程的最佳磨削方案。还有山东大学机械工程学院的王霖等研究了磨削温度场的计算机仿真系统，实现了对磨削温度场的预测及优化，为研究各加工参数对磨削温度场的影响提供了理论依据。铣削方面，同济大学机械工程系的李沪曾教授等建立了多齿端铣切削过程动力学模型，开发了切削振动仿真的微机通用软件，采用数字仿真方法研究了平面端铣切削振动的原理和条件。佳木斯大学的任福君教授等研究了电火花切割多轴加工复杂曲面的计算机图形仿真技术；上海交通大学的楼乐明博士等建立了电火花加工的工艺仿真系统，实现了加工效果的预测、加工参数的优化。挤压成型方面，上海交通大学的储灿东博士建立了连续挤压的计算机仿真模型，并通过模拟实验得出了连续挤压全过程的应力场、应变场和温度场。3.2在故障诊断上的应用故障诊断是机械研究中又一个重要领域，以往的研究主要是对经验案例的汇集和小规模的工况模拟实验，其局限性较大。计算机仿真技术的介入，使我们提高了故障机理研究、故障定量分析和对故障进行预测和诊断的能力。北京机械工业学院机械工程系的张胜等利用计算机仿真的方法计算了不平衡转子上关键点的振动烈度，与试验台测试数据基本一致，为进一步对旋转机械故障作精确诊断奠定了基础。福建农业大学机电工程系的黄键教授用计算机仿真代替故障定位法来对电喷发动机进行故障诊断，取得了良好的效果。3.3在疲劳寿命判断上的应用在机械的运行中，疲劳问题不可避免。为了研究疲劳问题，往往要做大量的疲劳实验，这不仅耗时、耗费、需要大量的人力、物力，而且对于有些复杂的问题，目前还无法在试验机上实现。计算机仿真技术为解决这一问题提供了新的疲劳试验研究途径。东北大学机械工程与自动化学院的王雷博士等利用调质45钢的单轴试验数据和正火45钢的多轴拉扭试验数据建立的仿真模型，能够比较精确的预测单轴疲劳和多轴疲劳的寿命。郭浩等将随机离散仿真方法运用于模拟材料性能变化的全过程，通过仿真统计出其寿命的分布，预测精度较高。武汉科技大学的郭宏等利用线性相关原理实现了机械零件寿命判定的计算机仿真，这种方法计算工作量较小，判定准确性较高。3.4在机械其他领域上的应用除了上面所提到的在加工方面的应用，计算机仿真还在机械行业的其他领域之中有着广泛的应用。例如应用于刀具设计、微钻头设计、渗碳层浓度分布、含间隙机构、空调制冷系统的研制和包装机械的开发等等。美国波音(BOEING)公司可以把777飞机的研制、生产做到几乎“无图纸”的程度。波音777飞机的研制、整机设计、装配、部件测试以及各种试飞，都是由计算机完成的。它能将开发周期从原来的8年缩短到5年，节约了数百万美元经费。内燃机在促进国民经济发展中发挥了十分重要的作用,对内燃机的研究已经引起很多人的重视.计算机仿真技术的应用给人们在研究内燃机时提供了一种十分方便、有效的途径。（3）4计算机仿真实例——行星轮架的模型建立4.1有限元原理有限元法（4）用于建立物理场控制方程的离散化方程，其基本想法是把求解域划分为有限个小的网格单元，在每个网格单元内可有多个节点，未知的变量用假设的近似函数一节点值和插值函数来表示，这样，每一个网格单元的任何点的未知值都可由节点值和插值函数来确定。网格单元上的分析解把该网格单元的参变量与邻近网格单元上的参变量通过公共的节点联系起来，形成联立代数方程组，再利用求解域边界上的边界条件，用迭代法求解出参变量。4.2有限元模型建立有限元模型的建立仿真分析的基础。该行星轮架外形不规则，结构较复杂，为准确模拟其实际结构，采用了先应用CAD软件建立实体模型、后导入有限元软件进行网格划分和参数设置的建模思路。INVENT0R是美国AutoDesk公司推出的一款三维可视化实体模拟软件，它具有操作简单、键盘输入少、用户界面人性化等显著的特点，并且与ABAQUS等其它软件兼容性强，因此，利用INVENTOR建立了行星轮架的三维模型。为了真实模拟行星轴的受力情况，在INVENTOR中建立了与行星轴配合的滚针轴承的简化三维模型，由于滚针轴承的刚度较大，变形小，对行星轴的受力影响小，且滚针处的应力状态不是研究的重点，因此在分析中将其简化为圆柱刚体。其中三维行星轮架模型中有较多倒角、小孔，在离行星轴较远处也有部分的文字型的凹槽等特征。这些特征对模型的网格质量影响非常大，网格质量的好坏直接影响到运算结果的准确性，但这些特征对载荷引起的整体结构变形、应变影响不大，甚至可以忽略，所以在进行有限元分析时，可以将这些特征去掉。将在Inventor中修改好的模型转换成igs格式，导入有限元分析软件ABAQUS中，并且转换为精确模型。首先对行星轴和滚针轴承进行组合装配，然后对行星轮架和滚针轴承进行网格划分，由于行星轴结构比较复杂，故采用一阶的四面体单元C3D4自由方式划分网格，单元数为123807个。由于简化的轴承结构简单，因此采用一阶的六面体非协调单元C3D81结构化方式划分网格，单元数为676，并对尺寸变化大、有可能出现应力集中的部位及重点分析区域（行星轴和轴承）等进行手动网格细化，最终保证两个模型的分析警告控制在1％以内。（5）行星轮架与滚针轴承的装配体有限元模拟如图1所示。模型坐标系：水平向右为X正方向，竖直向上为Y正方向，Z正方向满足笛卡尔坐标系，其方向垂直平面向外。图1.行星轮架与滚针轴承的装配体有限元模型5结论计算机仿真在当今机械生产中有着广泛的应用，涵盖了设计、制造、工艺、管理、组装、检验等各个方面。计算机仿真技术并不是说只有在大型工程中才能看到效果。简单的机械部件的设计（如齿轮设计）及模型构造（如行星轮架）也可以用计算机仿真来达到较好的效果。计算机仿真能简化问题，减少能耗，提高效率，可见其较高的实用价值。因此，可以说计算机仿真是当今机械生产不可或缺的一种分析手段。【参考文献】（1）刘瑞叶《计算机仿真技术基础》电子工业出版社（2）庞立《世界机械发展史》时代教育（3）李彬轩，徐航，何文华《柴油机实时仿真中燃烧模型的建立》内燃机学报（4）燕辉，潘亮，王黎明，潘敏强《计算机仿真技术在CPU散热器设计的应用研究》机械设计与制造（5）曹金凤，石亦平《ABAQUS有限元分析常见问题解答》北京机械工业出版社