仿真技术在机械设计与制造中的应用

2023-01-21谭展

现代制造技术与装备 2022年12期

谭展

（北京奥兹王国科技有限公司，北京 101102）

机械设计制造包括机电产品研发设计和工业装备的制造运行等。随着科技的发展，机械设计制造作为工业生产领域的重要内容，逐渐在各个领域普及使用，推动了社会的发展。机械设计与制造需要用到信息技术和自动控制技术等，来解决机械制造中可能出现的问题。仿真技术使得机械设计制造在传统设计制造的基础上融入更多科学理念，能够统计分析机械设计制造过程中的数据，建立模型，以便更好地发现问题、分析问题和解决问题。仿真技术对机械制造业的发展具有重要意义。

1 仿真技术与机械设计制造概述

1.1 仿真技术

仿真技术即虚拟样机技术，通过虚拟系统对运行原理和控制技术等深入解读，再通过计算机设备或者专用仪器进行相关实验，能够充分了解运行动态成本。在机械设计制造业，仿真技术可提高机械设计的品质和产品质量。仿真技术在机械设计和制造业应用范围不断扩大，技术也在不断进步，已经能够虚拟展示图形，并在机械设计中展现仿真技术的相关理论和设计制造过程，提高机械产品质量。仿真技术还具有集成化特征，对已经设计完成的产品特征进行模拟，即便是十分细节和复杂的数据，也能准确模拟，使得机械制造变得更加便捷[1]。

1.2 机械设计制造

机械设计制造的发展需要不同学科理论和技术的支持，如电子工程、机械自动化等。科学技术的发展为机械设计制造提供了技术支持。在信息技术没有应用于机械制造业前，机械制造业的工作模式比较传统，设计对象主要是设备零件和工业机械。正式制造前必须构建模型，再反复进行科学实验，保证设计的合理性。在信息技术应用于机械设计制造后，整个制造过程变得便捷。当前，国内的机械加工制造行业获得了信息技术和其他技术的支持，变得更加自动化和科技化[2]。

2 仿真技术在机械设计制造中的应用价值

2.1 有助于改进机械设计方案

在传统机械设计和制造中，由于很多步骤都由人工完成，整个设计制造过程对人工依赖性较高，要求工作人员具有较硬的专业知识和较为丰富的制造经验。如果要保持较高的工作效率，需要更多的人力和时间，且容易因为个人的偏差产生产品质量问题，给企业和个人带来损失。在机械设计制造过程中，仿真技术尤为重要。构建产品模型，必须利用仿真技术进行分析和处理，以帮助设计师完善设计方案，优化机械设计内容，推动机械设计制造的发展。

2.2 有助于提高数据分析的效率和水平

各行各业在发展过程中都会接触到大量数据资源，如果不能有效处理这些数据，将会给行业的发展带来很多负面影响。近几年，社会经济的发展推动了机械制造业的发展，而机械制造业为适应社会经济的发展需要不断创新。将仿真技术应用于机械设计制造，能够强化各行各业对复杂数据的储存、分析和处理能力，提高数据分析和应用的效率和水平，充分发挥仿真技术的价值。

2.3 有助于节约设计成本

在机械设计制造中，仿真技术的应用可实现二维模型和三维模型的组建，模拟机械设计与制造的过程，使机械设计更加科学合理。在机械制造行业的发展中，机械设计是尤其重要的一个环节。设计师应从整个行业的发展趋势出发，不断创新。仿真技术能够将计算机技术应用于机械设计和制造，方便产品模型的设计构建，减少实体模型的构建费用，既节约了设计成本，又节省了时间，提高了工作效率。这样的方式能够提高各项重复性工作的综合处理效率，解放劳动力，减少机械制造过程中的人工成本，全面提高机械设计的制造效率[3]。

3 仿真技术的应用特点

3.1 应用范围广

在信息技术发展的时代背景下，仿真技术迅速步入快速发展阶段。它与社会发展的轨迹高度契合，功能得到了各行各业的青睐，应用范围广泛。在机械设计制造领域，仿真技术被应用于产品设计、制造和检验过程。应用仿真技术进一步优化了机械产品的制造工艺和质量，使得产品质量和性能能够满足市场的多方面需求，有助于机械制造行业的可持续发展。目前，仿真技术的应用范围还在扩大，对企业的发展有一定的促进作用。

3.2 集成化

在机械设计和制造中，仿真技术的应用具有集成化特点。仿真技术集合了多种技术和理念，构造和作用复杂，能模拟不同产品。在机械设计和制造过程中，发挥仿真技术的集成化特点，能够分析和处理机械设计的多重数据，有利于优化机械设计和制造过程。

3.3 分布特性突出

仿真技术的建立基于网络技术和计算机技术。分析研究表明，仿真技术离不开理论和图形规定的合理运用。在虚拟网络和制造技术的加持下，仿真技术对机械设计制造的作用才能充分彰显，从而保障机械设计和制造过程中的产品质量[4]。

4 仿真技术在机械设计制造中的具体应用

4.1 应用于机械设备的结构设计

仿真技术能够应用于机械制造行业的结构设计和齿轮设计等环节。在机械制造过程中，机械结构中的部件正常运行尤其关键。运用仿真技术模拟机械运行可了解机械结构和内容是否合理，从而进行调试和完善，使得机械结构设计更加科学合理。在大规模的机械设计与制造中，不同零部件之间的相互配合尤其重要。因此，对于大规模机械设计和制造，要保证各个零部件的有效衔接和相互配合，防止出现偏差而出现机械故障[5]。

4.2 应用于齿轮设计

齿轮设计是技术人员十分重视的环节。齿轮在机械设备运行过程中发挥着重要作用。机械设备需要齿轮之间互相配合转动，才能顺利运行。齿轮的质量对机械的运行效率和寿命具有重要影响。将仿真技术应用于齿轮设计，通过模型模拟和数据分析，监测设计图纸是否能满足不同工艺的加工要求。齿轮的模型可以放在不同的环境中进行作业模拟。若模拟过程发现问题，能够及时优化齿轮设计。比如，技术人员可以利用仿真技术模拟齿轮的运行轨迹，进一步研究齿轮转动接触点的设计，提高齿轮的性能和品质。

4.3 应用于加工设计

机械产品的设计和制造过程，需要按照一定的流程和步骤。尤其在传统机械设计制造中，流程和步骤更为复杂。机械设计制造实际上是要满足多种多样的生产加工需要，有效提高产品价值。仿真技术能整理复杂的数据，确保机械零部件运行更加准确和便捷。在机械设备加工过程中，利用仿真技术能够减轻工作人员的工作量，提高工作效率。例如，如果将仿真技术融入切削加工工艺流程，能构建以时间轴为单位的数学模型，从而监测不同运行条件下机械设备的性能和质量，并对磨削时间进行实时分析。通过对重要参数的分析和应用构建模型并对模型开展仿真分析，可知该项机械产品在加工磨削这一工作步骤中所需的时间，有助于设计师制定最为合适的打磨时间，从而选择最优的加工方案。

4.4 应用于复杂数据的计算

应用仿真技术能够将机械设计制造中的复杂问题简单化，快速解决瓶颈问题。机械设计制造中涉及各种数据计算，利用仿真技术可以快速处理复杂的数据，为机械设计师降低计算难度，提高计算结果的准确率。在设计和研发机械新产品时，在仿真技术的加持下，设计师能够更容易使产品的性能和指标达到规定的标准，一定程度上节省了研发需要的材料，帮助企业降低了研发成本。在机械设计和制造中，把仿真技术和动力学模型结合应用，能快速获取机械结构的强度、刚度和热态等数据。如果将仿真技术和计算机技术结合使用，能够分析计算产品数据，规避机械运行可能出现的安全隐患，保障机械产品的安全[6]。

4.5 应用于大中型机械产品的设计

机械产品的设计涉及范围较广。对于设计师来说，任何体积的机械产品设计都有可能涉及。而对于大中型机械产品的设计，则要涉及更复杂的结构。在设计大中型机械产品时，零部件的设计是工作难度较高的一个环节，需要清晰规划什么部位需要什么型号的零件。过去设计大中型机械产品时，零部件装配不合格等问题时有发生。究其原因，主要在于大中型机械零部件繁多，在生产过程中容易出现质量问题，或者在装配时容易发生装配错误，从而影响大中型机械设备的运行效果和整体质量，一定程度上阻碍了机械制造企业的正常生产，造成了经济损失。然而，利用仿真技术服务大中型机械设备的零部件装配，可以较大程度上避免疏漏。例如，运用仿真技术可以及时发现零部件装配出现的问题。完成装配后，还可以对大中型机械设备进行动态运行模拟实验，从而检验大中型机械设备质量，为企业减少经济损失。

4.6 用于数学建模

首先，在机械设计制造中可以借助仿真技术进行数学模型构建。但是，在进行这一操作前需要做好计算机系统的准备，提前设置计算机系统的相关参数，并把技术需求输入计算机系统。完成这些准备工作后，计算机可以直接开展工作。对计算机系统输入信息进行整合时，可以借助技术初步构建模型。此时构建的数学模型是仿真技术得到有效应用的基础条件。在初步构建数学模型时，需要准确把握模型形态，确定构建的模型类型是动态模型还是静态模型，是连续变量模型还是离散时间模型，避免模型构建过程中出现数据偏差。其次，仿真技术可以应用在对数学模型的转换中。数学模型转换是指将原先已经构建的模型变成计算机系统中的模型。转成计算机系统模型后可以进行各项数据和功能的快速转换。但是，在转换模型时需要借助专业软件实现。利用专业软件分析解读数据，对内部语言进行转换，完成仿真模型的转换。因此，机械制造企业可以投入资金购买已经研发的软件，快速获得软件使用权。此外，机械制造企业可以通过自主研发，根据自身条件和实际情况，研发高度适合企业自身的软件。最后，在完成数学模型转换后，需要开展实验检验计算机系统模型，确保模型在仿真运行过程中产生的各项数据都能被记录和收集。即便出现错误，系统也能通过查找数据找出问题。在对计算机系统模型进行实验后，还应分析和评估实验结果，根据有关标准和规定确定计算机系统模型是否科学合理。如果在对实验结果进行评估过程中出现相关标准中没有提及的内容，或者对部分内容的评价出现困难难以统一意见，机械制造企业可以使用置信通道法和反向验证法重新评估实验结果，形成准确率较高的分析报告。