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計算機建模與仿真技術(shù)概述

在國家自然科學(xué)基金委員會編輯出版的《先進制造技術(shù)基礎(chǔ)—— 我國先進制造技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究報告》中指出“虛擬制造是先進制造技術(shù)的前沿和先導(dǎo)，是我國跨世紀(jì)先進制造技術(shù)基礎(chǔ)的優(yōu)先領(lǐng)域之一。目前，可以從產(chǎn)品的零部件、加下過程、產(chǎn)品的局部性能的虛擬制造研究開始，爭取在2010年前能為飛機、汽車、機床等復(fù)雜產(chǎn)品的虛擬制造提出理論方法和技術(shù)”1^63。計算機建模與仿真技術(shù)是虛擬制造的關(guān) 鍵技術(shù)，隨著計算機軟硬件的快速發(fā)展，計算機建模與仿真技術(shù)在制造業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。正是在這個大背景之下，制造業(yè)的經(jīng)營觀念和對制造系統(tǒng)的要求發(fā)生了深刻的變化。在制造企業(yè)中全面推行數(shù)字化設(shè)汁與制造，通過在產(chǎn)品全生命周期中的各個環(huán)節(jié)深化計算機技術(shù)的應(yīng)用，促進傳統(tǒng)產(chǎn)品在各個方面的技術(shù)更新，使企業(yè)在持續(xù)動態(tài)多變、不可預(yù)測的全球性市場競爭環(huán)境中生存發(fā)展并不斷地擴大其競爭優(yōu) 勢。計算機建模與仿真技術(shù)正是目前國際制造業(yè)中廣泛采用的數(shù)字化設(shè)計與制造的手段，它解決了產(chǎn)品性能要求的不斷提高對設(shè)計能力提出的挑戰(zhàn)，滿足了市場競爭情況下開發(fā)周期不斷縮短的要求，可以在最短時間內(nèi)設(shè)if*制造出高質(zhì)量的產(chǎn)品，并盡可能降低設(shè)計成本。

    隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，計算機建模與仿真技術(shù)不僅為機械系統(tǒng)運動學(xué)與動力學(xué)分析提供方法，而且應(yīng)用到設(shè)計、制造和加工的整個過程。目前，機床設(shè)計者不再提供時間和制造成本在物理樣機（數(shù)控機床）試驗和測試上發(fā)現(xiàn)缺點，相反，現(xiàn)代數(shù)控機床設(shè)計過程釆用計算機建模與仿真技術(shù)，在設(shè)計過程中反復(fù)改變虛擬模型，調(diào)整各種設(shè)計方案直到獲得滿意的性能，不僅縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期和降低r成本，而且提高了產(chǎn)品質(zhì)量。它涉及多體動力學(xué)、計算方法與軟件工程等學(xué)科，利用軟件建立機械系統(tǒng)的三維實體模塑、數(shù)學(xué)和力學(xué)模型，分析和評估系統(tǒng)的性能，從而為物理樣機的設(shè)計和制造提供參數(shù)依據(jù)。借助于這項技術(shù)，設(shè)計者可以在計算機上建立機械系統(tǒng)的模型，模擬在現(xiàn)實環(huán)境下系統(tǒng)的運動、動態(tài)和加工特性，并根據(jù)仿真結(jié)果進行優(yōu)化設(shè)計，如圖1.9所示。如果設(shè)計的新產(chǎn)品無法通過試驗驗證，而在計算機上建立其虛擬樣機,然后進行修改和優(yōu)化，最后制造出新產(chǎn)品，將有效提高產(chǎn)品試制成功率。這種技術(shù)在設(shè)計階段就可以對整個系統(tǒng)進行完整的分析，以達到預(yù)測產(chǎn)品性能的目的，從而降低成本，縮短生產(chǎn)周期，提高生產(chǎn)效率KM51。

    1?建模與仿真的概念及優(yōu)點

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，科學(xué)研究對復(fù)雜事物和復(fù)雜系統(tǒng)建立模型并利用計算機進行求解，這些手段和方法逐漸形成了計算機建模與仿真技術(shù)。建模與仿真成為當(dāng)今現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)研究的主要內(nèi)容，建模與仿真技術(shù)也滲透到各學(xué)科和工程技術(shù)領(lǐng)域。
建模是指構(gòu)造現(xiàn)實世界實際系統(tǒng)的模型，建模關(guān)系主要研究實際系統(tǒng)與模型之間關(guān)系，它通過對實際系統(tǒng)的觀測和檢測，在忽略次要因素及不可檢測變量的基礎(chǔ)上，用數(shù)學(xué)的方法和三維實體模型進行描述，從而獲得實際系統(tǒng)的簡化模型。建立數(shù)學(xué)模型的過程就是一個信息處理過程，包括利用先進的技術(shù)信息建模和利用真實系統(tǒng)的實驗數(shù)據(jù)信息建模，而三維實體模型已經(jīng)發(fā)展為虛擬樣機模型進行代替物理樣機的一種分析方法。虛擬樣機仿真技術(shù)是一種新的產(chǎn)品開發(fā)方法，產(chǎn)品完全基于計算機模型，采用數(shù)值計算進行設(shè)計。它是一種針對測試對象和物理原型進行的一個虛擬制造和仿真過程，基于虛擬樣機技術(shù)建立的工程化制造開發(fā)模型，可以使設(shè)計人員訪問一個實際物理模型的所有關(guān)于機械、物理、外觀功能特性的有關(guān)信息。

仿真是目前非常流行的虛擬制造技術(shù)中的主要技術(shù)之一，它指的是:用模型（數(shù)學(xué)模型、三維實體模型、物理模型）來模仿實際系統(tǒng)，代替實際系統(tǒng)來實驗和研究。仿真計算是對所建立的仿真模型進行數(shù)值實驗和求解的過程，不同的模型有不同的求解方法。例如對于連續(xù)系統(tǒng)，通常采用微分方程、傳遞函數(shù)，甚至偏微分方程對其進行描述;對于離散事件系統(tǒng)，通常采用概率模型;而隨著仿真對象復(fù)雜程度的提高和對仿真實時性的迫切要求研究新的仿真算法一直是一項重要的任務(wù)。想要通過仿真得出正確、有效的結(jié)論，必須對仿真結(jié)果進行科學(xué)的分析。計算機仿真是以大量數(shù)據(jù)的形式輸出仿真的結(jié)果，因此有必要對仿真結(jié)果數(shù)據(jù)進行整理，進行各種統(tǒng)計分析，以得到科學(xué)的結(jié)論。對設(shè) 汁新產(chǎn)品（數(shù)控機床）而言，計算機仿真系統(tǒng)需要對上述模型進行數(shù)字化仿真和可視化，以對產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計進行評估和優(yōu)化[46]。從設(shè) 汁到加工的整個過程，不僅縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期和降低了產(chǎn)品成本，而 &提高了產(chǎn)品質(zhì)量。從產(chǎn)品的設(shè)計到制造以至測試維護的整個生命周期，計算機仿真技術(shù)貫穿始終。從發(fā)展的歷程來看，仿真技術(shù)應(yīng)用的領(lǐng) 域從傳統(tǒng)的制造領(lǐng)域（生產(chǎn)汁劃制定、加工、裝配、測試）正向產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)和銷售領(lǐng)域擴展。總的來說，先進制造技術(shù)的發(fā)展，為計算機仿真技術(shù)的應(yīng)用提供了新的舞臺。

計算機建模與仿真技術(shù)具有以下優(yōu)點：

(1)通用性——計算機建模是通用的，能用來表示廣大范圍的實際系統(tǒng)；
(2)柔性——計算機建模是柔性的，可以很方便地修改以表示各種系統(tǒng)模型或更換信息；
(3)費用低——計算機仿真系統(tǒng)的使用可以在沒有建成實際系統(tǒng) 的情況下，通過仿真進行設(shè)計、分析或重新設(shè)計；
(4)整體性——計算機仿真技術(shù)允許在不對實際系統(tǒng)進行分割的情況下，對系統(tǒng)進行設(shè)計、分析或重新設(shè)計；
(5)完整性——計算機仿真可以在想象得到的任何條件、參數(shù)、操作特性下進行仿真。設(shè)計人員應(yīng)用這種技術(shù)可以在設(shè)計階段直觀地檢查出各種運動軌跡、數(shù)學(xué)模型和干涉發(fā)生的原因，把設(shè)計風(fēng)險降到最低，還可以模擬產(chǎn)品初期階段的試制過程，大大地降低生產(chǎn)成本。

2?計算機建模與仿真技術(shù)的軟件平臺概要

    目前常用的典型計算機建模與仿真軟件（圖1. 10)有許多種類型：根據(jù)不同要求，采取不同成熟軟件進行設(shè)計。其中三維實體造型軟件已廣泛應(yīng)用于機械設(shè)計及制造領(lǐng)域，如SolidW〇rks、Pm/E、UG和CAT1A 22等功能強大的軟件，這些三維實體建模軟件可以快速地建立零件、進行裝配，非常直觀地看到物體的每個位置和方向，可以檢驗干涉、碰撞等現(xiàn)象的發(fā)生，可以非常形象地看到物體運動，以及設(shè)計和制造的整個流程;運動學(xué)和動力學(xué)仿真軟件，如美國MSC. ADAMS，德國SIMPACK，比利時DADS，該類軟件采用數(shù)字化虛擬現(xiàn)實技術(shù)，在給出初始條件下，通過這些軟件很容易測出物體某個零件的位移、速度、加速度、力、扭矩等。有限元分析軟件，如MSC. NASTRAN、ANSYS、ABAQUS等，能夠進行包括結(jié)構(gòu)、熱、聲、流體以及電磁場等學(xué)科的研究，尤其在電子和制造業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用；控制仿真軟件，如MATLAB可以很快解決數(shù)學(xué)計算上和控制方面難以解決的問題。通過這些軟件建立可信度高的數(shù)字化模型和實體模型，然后進行虛擬試驗，在設(shè)計階段可以完全預(yù)測評價產(chǎn)品的各項性能。下面對ADAMS、ANSYS、MATLAB進行詳細介紹。

    1 ) MSC. ADAMS 軟件

虛擬樣機在工程中的應(yīng)用是通過界面友好、功能強大、性能穩(wěn)定的商品化虛擬樣機軟件實現(xiàn)的。國外虛擬樣機技術(shù)軟件的商品化過程早已完成，目前比較有影響的產(chǎn)品包括美國MSC公司（MSC. Software- Inc.)的 ADAMS (Automatic Dynamic Analysisof Mechanical System)軟件，比利時LMS公司的DADS以及德國航天局的SIMPACK。其中MSC 公司的ADAMS占據(jù)了全球市場50%以上的份額，是目前應(yīng)用最廣泛的虛擬樣機軟件。

ADAMS軟件包括三個最基本的解題程序模塊：ADAMS/View (基本環(huán)境）、ADAMS/Solver(求解器）和 ADAMS/P()stProcessor(后處理）〇 ADAMS/View提供一個直接面向用戶的基本操作環(huán)境，包括樣機的建模和各種建模工具、樣機模型數(shù)據(jù)的輸入與編輯、與求解器和后處理等程序的自動連接、虛擬樣機分析參數(shù)的設(shè)置、各種數(shù)據(jù)的輸人和輸出、同其他應(yīng)用程序的接口等。ADAMS/View環(huán)境完成虛擬樣機的前處理工作。ADAMS/Solver是求解機械系統(tǒng)運動和動力學(xué)問題的程序。完成樣機分析的準(zhǔn)備工作以后，ADAMS/View自動調(diào)用ADAMS/Solver模塊，求解樣機模型的靜力學(xué)、運動學(xué)，或動力學(xué)問題，完成仿真分析以后再自動地返冋ADAMS/View操作界面。 ADAMS/PostProcessor模塊具有很強的后處理功能，它可以回放仿真結(jié)果，也可以繪制各種分析曲線，還可以對仿真分析曲線進行數(shù)學(xué)和統(tǒng)計計算。此外，ADAMS軟件還包括其他擴展模塊，例如圖形接口模塊ADAMS/Exchange,柔性分析模塊ADAMS/Flex，工程專業(yè)模塊 ADAMS/Car、Al〕AMS/Aircmft 等。

2)ANSYS 軟件

ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發(fā)的、用于計算機輔助工程的大型有限元分析程序。ANSYS軟件在其不斷發(fā)展過程中，逐漸形成了其豐富的功能，包括結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計算流體動力學(xué) 分析、設(shè)計優(yōu)化、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分等功能。ANSYS設(shè)計數(shù)據(jù) 訪問模塊（DDA)能夠?qū)⑹褂肅AD建立的模型輸人到ANSYS程序中， DDA為與設(shè)計數(shù)據(jù)密切相關(guān)的分析求解提供保證，并可通過先進的接口訪問分析結(jié)果。ANSYS軟件可在大多數(shù)計算機及操作系統(tǒng)上進行，它的文件可在其所有的產(chǎn)品系列和工作平臺上兼容。ANSYS軟件能與多數(shù) CAD軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換，如Pn)/Engineer，UG，Auu>CAD等。

3)MATLAB 軟件

MATLAB軟件是美國MathWorks公司開發(fā)的，它具有強大的矩陣運算能力，后來信號處理、應(yīng)用數(shù)學(xué)等學(xué)科加入各種實用的專用工具箱，使其越來越完善，功能越來越強大；另外具有大量的工具箱和f:富的函數(shù)，以及圖形和用戶界面、仿真功能模塊庫和開發(fā)調(diào)試工具等，功能強大；由于采用矢量化運算速度快，a具有應(yīng)用編程接口、預(yù)處理文件、實時代碼生成及外部運行模式及豐富的求解器。軟件具有幵放和可擴展性，可以自定義數(shù)據(jù)類型（面向?qū)ο缶幊蹋哂蠧/C + +數(shù)學(xué) 庫和圖形庫，可建立獨立可任意發(fā)布的外部應(yīng)用、進行圖形界面設(shè)計、采用應(yīng)用編程接口、用戶A定義擴展功能模塊、自定義實時應(yīng)用模塊等。目前，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于制造業(yè)、航空、航天、電信行業(yè)、計算機外設(shè) 開發(fā)、教育、科學(xué)研究、金融財務(wù)等領(lǐng)域。

3.計算機建模與仿真技術(shù)在數(shù)控機床上研究現(xiàn)狀及應(yīng)用

計算機建模與仿真技術(shù)在工業(yè)發(fā)達國家，如美國、德國、日本等已經(jīng)廣泛地應(yīng)用工各個領(lǐng)域:汽車制造業(yè)、工程機械、航天航空業(yè)、國防工業(yè)及通用機械制造業(yè)。所涉及到的產(chǎn)品從龐大的卡車到照相機的快門，天上的火箭到輪船的錨機。在各個領(lǐng)域里，針對各種產(chǎn)品，虛擬模塑技術(shù)都為用戶節(jié)省了幵支、時間，并提供了滿意的設(shè)計方案。

1)虛擬樣機仿真技術(shù)在數(shù)控機床上的應(yīng)用

國外虛擬樣機技術(shù)軟件的商品化過程早已完成，其中最為成功的樣機是美國波音777飛機的數(shù)字樣機，整機設(shè)計完全采用數(shù)字模塑，數(shù) 字化貫通設(shè)計、分析、裝配、工藝、加工全過程，研制周期縮短50%以上，這是數(shù)字樣機技術(shù)的一個重要里程碑t4]。日本的SHIHN丨PPON-KOKL公司非常強凋該公司生產(chǎn)的各種高檔數(shù)控機床都是經(jīng)過虛擬樣機或虛擬動力學(xué)的研究。B. Choi等人[49]提出通過采用虛擬樣機技術(shù)，獲得機床的動態(tài)性能，加快了機床開發(fā)，提高了效韋。加拿大 Y. AUinta^60%授進行虛擬機床設(shè)計，通過有限元進行結(jié)構(gòu)分析，然后利用多體動力學(xué)分析進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，使設(shè)計新產(chǎn)品時節(jié)省了時間，提高丫生產(chǎn)效率。從上述的虛擬樣機可以看出國外研究相當(dāng)成熟，在飛機、機床等產(chǎn)品上都得到了廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)也得到廣泛的應(yīng)用，其中肖田元&45]開展虛擬設(shè)計環(huán)境軟件、虛擬現(xiàn)實、虛擬機床、虛擬汽車訓(xùn)練系統(tǒng)等方面的研究；通過三維數(shù)字建模、加工過程仿真、虛擬樣機技術(shù)等的研究與應(yīng)用，可以提前發(fā)現(xiàn)機床在設(shè)計中的不足之處。陳貴清15^采用虛擬樣機技術(shù)對機床進行動力學(xué)仿真,提前對設(shè)計中可能出現(xiàn)的問題做出精確的預(yù)測和改正。浙江大學(xué)楊曉京[51]利用虛擬樣機技術(shù)對數(shù)控機床開發(fā)設(shè)計，提高數(shù)控機床產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，達到產(chǎn)品的最優(yōu)化。東南大學(xué)吳南星[5>53]基于虛擬樣機原理，實現(xiàn)了高速粘密數(shù)控車床運動學(xué)模擬仿真，為車床的快速優(yōu)化設(shè)計提供科學(xué)的依據(jù)。東北大學(xué)朱春霞[54_55]利用虛擬樣機技術(shù)分析并聯(lián)機床多柔體系統(tǒng)，其運動能更真實、更準(zhǔn)確地反映出該機床的實際運動特性。華中科技大學(xué)的余文勇在虛擬環(huán)境下建立二軸數(shù)控機床的摩擦動力學(xué)模型，結(jié)合虛擬樣機技術(shù)進行仿真分析，驗證在加工過程中摩擦非線性對數(shù)控機床進給系統(tǒng)加工-精度的影響。在我國，清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研教學(xué)單位已經(jīng)幵展了這一領(lǐng)域的研究工作。當(dāng)前我國虛擬樣機技術(shù)應(yīng)用主要進行產(chǎn)品的三維虛擬設(shè)計、加工過程仿真和產(chǎn)品裝配仿真，主要是研究如何生成可信度高的產(chǎn)品虛擬樣機,在產(chǎn)品設(shè)計階段能夠以較高的置信度預(yù)測所設(shè)計產(chǎn)品的最終性能和可制造性。在對產(chǎn)品性能具有高科技含景要求的行業(yè)中，如航空航天、軍事、精密機床、微電子等領(lǐng) 域，隨著研究的不斷深入和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，虛擬樣機技術(shù)必將得到曰益廣泛的應(yīng)用。

2)數(shù)學(xué)建模與仿真技術(shù)在數(shù)控機床（車銑加工）中應(yīng)用

機械加工性能是數(shù)控機床的重要性能指標(biāo)之一，它不僅保證加工精度的重要環(huán)節(jié)，而且在產(chǎn)品制造周期中往往占有相當(dāng)大的比重，因此對機械加工過程及加工中的一些參數(shù)的模擬仿真是很重要的。這種方法在國外廣泛采用，如切屑建模、切削力建模、表面形貌建模。而且在普通的車削和銑削所建立各種數(shù)學(xué)模型很成熟，也是通用的方法。但對車銑加工機理進行建立數(shù)學(xué)模型的研究人員很少。2000年， M. Pogacnik和j. KopacM6]對通過參數(shù)優(yōu)化對車銑加工的動態(tài)穩(wěn)定性進行仿真，獲得不同切削條件下切削深度和切削力隨銑刀轉(zhuǎn)角的變化規(guī) 律，同時對車銑加工與車削加工進行了對比分析。2008年，土耳其的 Ve(latSavaS[6l]利用遺傳算法對車銑加工表面粗糙度進行優(yōu)化。2008 年，克羅地亞SlephanSk〇riC(19]進行了對旋轉(zhuǎn)表而加工的可行性進行建模,然后利用實驗進行對比驗證數(shù)學(xué)模型的可行性。2003年，沈陽理工大學(xué)姜增輝f 121對車銑原理進行了建模和仿真分析，分別對切屑、切削力、表面圓度等進行了研究；吉林大學(xué)的馬巖^]對非軸對稱工_件車銑加下的切削力建模，然后進行仿真分析;2008年，姜增輝[62』等人對正交車銑和軸向車銑已加工件表而微觀形貌進行了仿真，采用不同切削參數(shù)加工得到的已加丨:工件微觀表面形貌會有很大差別，選擇合適的加工參數(shù)可以得到良好的表而質(zhì)撗。2008年，西安理工大學(xué)的周紅杰[2()]對車銑復(fù)合加工表面微觀幾何形貌仿真及切削參數(shù)分析研究。 2008年，上海交通大學(xué)的馮付良137]利用計算機仿真技術(shù)對軸向車銑表面粗糙度進行了研究。可以看出近年來越來越多釆用建模與仿真技術(shù)，它將成為解決車銑加工中心的重要問題、難點問題的主要手段之一。

計算機建模與仿真技術(shù)概述

產(chǎn)品中心

U260T五軸鉆攻中心

U260V五軸加工中心

U350V五軸加工中心

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