数字化设计与仿真技术

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数字化设计与仿真技术范文第1篇

关键词：数字化仿真；卓越计划；机械原理；创新能力

作者简介：李杰（1979-），男，河北石家庄人，石家庄铁道大学机械工程学院，讲师；范晓珂（1972-），女，河北石家庄人，石家庄铁道大学机械工程学院，副教授。（河北 石家庄 050043）

中图分类号：G642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）05-0083-02

“卓越工程师教育培养计划”（简称“卓越计划”）是高等院校贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》和《国家中长期人才发展规划纲要（2010-2020年）》的一项重大改革项目，其目的在于培养造就一大批具有较强创新能力、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才，为国家工业的转型升级、建设创新型国家和人才强国战略服务。该项目的实施将促进高等教育面向社会需求培养人才，对全面提高工程教育人才培养质量具有十分重要的示范和引导作用。[1]2011年，石家庄铁道大学被教育部批准成为第二批133所“卓越工程师教育培养计划”培养高校之一。“机械原理”课程作为机械工程类的专业基础课程，是石家庄铁道大学（以下简称“我校”）机械设计制造及其自动化专业、车辆工程专业、“茅以升”试验班和“卓越”班的必修课程，占有重要的地位。由于学生人数的增加和新课程的开设，“机械原理”计划学时不断被压缩，而教学内容却不断补充，传统的教学模式很难满足“卓越计划”的要求，很难培养具有创新意识、创新能力的高素质人才。[2]因此，利用数字化仿真技术改善“机械原理”以往传统的教学与实验存在的问题，提高学生的创新能力，培养学生成为具有工程思维的实用型与创新型人才，适应“卓越计划”的发展具有重要的意义。

一、课程教学内容与安排

“机械原理”的课程内容主要有：机械的结构分析、机构的运动和力分析、机械的效率、自锁与平衡、各种常用机构的设计和机械系统的方案设计等内容，共64学时，讲授54课时，实验8学时，“机械原理”课程设计1周。讲授的内容中，主要重点介绍机械的结构分析、机构的运动和力分析、机械的效率、自锁与平衡、常用机构的特点及其设计，其中包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系和其他的常用机构等；[3]机械系统的方案设计内容结合课程设计时完成；实验安排主要针对一些机构的验证、设计与综合，旨在提高学生的动手能力和对机构进行创新设计的能力。但是，由于课时限制，该课程所设置的实验只能完成4个，很难满足“卓越计划”的要求，不利于培养学生的实践能力和创新能力。

二、教学方式的改革

数字化仿真技术是近几年发展起来的一种先进的机械设计方法，它是指将计算机仿真技术应用于产品设计领域，利用计算机分析软件通过建模可对该机构进行运动模拟，对机构及整机进行运动仿真。数字化仿真技术在“机械原理”教学中的应用，不仅可以使得学生对机械原理中的各种机构有感性的认识，而且通过对各种机构的仿真模拟可以使得学生对各种机构的运动与动力特性有直观的了解，有利于培养学生的创新能力。[4]笔者将数字化仿真技术引入到“机械原理”教学中，下面以连杆机构为例，介绍在连杆机构教学中应用数字化仿真技术的一些体会。

1.理论教学的改革

在连杆机构的教学中，连杆机构的基本形式为铰链四杆机构，其三种基本形式分别为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构，当一个铰链四杆机构为曲柄摇杆机构时，通过机构的倒置则可以得到双曲柄机构和双摇杆机构。

在教学过程中，利用数字化仿真软件建立曲柄摇杆机构的数字化模型，按照要求对各相关参数进行设置，其中包括：各杆长度、质量、电机转速、力矩大小等。如图1所示，在四杆机构中各杆分别以转动副相连，分别为A、B、C、D；各杆杆长分别为280mm、520mm、500mm、720mm，然后对杆4固定，杆1为曲柄，在转动副A上加力矩，其数字化模型如图1所示。通过运动仿真对曲柄摇杆机构进行相应的运动分析。[5]曲柄摇杆机构的运动分析如图2所示。

在教学过程中，图1能够清晰演示四杆机构的运动画面，其中曲柄以等角速度转动，摇杆则在一定角度范围内摆动。从图2的角速度图中可以看出曲柄转速为30°/S，而摇杆的摆角为0°～30°。

在曲柄摇杆机构中其他参数保持不变的前提下，只改变曲柄摇杆机构的机架，取原来的杆件1为机架，杆件2为曲柄，对机构进行运动仿真，可以看出，通过改变机架后，原来的曲柄摇杆机构变为了双曲柄机构。双曲柄机构的运动分析如图3所示。

在教学过程中，利用数字化仿真技术学生能够直观看出此时两个曲柄都在做整周的回转运动。从图3中的角速度图中可以看出主动曲柄转速为30°/S，而从动曲柄的转速为不等速连续回转，范围在15°/S～65°/S之间。

最后，在曲柄摇杆机构中，取原来的摇杆3为机架，杆4为曲柄，在其他参数保持不变的前提下对机构进行运动仿真，可以看出，通过改变机架后，原来的曲柄摇杆机构变为了双摇杆机构。双曲柄机构的运动分析如图4所示。

图4的动画演示中能够看出，两个摇杆都不能在整周范围内转动，都在一定范围内做往复摆动，从图4中的角速度图中可以看出主动曲柄摇杆转速为30°/S，而从动摇杆的转速为不等速摆动，范围在0°/S～35°/S之间。

在课堂教学过程中，通过四杆机构的数字化仿真能够使学生在较短的时间内对机构的倒置有清晰的认识，同时提高了学生对计算机应用的兴趣和创新能力。

2.实验教学的改革

由于课时的限制，“机械原理”课程实验共有四次，具体安排如表1所示。

由表1看出：“卓越”班的实验教学比较少，不能够满足学生创新能力和实践能力培养的需求。在实验教学过程中，可以利用数字化仿真技术进行有效的弥补，同时也可以对以上实验进行虚拟验证。在实验2机构运动方案创新设计实验教学过程中，可以先让学生根据实验台搭建不同的机构，分析机构的运动过程，并绘制机构的运动简图，课下让学生通过计算机根据所绘制的机构运动简图建立所搭建的机构模型，进行数字化仿真模拟，直观形象地模拟实际搭建机构的运动过程。而对于实验3机构运动参数测量与分析实验，事先让学生在计算机上对机构进行数字化仿真，测量出机构的位移、速度和加速度曲线，然后再与实验测量的曲线进行相应的比较。对于实验中没有的内容，也可以通过对机构的数字化仿真来培养学生的计算机应用能力和机械创新设计的能力。

三、教学效果

通过数字化仿真技术在“机械原理”课程中的应用，在理论教学过程中对所讲授知识可以实时地进行虚拟仿真，有效改变传统理论教学加实验教学的方法，节省课时。在实验教学中，通过数字化仿真技术和实验相结合大大提高了学生对实验的兴趣，提高了学生的计算机应用能力，同时也培养了学生的机械创新设计意识。

四、结束语

通过教学实践表明，将数字化仿真技术引入到“机械原理”教学中具有较大的新颖性，促进了学生对“机械原理”课程基本理论的理解，实现了教学方法的创新。

新的教学方法能够调动学生学习的积极性，在教学过程中学生能够变被动接受为主动思考，通过对不同的方案进行实时仿真，能够激发学生的创新意识，提高分析问题、解决问题的能力。

数字化仿真技术在本门课程中的应用锻炼了学生将理论知识与实际应用相结合的能力，同时也提高了学生的创新能力。这种教学模式的探索为其他工程类专业基础课程适应“卓越工程师培养计划”的教学改革提供了借鉴经验。

参考文献：

[1]毛娅.适应“卓越工程师培养计划”的机械原理双语教学探索与实践[J].探索与践，2006，4（13）：191-192.

[2]卢梅，李威，邱丽芳.虚拟仿真实验技术在机械原理实验教学中的应用研究[J].仪器仪表用户，2006，4（13）：25-26.

[3]孙桓，陈作模，葛文杰.机械原理（第七版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

数字化设计与仿真技术范文第2篇

1.1数字化设计与模拟仿真在应用中的问题

数字化设计与模拟仿真在飞机开发研究中需要从产品开发设计时就着手使用，同时要贯穿整个工作流程，如工艺规划、设计及工装设计等过程。但是目前发现许多运用时间的错误问题，在飞机的研制过程中出现了产品之间、工装产品间的协调作业，忽略了在设计初期采用数字化设计与仿真的重要性，从而诱导了该状况的发生。同时，在数字化设计与仿真的应用中也存在参与人员的问题。对于数字化设计与模拟仿真的工作人员存在局限性，不应该只将工艺设计人员作为限定目标，要扩大人员应用范围，实现设计人员与现场作业工人的全面参与，提高数字化技术的实用效果。目前，在民用飞机的研制技术中，国外一般采用产品设计、工装设计、工艺设计人员集中协调合作方式的工作流程，在改善工作方式的同时还节约了飞机研制时间。在国内飞机行业的发展中，要改善合作方式中的问题，从国外发展中汲取经验优点，为自身行业的快速完善发展奠定坚实的基础。另外，数字化设计与仿真技术本身也存在一定的缺陷。目前，民用飞机使用的是索尼公司生产的DELMIA软件，它本身就存在技术上的缺陷，如，它无法真正实现重力仿真，在仿真中三维软件都是悬空存在的；在模拟仿真时，不能客观的反映钣金器件的柔韧性。所以，在采用DELMIA软件仿真后，仍要对存在的缺陷进行分析判断，减少设计中的误差错误。在数字化设计与仿真技术的应用中缺乏统一的标准要求，只是根据工作人员的工作经验及产品的详细程度来判定仿真细节，结果参差不齐，影响了模拟验证的权威性。所以，要制定标准的规范体制，按照标准，从建模开始，统一执行。

1.2数字化设计与仿真使用系统中的问题

数字化设计与仿真的使用系统面向的用户面比较广泛且个体之间差异较大，容易造成使用效果间的差异化。所以，在扩大数字化技术应用系统使用范围的同时，要合理设计系统界面，安排适当的工作培训，提高数字化设计制造系统的全面性、实用性。2.3缺少对现场生产数据的及时采集和反馈现场数据的采集与反馈可以为工作的开展提供便利的条件，可以实现生产进程的实时监控，制定合理的生产计划，合理安排生产进度。但是，目前民用飞机的应用系统中缺乏该种功能，不能很好的实现作业完工进程的数据采集。数字化的管理系统软件还没得到普及应用，一般民航企业都存在纸质的数据报表，缺乏对产品测量数据进行统一的采集分析。目前很多测量设备均可直接生产表格，将其输入应用系统，可以实现数据的永久保存、为今后有效的控制质量及安排生产具有一定的指导意义。

2数字化设计与制造的特点分析

传统的设计研制方法主要包括概念设计、初步设计、生产设计三个阶段，并且各个阶段都需要设计绘制模型，工作人员按照制作的样机对飞机及内部配置进行准确详细的设计，主要表现为串行模式。然而在数字化的设计与制造环境下，模线的绘制以及实物样机均可由数字化的形式及样机取代，表现为并行模式的研制过程，促进了各学科之间的交错融合，将业务过程作为工作核心，实现了跨地域、多企业化的动态研制。利用连通的互联网信息使分散的制造商之间加强了技术的沟通交流，互相协调合作，交换相关产品的设计，实现民用飞机设计制造中数据、人员设备及时间等资源的共享。随着数字化科学技术的快速发展，各行业中实现了数字化与先进技术的融合交错。在民用飞机的发展制造过程中同样存在这种融合技术，它充分发挥了当前先进科学技术的优势，改善了企业的整体经济效益。

3数字化设计技术在民用飞机设计制造中的发展构想

3.1加深对数字化设计仿真技术的开发应用

在民用飞机的开发研究过程中引入数字化设计仿真技术。从产品的设计研制工作开始，利用并行的工作运行模式，使各部门设计人员相互合作，利用数字化的工作设计研究平台，提升产品的开发研制质量。同时要建立相互集成的软件系统平台。单一的DELMIA软件只能将可视化的设计信息表现为信息孤岛。如果在产品研制过程中，利用相互集成的系统不仅可以改观这一情况，还能够将DELMIA软件与PDM软件相互集成，通过直接的保存与调用，可实现数字资料的及时性和有效性；将DELMIA与CAPP相互集成，可以实现较强的文本处理功能，提高了系统的实用性。

3.2建立数字化的组织管理体系

采用数字化的系统组织管理平台，利用新型的管理方式，设置专业的管理团队，全面有效的利用各部门间的资源投资；采用产业链条的结构形式利用数字化的信息平台技术实现各企业间的连通协作，实现全球范围内供应商的管理工作；在产品的设计研制过程中，要适时地对项目工作进行监督审查，改变传统的管理模式，实现制造商与使用商在项目实施初期的良好沟通，组成专业的项目管理小组，及时解决项目实施中的问题，为飞机的技术研制提供良好的技术支持，缩短工程周期，提高工作效率，利用低价的成本实现高额的经济效益。

3.3提高系统的实用价值

民航企业面向的客户比较广泛且不同客户对工艺文件的格式与审签流程也不尽相同，根据这一情况，民航企业在产品设计开发时要采用灵活的应用系统软件，实现文件格式及审签工作的自定义化，从而满足广大客户的需求；在管理系统中实现物料资源的条码管理，降低资源的劳动力度，尽量避免人工操作带来的错误；同时要设置人性化的管理界面，实现人人可以上手操作，使系统的功能特点得到充分发挥。

3.4根据工作性质，设置不同的数字化网页

全球范围的飞机设计与制造人员表现为一种分布式的协作关系，数字化的信息平台根据关系等级的不同，分别授予不同的操作权限，分属于不同的操作设计界面，实现相关的设计制造，对虚拟机进行数字化操控，实现飞机设计研发的改进。截止目前为止，我国在飞机设计与制造业的发展中均实现了自身的特色发展，例如，沈飞的钛合金结构及成飞的铝合金等。对机制造发展的目标是在科学技术的发展基础上，建立一个虚拟化的数字化设计制造平台，使飞机制造商之间通过网络信息平台实现完美的相互协作、技术沟通交流等工作。同时，制造厂商也可以不受地理区域的限制，利用自身的权限主动访问虚拟飞机。同样作为合作伙伴的供应商也享有一定的权限，利用数字化信息平台，实现各企业的信息资源共享。利用数字化开放式的信息技术平台，可以有效及时的满足合作伙伴的资源需求，提升了工作进程及工作效率。

3.5民用飞机适航要求下的数字化设计技术研制平台

民用飞机的研制开发要满足适航管理的要求，在保障安全的同时也要维护大众的整体利益。在信息技术及资源共享的技术环境下，改变传统的研制模式，建立数字化的设计研制平台，为民航企业在制造业的发展中获得了良好的竞争力。同时，在利用数字化设计平台的发展中也要实现现有资源的充分利用，综合联系未来发展因素，实现清晰明了的数字化设计平台的层次结构。在基于WEB的发展环境要求下，结合WEB的特点，实现企业间的合作联系，建立一个系统的数字化研制平台，建立全面的数据资源结构，将数据按要求分类、分别管理、进行实时监控与审查全面提高信息资源的管理力度。综合考虑项目中的各个工作环节，确保数字化研制平台的全面参与。

3.6以优质的服务质量赢得发展市场

在世界经济发展环境的影响下，各企业的发展都存在一定程度上的不确定性。为了稳定企业在发展中的坚固地位，力求建立全能的公司企业。在民航企业的发展中，辅助服务市场在民用飞机市场的发展中占有很大比重，拥有广阔的发展前景。所以，在民航企业发展中，要建立健全的服务体系和完善的服务流程结构，以此提高民航企业在发展中的竞争力。优质的服务质量是赢得市场发展的前提，所以，售前要做到优质的服务质量，售后要做到细致入微。做到专业迅速，及时处理解决服务问题，工作人员要尽自身最大限度降低产品给客户带来的损失。

4数字化设计技术在民航企业制造业中发展的预期效果

目前，三维数字化设计技术已经开始应用在民用飞机设计制造业中。数字化的设计技术减轻了设计工程师的工作负担、提高了工作效率，利用仿真得到的真实模型，方便了工程师对后期工作的处理设计，提高了工作质量；利用数字化的样机结构，实现了零件结构及系统之间的协调设计，同时改变传统的设计制造模式，缩短了研制周期，降低了费用成本。数字化设计技术为民用飞机设计制造资源计划系统的实施提供了便利条件，为资源计划的实施提供了实时准确的动态数据。在激烈的社会经济竞争环境下，由于网络资源的扩展，供应链也逐渐形成了一种新的网链模式，利用数字化的设计技术提高了供应商之间的运作效率。从数字化的真实模型可以了解客户的需求，加强了客户与制造商的互动联系，根据用户需求，制造设计出符合客户要求的产品，提高客户的满意程度。

5结语

数字化设计与仿真技术范文第3篇

关键词：计算机；仿真；制造业

中图分类号：TP278

计算机仿真技术在制造业的作用越来越明显，它在产品设计和整个生产流程中都发挥着不可估量的作用。这种技术的应用为开发和制造企业节约了大量的经费，减少了不必要的损失，大大缩短了产品的开发周期并提高了产品质量。计算机仿真技术在日趋激烈的制造业竞争中占有越来越重要的地位。现代制造业的飞速发展为计算机仿真技术带了新的机遇，同时也提出了新的要求。我们放眼计算机仿真技术的发展历程，它已经突破了在传统领域的运用，发展到了产品的设计开发以及销售方面。现代社会网络技术的发展也为计算机仿真技术开辟了新的发展空间，使得这种技术表现出许多新的特点。如交互性、分布性，集成化等。这也将成为计算机仿真技术新的应用趋势。

1 在制造业中，计算机仿真技术应用的分类

计算机仿真技术在制造业中按照模型种类，可大致分为三种，它以产品模型、开发模型以及制造系统模型为中心进行拓展。

1.1 仿真技术以产品模型为中心的应用。在产品模型中，计算机仿真技术的应用对产品的静态与动态性能，可制造型、可装配性进行分析。因为设计者在开发产品的时候，不仅要考虑它的实用功能和需求，还要考虑诸如外形，外观以及尺寸等方面的因素，而且还要考虑产品的可制造性，可批量生产或者是在装配、保养、维护等方面的因素。这就需要计算机仿真技术在产品模型中发挥作用。

1.2 仿真技术以制造系统模型为中心的应用。制造系统模型包括制造设备的高仿真智能运用、相对复杂的制造系统的模拟运行。在检测设备的运行能力与实际运行状况时，如物料供给、资源分配或者是加工流程上发挥着巨大作用。

1.3 仿真技术以开发过程模型为中心的运用。以开发模型为中心的仿真包括设计和制造过程的仿真。很多产品的性能以及生产成本在设计阶段就基本定型了，设计阶段对于一种新产品的开发非常重要，它需要反复设计和试验，复杂的计算以及多学科的共同协作，这些特点决定产品的开发过程迫切需要一种能建立模型并仿真试验的计算机仿真技术。而在制造过程中运用仿真技术将制造系统模型和产品模型结合到一起，多方位模拟，整体运算，再综合考虑库存、成本控制以及负载等因素，开发出合格的新产品。

2 在当代制造业中计算机仿真技术的广泛应用

计算机仿真技术是一门高新科学技术，在当代制造业中，产品的设计和制造都离不开它，尤其是一些诸如航空航天工业、国防工业等规模大，复杂性强的系统研发中，作用更加明显。它作为一种新型的科学手段和工具，有效地减少了不必要的经济损失，节约了大量研究经费，并大大缩短了产品的开发周期和提高了产品质量。计算机仿真技术贯穿于产品的设计、制造和测试运行的全过程。当代企业的研发部门只有重视质量、成本、时间、服务和环境这五项指标，才能获得更好的发展。这种需求也促进了计算机集成技术、模拟测试系统，仿真运行环境等技术的相互结合。他们已经成为制造业不可缺少的重要技术手段。上世纪八十年代以后，计算机仿真技术的发展越来越快，应用最为广泛的就是“虚拟制造”。通过在计算机上模拟产品的设计和制造过程，提前发现在制造中可能出现的问题，减少不必要的经济损失。

虚拟运行环境，也称虚拟现实技术或者是灵境技术，它通过模拟人在自然环境中的感官和行动，实现高级人机互动，对产品的性能和运行状况进行测试。它综合运用了计算机图形学、高仿真技术以及计算机传感技术等多种科学技术手段。“灵境感”和“交互感”是虚拟现实技术的基本特征。通过计算机虚拟现实技术，将事物内部各种关系的交互与真实作用模拟运行，仿真出一个几乎真实的虚拟环境让用户体验，从而使用户的感受更加真实，人机交流的方式更为先进。这种计算机虚拟现实技术，可以支持产品的各个阶段，客户可以通过虚拟的现实环境，验证产品的各个部件是否合格，产品的性能是否稳定，功能是否能够满足人们的日常需要。

随着当代制造业的发展，人们开始对仿真技术的另一个应用热点，即虚拟产品开发技术越来越重视。并行工程的运用促进了虚拟产品开发技术的出现和发展。并行工程思想将现代哲学、文化等与现代先进组织思想集合起来，将产品的设计、制造、使用和支持过程并行运作，进行一体化的设计和开发。并行工程从产品开发之初就将投资、制造、装配以及销售维护等产品生命周期中各种因素考虑在内，有效地解决了产品设计与开发之间存在的矛盾。而虚拟产品开发技术就是在并行工程思想的指导下，将计算机辅助设计、CS和大型的产品数字化管理系统综合运用，虚拟一个产品的开发环境。方便产品开发人员在近乎真实的环境下进行策划、设计和预测产品在现实环境中的性能及其他状况，将产品在现实工况下的真实运行能力，这样就可以避免反复设计，不断变更设计方案，避免因反复制作样机而造成的资源浪费和经济损失；方便对产品的设计进行检验、指导和优化，使产品的开发周期大大缩减，从而节省了大笔开发费用。在计算机仿真技术的发展中，虚拟产品开发技术是又一重要发展，它深入到产品复杂的制造过程中，产生的经济效益不可小觑。

现在，仿真技术的应用已经从单一的系统走向开放复杂的大系统。当仿真对象分布于广阔的时空领域，仿真任务要求将不同地理位置、不同类型（包括人在内）的仿真对象构成一个统一整体进行仿真时，产生了分布交互化仿真（DIS――Districted InteractiveSimulation）。这种仿真系统里包含有不同类型的实体―虚体、真实实体和构造实体，这些实体可以基于不同目的系统、不同年代的技术、不同厂商的产品和不同产品组成，并允许它们交互操作。DIS实现用计算机网络将不同地点的仿真设备连接起来，通过实体间的数据交换构成时空到合成仿真环境的一种先进仿真技术。在这种复杂的分布综合的系统进行实时仿真时，必须提供快速、高效、大量的信息通道和相应的处理。美国是最早研究这种技术并投入使用的国家，已经完成了多项基于虚拟仿真的DIS工程项目，相关的协议与标准已经完成或正在完成。

在制造行业，已经产生了类似于DIS的虚拟研究开发中心或虚拟企业。香港生产力促进局和香港城市大学共建的快速科技中心就是一个虚拟研究开发中心。此外，为了适应快速变化的世界市场，克服单个企业难以在短期内具备所需资源的局限性，出现了在一定时限内，为了某一市场机遇，通过网络临时联结的一种动态联盟――虚拟企业。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。

3 结论

当代制造业中，计算机仿真技术已经成为一种综合性的高新科学技术，它综合了计算机技术、计算机辅助设计技术、多媒体技术、网络技术、信息技术、软件工程、数字化控制技术等多种科学技术，在制造业中发挥着越来越大的作用，在一些大型的复杂形同研发中，更是必不可少的重要工具，它有效地减少了企业的经济损失，节省了大量的研发经费，使产品的开发周期大大缩减，产品质量得到显著提高。

参考文献：

[1]吴秀平，梅江平.大批量、多类型电池自动分选装备的建模与仿真[J].组合机床与自动化加工技术，2008，4.

[2]尚炜，宁汝新.一种以拓扑结构信息为骨架的线缆数字化模型[J].计算机集成制造系统，2012，12.

数字化设计与仿真技术范文第4篇

关键词 动态系统；计算机仿真；仿真建模

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）17-0036-01

1 计算机仿真技术

计算机仿真技术即利用计算机制作真实系统模型，用来进行系统评估的技术手段。具体说就是将真实系统作为仿真模型的根据，通过运行具体仿真模型和对计算机输出信息的分析，实现对实际系统运行状态和变化规律的综合评估与预测，进而实现对真实系统设计与结构的改善或优化。随着计算机技术的快速进步，计算机仿真技术主要是用来进行系统分析和设计，应用于多项领域。计算机仿真技术作为一种可以客观分析现有系统运行状态和评价现有设计系统性能的技术手段，在很多领域（例如航空航天、经济管理、通信网络等）的发展中起到极为重要的促进作用。可以这样说，计算机仿真技术已经成为现代和高科技产业中不可或缺的进行系统分析和研究的一项关键性技术手段。

由于在实际的操作过程中，需要根据实际情况来选择合适的计算机类型，因此根据在仿真过程中采用的计算机类型以及计算机仿真技术的发展过程，可以将计算机仿真技术的类别划分为模拟机仿真、数字机仿真和模拟―数字混合机仿真。计算机仿真技术在20世纪50年代兴起，模拟计算机是当时采用的主要计算机仿真技术，其工作原理是：在仿真系统数学模型明确的前提下，通过一系列运算器和无源器件建立一个仿真的电路，通过这个仿真电路进行后期的实验研究。但是，随着计算机数字化的快速发展，在20世纪60年代后期，计算机仿真技术开始由模拟形式转变为数字机仿真。但是，航空航天等大规模复杂系统的发展对计算机仿真技术提出更高的要求，传统的数字机对信息的处理能力等方面已不能满足仿真系统的需求。为了尽快解决这一问题，使计算机仿真技术能够为更多的领域提供最佳的服务，以数字机与模拟机混合而成的数字混合机应运而生。数字混合机不仅能够满足航空航天等复杂系统的应用，而且也极大程度的促进了这些领域的快速发展。而后仿真技术随着计算机技术的发展而迅速发展。

计算机仿真主要三个方面的内容组成：一是系统；二是模型；三是计算机。而这三方面的内容主要是通过仿真实验、仿

图1 仿真三方面内容之间的关系图

真模型的建立以及系统模型的建立相互联系在一起的。图1描述了这三者之间的关系。

在模型活动的基础上，可以将计算机仿真的全过程划分为下面三个阶段。

1）计算机模型的建立，通过建立系统的数学模型，可以确定系统的原始状态，计算机模型的准确建立是计算机仿真系统有效性的基础技术。2）计算机模型的转变，此过程通过将数学模型转变成为相应的模拟电路等可以用计算机语言表达出来的仿真模型，并通过编写相应的数据处理软件，变成可以直接应用的计算机仿真工具。3）计算机仿真实验阶段，利用仿真输出信息与实际存在的系统信息进行比较，发现问题，对已有的系统进行改善和完善。

2 仿真模型的建立

模型分析之所以得到广泛的应用成为现代科学研究最常用的方法之一，是因为它可以根据实际系统抽象或是对事物本质的描述来建立简化的数学模型或物理模型，这种模型与实际系统之间存在同构或同态关系的，我们就可以通过此模型来分析实际系统，进而对实际系统进行合理的控制和优化。下面主要详细讨论两种形式的仿真建模。

首先针对连续变量动态系统的仿真建模是由时间驱动，状态连续变化等一类物理系统。根据系统中时间和取值方式，可以将连续变量动态系统划分为连续时间动态系统、离散时间动态系统（工程采样系统是最为常见的系统）和连续-离散时间混合的动态系统等多种类型。同时，对连续变量动态系统仿真系统常用的数学模型有多种，最常见的是常/偏微分方程模型，另外还有滑动平均（MA）模型和受控自回归滑动平均（CARMA）模型等。

其次，离散事件动态系统（DEDS）的仿真建模。离散事件动态系统多是人造系统，相对于其他系统离散事件的变化关系较为复杂，常规的方程模型难以较准确的对其进行描述。人们针对离散事件动态系统模型的设计方法进行了多方改进，自20世纪80年代初以来出现了多种形式。例如，常见的依据事件发生时间对所考察对象变化过程的分析而言是否有必要这一条件作为研究范围，将离散事件动态系统划分为：带时标的离散事件动态系统（TIM/RTIL模型、双子代数模型等）和不带时标的离散事件动态系统（Petri网络模型、过程代数模型等），同时也可以依据系统输入信息以及状态演变的确定性与否，将其划分为确定性离散事件动态系统和不确定性离散事件动态系统模型。

从现有的很多文献以及不同种类的离散事件动态系统（DEDS）描述来看，离散事件动态系统模型的建立和分析研究仍不完善，有很大的发展空间。此系统模型种类多，那么在模型种类之间就需要必要的转换关系，对每一种模型的描述方式通常仅适用于一种或是几种问题。

分析目前已有的系统建模方法，离散事件动态系统最常用的方法主要包括网络图或事件图法和形式语言与自动机方法等。虽然离散事件动态系统模型的建立为离散事件动态系统的仿真创造了条件，但是并不是所有的离散事件动态系统模型都能直接用于计算。例如，常用的GSMP模型，可以用于描述多种模型方式不具备的或是很难描述的复杂过程，但GSMP模型在计算机上的实际应用却很复杂，需要专业的相关知识。离散事件动态系统仿真的核心问题是仿真模型的有效性，保障与真实系统行为具有某种同构或同态关系。在CVDS中的方法是使用以物理规则为根据，通过方程式的方法来描述模型设计，这样并不完全适用于离散事件动态系统仿真模型的建立。另外一方面的问题是由于离散事件动态系统多是人造系统，变化形式表现出复杂的非线性。随着需求的不断变化计算机仿真技术需要不断的改进，针对不同时间要选择适当的模型。

参考文献

[1]胡峰，孙国基.动态系统计算机技术综述（Ⅰ）：仿真模型[J].计算机仿真，2000（1）.

[2]吕雁.计算机仿真与建模技术综述[J].电子科技杂志，2001（11）.

[3]蔡洁华，路多.动态系统计算机电源仿真技术研究[J].计算机光盘软件与应用，2013（13）.

数字化设计与仿真技术范文第5篇

关键词：仿真技术；机械设计；应用

1 计算机仿真技术在机械制造行业的重要作用

计算机仿真也被称作虚拟样机技术，设计人员利用特定软件在计算机上建立模型，通过各种动态性能参数分析来优化样机方案，不需要大量制造实物样机，从而用数字化新型技术取代了传统的实验方法，并且具有节约资金、安全可靠、方便灵活以及可重复使用等优点。如今在机械工程计算中，为了解决许多复杂系统的设计、分析和实验等诸多难题，都需要在计算机中建立真实系统的仿真模型，来分析实际系统的活动特征。在研发设计的初始阶段，设计人员只需用工具软件做不同的初始设计并建立起虚拟样机，就可以对现实的或者假设的系统进行仿真研究和试验了，监测和改进系统也很便利。仿真技术的引入不仅极大地提高了机械设备研究设计的质量，而且大幅减少了零部件的开发周期和降低了制造的成本。

2 计算机仿真的实现

计算机仿真技术实现的前提是建立符合实际的电脑数学模型和仿真模型，这个过程涉及到图形学、几何造型学、数据处理技术和力学等知识的集合运用。计算机系统是无法直接识别和处理研究对象的，所以要产生一个既能被计算机接受又可以呈现研究客体实质的数学模型。

计算机处理这些将真实系统的实质抽象出来的数学模型，并输出这些模型的相关参数来展示真实系统的某些特质，这种展示也可以是具象的（如三维立体的）。三维立体模型具有更加直观清晰的特点，所以越来越多的被研究人员所采用。数学模型建立起来以后，计算机仿真的精度将由建模的精准程度来决定。综上所述，要想实现计算机仿真大体上分为三个步骤：

2.1 模型的创建

针对要研究的目标或问题，首先需要抽象出一个能达到仿真目的的可靠系统，并且要给其加上边界条件和约束条件。然后，运用相关学科的知识把这个系统通过数学表达式准确地阐述出来，阐述的内容就是计算机仿真的核心――数学模型。数学模型根据时间的关系可划分为静态模型和动态模型，而动态模型又分为连续时间、离散时间和混合时间三种；模型分为连续变量系统模型和离散事件系统模型是以系统的状态描述和变化方式为依据的。

2.2 模型的变换

模型的变换就是把抽象出来的数学表达式转换成计算机能够处理的形式，这需要运用适当的算法和计算机语言，这种形式所表达的内容就是进行计算机仿真的关键――仿真模型。实现这个过程，既可以根据自身需要研发一个新的系统，也可以把当下市面上已有的仿真软件拿来直接运用。

2.3 模型的实验

将创建的仿真模型输入电脑中，运行仿真模型会获取一系列的仿真结果，这就是模型的仿真实验。由于是按照先期设计的实验方案来运行的，所以仿真实验是一件很简单的事情。但是，仿真的结果又应该按照什么标准来衡量呢？这就需要具体辩析仿真结果的可靠性，检验仿真结果可靠性主要有两种方法（置信通道法和仿真过程的反向验证法）。

3 在机械设计制造行业中计算机仿真技术的广泛应用

3.1 在齿轮设计研究中的应用

齿轮是机械装备的主要基础零部件，研究它的计算机仿真是很有意义的。如运用Visual Lisp语言可以从几何角度研究齿轮任何端面齿形的建模和传动仿真；圆弧针齿行星传动的动力学研究也能运用电脑仿真技术；利用计算机仿真研究了影响正交面齿轮传动接触点的主要参数（包括主动齿轮与刀具齿数差、齿数比、模数等）；在齿轮泵的齿轮研发设计中也很好的应用了计算机仿真。

3.2 在机械结构件设计方面的应用

机械产品要由大量的机构组装起来实现设定好的工艺动作，在进行新产品研发时，这些机构是否能正确地实现所设定的动作，机构与机构之间的运动是否配合得当，机构间是否存在干涉和干涉的部位，怎样选择各种机构组合方案来更好地满足设计标准，这些问题都需要借助计算机仿真来解决。大型的三维机械设计软件都会提供一个机构运动仿真的功能模块，在虚拟环境中设计好的装配体可以模拟演示机构的运动，是一种直观方便的工具软件。这种软件可以依据装配的关系自行主动来计算机构中的运动副，并能自动增添附加的运动发生器、铰链和弹簧；要进行运动学的仿真只需要设定主运动件就可以了，还能从任何角度来观察，软件还能对机构的运动干涉进行检查，设计人员可以很方便地进行检查验证。

3.3 在复杂数值计算分析方面的应用

随着计算机技术在机械工程中的应用越来越广泛，以往许多由于条件限制无法进行计算分析的复杂问题，都可以通过计算机仿真得到满意的解决；另外，计算机辅助使大量复杂的工程计算分析简单化、层次化，节省了大量的时间，避免了低水平的重复劳动，使计算分析更快、更准确，在新产品研发的设计、分析等方面发挥了重要的作用。机械产品开发的基本过程是概念设计初步设计详细设计试验修正设计再试验，直到满足产品的要求标准，仿真技术的引入最大限度的减少了材料的浪费和缩短了耗时。对机械产品的动力学模型进行计算机仿真技术分析，可以获得产品结构的强度应力、刚度应变和变形、动态特性固有频率、振动模态、热态特性温度场、热变形等参数，根据计算分析能得到容易导致机械出现疲劳失效的风险因素以及其它潜在的问题。