計算機建模與仿真技術(shù)概述
計算機建模與仿真技術(shù)概述 在國家自然科學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,，是我國跨世紀先進制造技術(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)運動學與動力學分析提供方法，而且應用到設(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（精工機床）試驗和測試上發(fā)現(xiàn)缺點,，相反,，現(xiàn)代精工機床設(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,、計算方法與軟件工程等學科，利用軟件建立機械系統(tǒng)的三維實體模塑,、數(shù)學和力學模型,，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,，科學研究對復雜事物和復雜系統(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),。建模與仿真成為當今現(xiàn)代科學技術(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,。 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,，以得到科學的結(jié)論,。對設(shè) 汁新產(chǎn)品（精工機床）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,?？偟膩碚f，先進制造技術(shù)的發(fā)展,，為計算機仿真 技術(shù)的應用提供了新的舞臺,。 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)學模型和干涉發(fā)生的原因,，把設(shè)計風險降到最 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;運動學和動力學仿真軟件，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科的研究,，尤其在電子和 制造業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應用；控制仿真軟件,，如MATLAB可以很快 解決數(shù)學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)運動和動力學問題的 程序,。完成樣機分析的準備工作以后，ADAMS/View自動調(diào)用ADAMS/Solver模塊,，求解樣機模型的靜力學,、運動學，或動力學問 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 分析,、設(shè)計優(yōu)化、接觸分析,、自適應網(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、應用數(shù)學等學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具有應用編程接口、預處理文 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 庫和圖形庫,，可建立獨立可任意發(fā)布的外部應用,、進行圖形界面設(shè)計、 采用應用編程接口,、用戶A定義擴展功能模塊,、自定義實時應用模塊 等。目前,，已經(jīng)廣泛應用于制造業(yè),、航空、航天,、電信行業(yè),、計算機外設(shè) 開發(fā)、教育,、科學研究,、金融財務等領(lǐng)域。 3.計算機建模與仿真技術(shù)在精工機床上研究現(xiàn)狀及應用 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)在精工機床上的應用 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)的各種高檔精工機床都是經(jīng)過虛擬樣 機或虛擬動力學的研究。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成熟，在飛 機,、機床等產(chǎn)品上都得到了廣泛的應用,。國內(nèi)也得到廣泛的應用，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)對機床進行動力學仿真,提前對設(shè)計中可能出 現(xiàn)的問題做出精確的預測和改正,。浙江大學楊曉京[51]利用虛擬樣機 技術(shù)對精工機床開發(fā)設(shè)計，提高精工機床產(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。東南大學吳南星[5>53]基于虛擬樣機原理,，實 現(xiàn)了高速粘密精工車床運動學模擬仿真,，為車床的快速優(yōu)化設(shè)計提供 科學的依據(jù)。東北大學朱春霞[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,、更準確地反映出該機床的實際運動特 性。華中科技大學的余文勇在虛擬環(huán)境下建立二軸精工機床的摩擦動力學模型,，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 擦非線性對精工機床進給系統(tǒng)加工-精度的影響。在我國,，清華大學,、上 海交通大學、浙江大學,、北京航空航天大學,、哈爾濱工業(yè)大學等科研教 學單位已經(jīng)幵展了這一領(lǐng)域的研究工作。當前我國虛擬樣機技術(shù)應用 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用,。 2)數(shù)學建模與仿真技術(shù)在精工機床（車銑加工）中應用 機械加工性能是精工機床的重要性能指標之一,，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)學模型的可行性,。2003年,，沈陽理 工大學姜增輝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，西安理工大學的周紅杰[2()]對車銑復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?？梢钥闯鼋陙碓絹碓蕉噌娪媒Ｅc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,。