計算機建模與仿真技術概述 在國家自然科學基金委員會編輯出版的《先進制造技術基礎—— 我國先進制造技術發展戰略研究報告》中指出“虛擬制造是先進制造 技術的前沿和先導，是我國跨世紀先進制造技術基礎的優先領域之一。 目前，可以從產品的零部件、加下過程、產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、機床等復雜產品的虛擬制造 提出理論方法和技術”1^63。計算機建模與仿真技術是虛擬制造的關 鍵技術，隨著計算機軟硬件的快速發展，計算機建模與仿真技術在制造 業中得到廣泛的應用。正是在這個大背景之下，制造業的經營觀念和 對制造系統的要求發生了深刻的變化。在制造企業中全面推行數字化 設汁與制造，通過在產品全生命周期中的各個環節深化計算機技術的 應用，促進傳統產品在各個方面的技術更新，使企業在持續動態多變、 不可預測的全球性市場競爭環境中生存發展并不斷地擴大其競爭優 勢。計算機建模與仿真技術正是目前國際制造業中廣泛采用的數字化設計與制造的手段，它解決了產品性能要求的不斷提高對設計能力提 出的挑戰，滿足了市場競爭情況下開發周期不斷縮短的要求，可以在最 短時間內設if*制造出高質量的產品，并盡可能降低設計成本。 隨著科學技術的快速發展，計算機建模與仿真技術不僅為機械系統運動學與動力學分析提供方法，而且應用到設計、制造和加工的整個過程。目前，機床設計者不再提供時間和制造成本在物理樣機（精工機床）試驗和測試上發現缺點，相反，現代精工機床設計過程釆用計算機建模與仿真技術，在設計過程中反復改變虛擬模型，調整各種設計方案直到獲得滿意的性能，不僅縮短了產品的開發周期和降低r成本，而且提高了產品質量。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的三維實體模塑、數學和力學模型，分析和評估系統的性能，從而為物理樣機的設計和制造提供參數依據。借助于這項技術，設計者可以在計算機上建立機械系統的模型，模擬在現實環境下系統的運動、動態和加工特性，并根據仿真結果進行優化設計，如圖1.9所示。如果設計的新產品無法通過試驗驗證，而在計算機上建立其虛擬樣機,然后進行修改和優化，最后制造出新產品，將有效提高產品試制成功率。這種技術在設計階段就可以對整個系統進行完整的分析，以達到預測產品性能的目的，從而降低成本，縮短生產周期，提高生產效率KM51。 1?建模與仿真的概念及優點 隨著計算機技術的快速發展，科學研究對復雜事物和復雜系統建 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。建模與仿真成為當今現代科學技術研究的主要內容， 建模與仿真技術也滲透到各學科和工程技術領域。建模是指構造現實世界實際系統的模型，建模關系主要研究實際系統與模型之間關系，它通過對實際系統的觀測和檢測，在忽略次要因素及不可檢測變量的基礎上，用數學的方法和三維實體模型進行描述，從而獲得實際系統的簡化模型。建立數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信息建模和利用真實系統的實驗數據信息建模，而三維實體模型已經發展為虛擬樣機模型進行代替物理樣機 的一種分析方法。虛擬樣機仿真技術是一種新的產品開發方法，產品 完全基于計算機模型，采用數值計算進行設計。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，基于虛擬樣機技術建 立的工程化制造開發模型，可以使設計人員訪問一個實際物理模型的 所有關于機械、物理、外觀功能特性的有關信息。 仿真是目前非常流行的虛擬制造技術中的主要技術之一，它指的 是:用模型（數學模型、三維實體模型、物理模型）來模仿實際系統，代 替實際系統來實驗和研究。仿真計算是對所建立的仿真模型進行數值 實驗和求解的過程，不同的模型有不同的求解方法。例如對于連續系 統，通常采用微分方程、傳遞函數，甚至偏微分方程對其進行描述;對于 離散事件系統，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、有效的結論，必須對仿真結果進行科學的分 析。計算機仿真是以大量數據的形式輸出仿真的結果，因此有必要對 仿真結果數據進行整理，進行各種統計分析，以得到科學的結論。對設 汁新產品（精工機床）而言，計算機仿真系統需要對上述模型進行數字 化仿真和可視化，以對產品設計、工藝設計進行評估和優化[46]。從設 汁到加工的整個過程，不僅縮短了產品開發周期和降低了產品成本，而 &提高了產品質量。從產品的設計到制造以至測試維護的整個生命周 期，計算機仿真技術貫穿始終。從發展的歷程來看，仿真技術應用的領 域從傳統的制造領域（生產汁劃制定、加工、裝配、測試）正向產品設計 開發和銷售領域擴展?？偟膩碚f，先進制造技術的發展，為計算機仿真 技術的應用提供了新的舞臺。 計算機建模與仿真技術具有以下優點：(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；(2)柔性——計算機建模是柔性的，可以很方便地修改以表示各 種系統模型或更換信息；(3)費用低——計算機仿真系統的使用可以在沒有建成實際系統 的情況下，通過仿真進行設計、分析或重新設計；(4)整體性——計算機仿真技術允許在不對實際系統進行分割的 情況下，對系統進行設計、分析或重新設計；(5)完整性——計算機仿真可以在想象得到的任何條件、參數、操 作特性下進行仿真。設計人員應用這種技術可以在設計階段直觀地檢查出各種運動軌跡、數學模型和干涉發生的原因，把設計風險降到最 低，還可以模擬產品初期階段的試制過程，大大地降低生產成本。 2?計算機建模與仿真技術的軟件平臺概要 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： 根據不同要求，采取不同成熟軟件進行設計。其中三維實體造型軟件 已廣泛應用于機械設計及制造領域，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 現象的發生，可以非常形象地看到物體運動，以及設計和制造的整個流 程;運動學和動力學仿真軟件，如美國MSC. ADAMS，德國SIMPACK， 比利時DADS，該類軟件采用數字化虛擬現實技術，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，能夠進行包括結構、熱、聲、流體以及電磁場等學科的研究，尤其在電子和 制造業等領域有著廣泛的應用；控制仿真軟件，如MATLAB可以很快 解決數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 度高的數字化模型和實體模型，然后進行虛擬試驗，在設計階段可以完 全預測評價產品的各項性能。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、性能穩定的 商品化虛擬樣機軟件實現的。國外虛擬樣機技術軟件的商品化過程早 已完成，目前比較有影響的產品包括美國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境，包括樣機的建 模和各種建模工具、樣機模型數據的輸入與編輯、與求解器和后處理 等程序的自動連接、虛擬樣機分析參數的設置、各種數據的輸人和輸 出、同其他應用程序的接口等。ADAMS/View環境完成虛擬樣機的 前處理工作。ADAMS/Solver是求解機械系統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學和 統計計算。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，工程專業模塊 ADAMS/Car、Al〕AMS/Aircmft 等。 2)ANSYS 軟件 ANSYS軟件是美國ANSYS公司開發的、用于計算機輔助工程的 大型有限元分析程序。ANSYS軟件在其不斷發展過程中，逐漸形成了 其豐富的功能，包括結構高度非線性分析、電磁分析、計算流體動力學 分析、設計優化、接觸分析、自適應網格劃分等功能。ANSYS設計數據 訪問模塊（DDA)能夠將使用CAD建立的模型輸人到ANSYS程序中， DDA為與設計數據密切相關的分析求解提供保證，并可通過先進的接口 訪問分析結果。ANSYS軟件可在大多數計算機及操作系統上進行，它的 文件可在其所有的產品系列和工作平臺上兼容。ANSYS軟件能與多數 CAD軟件實現數據的共享和交換，如Pn)/Engineer，UG，Auu>CAD等。 3)MATLAB 軟件 MATLAB軟件是美國MathWorks公司開發的，它具有強大的矩陣 運算能力，后來信號處理、應用數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，以及圖形和用戶界面、仿真功能模塊庫和開發調試工具等，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，可以自定義數據類型（面向對象編程），具有C/C + +數學 庫和圖形庫，可建立獨立可任意發布的外部應用、進行圖形界面設計、 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，已經廣泛應用于制造業、航空、航天、電信行業、計算機外設 開發、教育、科學研究、金融財務等領域。 3.計算機建模與仿真技術在精工機床上研究現狀及應用 計算機建模與仿真技術在工業發達國家，如美國、德國、日本等已 經廣泛地應用工各個領域:汽車制造業、工程機械、航天航空業、國防工 業及通用機械制造業。所涉及到的產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。在各個領域里，針對各種產品，虛擬模 塑技術都為用戶節省了幵支、時間，并提供了滿意的設計方案。 1)虛擬樣機仿真技術在精工機床上的應用 國外虛擬樣機技術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飛機的數字樣機，整機設計完全采用數字模塑，數 字化貫通設計、分析、裝配、工藝、加工全過程，研制周期縮短50%以 上，這是數字樣機技術的一個重要里程碑t4]。日本的SHIHN丨PPON-KOKL公司非常強凋該公司生產的各種高檔精工機床都是經過虛擬樣 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，獲得機床的動態性能，加快了機床開發，提高了效韋。加拿大 Y. AUinta^60%授進行虛擬機床設計，通過有限元進行結構分析，然 后利用多體動力學分析進行結構優化，使設計新產品時節省了時間，提 高丫生產效率。從上述的虛擬樣機可以看出國外研究相當成熟，在飛 機、機床等產品上都得到了廣泛的應用。國內也得到廣泛的應用，其中肖田元&45]開展虛擬設計環境軟件、虛擬現實、虛擬機床、虛擬汽車訓練系統等方面的研究；通過三維數字建模、加工過程仿真、虛擬樣機技 術等的研究與應用，可以提前發現機床在設計中的不足之處。陳貴 清15^采用虛擬樣機技術對機床進行動力學仿真,提前對設計中可能出 現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 技術對精工機床開發設計，提高精工機床產品設計質量，縮短開發周 期，達到產品的最優化。東南大學吳南星[5>53]基于虛擬樣機原理，實 現了高速粘密精工車床運動學模擬仿真，為車床的快速優化設計提供 科學的依據。東北大學朱春霞[54_55]利用虛擬樣機技術分析并聯機床 多柔體系統，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境下建立二軸精工機床的摩擦動力學模型，結合虛擬樣機技術進行仿真分析，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、哈爾濱工業大學等科研教 學單位已經幵展了這一領域的研究工作。當前我國虛擬樣機技術應用 主要進行產品的三維虛擬設計、加工過程仿真和產品裝配仿真，主要是 研究如何生成可信度高的產品虛擬樣機,在產品設計階段能夠以較高 的置信度預測所設計產品的最終性能和可制造性。在對產品性能具有 高科技含景要求的行業中，如航空航天、軍事、精密機床、微電子等領 域，隨著研究的不斷深入和相關技術的發展，虛擬樣機技術必將得到曰益廣泛的應用。 2)數學建模與仿真技術在精工機床（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 精度的重要環節，而且在產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學模型的研究人員很少。2000年， M. Pogacnik和j. KopacM6]對通過參數優化對車銑加工的動態穩定性進 行仿真，獲得不同切削條件下切削深度和切削力隨銑刀轉角的變化規 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化。2008 年，克羅地亞SlephanSk〇riC(19]進行了對旋轉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 的加工參數可以得到良好的表而質撗。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，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。