计算机仿真技术综述

计算机仿真技术综述

摘 要：随着经济的发展和社会的进步，计算机技术高速发展，并广泛应用于社会的各个领域中。21世纪，计算机技术与仿真技术相结合，形成了计算机仿真技术这一崭新的信息综合技术。随着计算机和机械技术的发展，计算机仿真技术逐渐应用到各大生产企业中。本文简要介绍了计算机仿真技术，并结合计算机仿真技术在机械领域的应用，简单论述了计算机仿真技术的发展趋势。

关键词：计算机仿真技术 机械 发展趋势

Review of Computer Simulation technology

Abstract: With the development of economy and society, the computer technology has been developed rapidly. It is widely used in various areas of society. The 21st century, computer technology combine with simulation technology form a computer simulation technology. It’s a new information integration technology. With the development of computer and mechanical technology, computer simulation technology is gradually applied to the major production companies. This paper briefly introduces the computer simulation technology, and combined with the application of computer simulation technology in the field of mechanical, simply discusses the development trend of the computer simulation technology.

Keywords: Computer simulation technology machinery development trend

0 引言

随着计算机技术和网络技术的飞速发展，计算机仿真技术和虚拟现实仿真在各行各业得到了广泛应用，使用计算机进行仿真的研究和应用也是如火如荼。计算机仿真技术是世界各国十分重视的一项高新技术。仿真是以计算机系统为基础，根据用户的要求，建立实际系统的数学模型，并使之转换为仿真模型，在不同的工况下，在计算机系统中运行演示，从而真实地展现实际系统运行状态的过程[1]。它是涉及计算数学、工程控制、各种实际系统的专业知识、计算机软硬件技术等多学科领域的一项综合性高科技技术。是科学工作者、工程技术人员、运行操作人员进行系统分析、优化设计、性能评估、运行试验、教育培训、操作训练的有力工具。它在国防、能源、交通、航空航天等重要的军事与非军事领域，得到了越来越广泛的应用[2]。本文主要针对计算机仿真技术在机械工程方面的应用对计算机仿真的发展作出简要介绍。

1 计算机仿真技术

计算机仿真(Computr Simulation)[3]，即系统仿真（System simulation)[4]，它是一种分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程以及运动规律的重要手段和方法，它以多种学科和理论为基础，以计算机及其相应的软件为工具，通过虚拟试验的方法来分析和解决问题的一门综合性技术[5]。同时它也是一门随着系统科学研究的深入，以及控制理论、计算技术、计算机科学与技术的发展而形成的新兴学科。

“仿真是一种基于模型的活动”，它包含了许多学科和领域的知识以及经验[6]。计算机仿真技术是通过计算机来建造工程模型，根据实际情况设定参数，并加以处理。简单的说，

仿真就是一种通过定量的分析系统功能，把系统的结构行为构成计算机模型，使之成为与实际系统具有类似性质的仿真系统，然后根据这种仿真系统来了解实际系统的行为[7]。它最大的作用就是在开发系统功能之前对其进行规划和分析，然后根据所得出的结果对系统进行设计和改良，直至系统正式研制成功。即使系统能够成功运行，也要再进行考核和训练性的操作，这样可以确保系统有一个好的工作效率[8]。

2 计算机仿真技术的发展趋势

自从计算机仿真技术诞生以来，就受到世界各国的广泛关注和高度重视。当前，计算机仿真技术在国防、能源、交通、航空航天等军事领域和其它领域均得到了广泛的应用。计算机仿真技术起源于美国，后来被多个国家引进和推广，并且将该项技术列为国防军事重点发展的关键技术，由此可见，计算机仿真技术在现代科学技术领域中的地位和作用[9]。

计算机仿真技术主要是随着计算机技术、计算技术、图形图像技术、复杂系统建模技术和专业建模技术的发展而发展的。计算机仿真在其不断进行技术改进的过程中大概经历了以下四个发展阶段[10-11]：

（1）模型试验阶段：在计算机仿真技术出现之初，是以物理模型为基础制造出的模型实验，比较原始，且缺乏深度，无法大范围地应用到社会实际中。

（2）数字化仿真阶段：在这个阶段，可以在计算机上进行演算，但是演算出来的结果只能用文字和图表表达出来，无法让人直观地了解。

（3）图像化仿真阶段：仿真结果一般用丰富的图形图像技术来进行表达；

（4）虚拟现实技术阶段：人们可以利用三维技术和特殊装置将仿真结果以虚拟的形式展示出来。

近年来，随着信息处理技术的突飞猛进，仿真技术也得到了迅速的发展。未来的计算机仿真技术可能会向以下几个方面发展[12]：

（1）分布式的计算机仿真技术：这既是数据分布的需要，也是用分布式计算环境进行并行计算并达到实时显示的手段；

（2）协同式的计算机仿真技术：随着计算机技术的不断应用，可以达到高速协同工作的目的，方便地达到应用共享；

（3）沉浸式的计算机仿真技术：使用沉浸式的计算机技术，更有利于用户对数据获得直观的感受，更好的分析结果；

（4）基于网络环境的计算机仿真技术：网络技术的发展会让计算机仿真技术更快捷和普及。

3 计算机仿真技术在机械领域的应用

计算机仿真技术的应用范围涵盖社会生活的诸多方面，并为不同行业的发展起到了不同程度的推动作用，为不同行业的发展注入了新的动力。计算机仿真主要应用于教育领域、交通运输领域以及机械工程领域[13]。本章主要介绍计算机仿真技术在机械工程领域的应用。

3.1 计算机仿真技术在机械领域的具体应用

计算机仿真技术应用于机械工程方面，为原始的工业制造行业的发展起到了积极的作用。如机械加工过程，是机械行业进行生产的基础。利用计算机仿真，有助于发现其机理，为提高机械加工性能提供理论支持。主要包括：汽车制造方面、齿轮设计方面、磨削方面、故障诊断、在疲劳寿命判断、于刀具设计、微钻头设计、渗碳层浓度分布、含间隙机构、空调制冷系统的研制和包装机械的开发等[14]。下面简要介绍计算机仿真在机械领域的几个应用。

（1）计算机仿真技术在疲劳寿命判断方面的应用

在机械的运行中，疲劳问题是不可避免的。然而疲劳试验不仅耗时、耗费，占用大量人力、物力，而且对于如多轴疲劳的随机加载等复杂试验，目前尚无法在试验机上实现。计算机仿真技术的应用，很好的解决了这一问题[15]。例如东北大学机械工程与自动化学院的王雷博士等利用调质45钢的单轴试验数据和正火45钢的多轴拉扭试验数据建立的仿真模型，能够比较精确的预测单轴疲劳和多轴疲劳的寿命。郭浩等将随机离散仿真方法运用于模拟材料性能变化的全过程，通过仿真统计出其寿命的分布，预测精度较高。武汉科技大学的郭宏等利用线性相关原理实现了机械零件寿命判定的计算机仿真，这种方法计算工作量较小，判定准确性较高[5]。

（2）计算机仿真技术在齿轮设计方面的应用

齿轮是机械产品的主要基础部件，对其进行仿真研究具有重要意义，很多的科研工作者在这方面做了相关的研究。如太原理工大学的庞桂兵等采用Visual Lisp语言从几何角度讨论了任意端面齿形的齿轮建模及其传动仿真，山东矿业学院的张广军等利用计算机仿真研究了圆弧针齿行星传动的动力学问题，南京航空航天大学机电工程学院的曾英等通过计算机仿真探讨了主动齿轮与刀具齿数差、齿数比、模数等主要参数对正交面齿轮传动接触点的影响。计算机仿真在齿轮泵的齿轮的设计与制造中，也有着重要的应用。

（3）计算机仿真技术在液压支架中的应用

经过研究发现，如果可以使支架的移架速度与采煤机的速度达到完全匹配，就可以将综采系统的效率发挥到最大的程度。然而计算机仿真系统，可以实现对任何一种支架的移架速度进行精准的计算。一旦移架问题得到了解决，就可以根据设计参数对工程系统进行新的设计和调整，然后便可以很大程度的提高其工作效率。由此延伸，依据采煤机的速度合理的调整支架的移动速度，然后定出最合理的匹配方案，从方案出发进一步研究攻关的重点方向。在系统使用的时候，还可以先将支架所需要的速度进行明确的统计。因为在仿真的系统中，会发现试验中很多环节的具体数据都能明确的显示出来，如压力、阻力、流量、时间、速度等[16]。当现场管理人员看到这些精准的数字以后就可以清楚的了解所使用的支架的情况，做到心中有数。因为，实际工程不只是有前期设计、中期运行，更重要的是后期维护。如果可以通过仿真系统了解到各个阶段支架的各种信息和其它环节的各种参数，就可以为发现问题和处理问题提供可靠的依据。计算机仿真使很多复杂的系统问题变得简单明了，这样就给后续的维护工作开辟了一条方便之门。

除了上面所提到的，计算机仿真技术还在机械工程领域的其它方面有着广泛的应用。例如刀具设计、微钻头设计、渗碳层浓度分布、含间隙机构、空调制冷系统的研制和包装机械的开发等都涉及到计算机仿真技术[17]。

3.2 计算机仿真技术在机械工程领域的发展趋势

在制造企业产品设计和制造的过程中，计算机仿真一直是不可缺少的工具，它在减少损失、节约经费、缩短开发周期、提高产品质量等方面发挥了巨大作用。制造业竞争的日趋激烈，促使各国研究和应用先进制造技术。从发展的历程来看，仿真技术应用的领域从传统的制造领域（生产计划制定、加工、装配、测试）正向产品设计开发和销售领域扩展。

而与网络技术结合所带来的仿真的分布性、与图形和传感器技术相结合所带来的仿真的交互性、以及仿真技术应用的集成化，是仿真技术在制造业中应用的新趋势[18]。总的来说，先进制造技术的发展，为计算机仿真的应用提供了新的舞台，也提出了更高的要求，目前仿真技术的应用具有以下特点和趋势[19]：

（1）仿真技术的应用范围空前的扩大了。在仿真的对象及目的方面，已由研究制造对象（产品）的动力学特性，运动学特性，研究产品的加工、装配过程，扩大到研究制造系统的设计和运行，并进一步扩大到后勤供应、库存管理、产品开发过程的组织、产品测试等，涉及到制造企业的各个方面；

（2）与网络技术结合所带来的仿真的分布性。仿真的分布性是由制造的分布性决定的。敏捷制造、虚拟企业等概念本身就有基于网络实现异地协作的含义；

（3）与图形和传感器技术相结合，使仿真的交互性大大增强。并由此形成了拟实制造（VM：Vir-tual Manufacturing）、虚拟产品开发（VPD：Virtual Product Development）、虚拟测试（VT：VirtualTest）等新概念；

（4）仿真技术应用的集成化。即综合运用仿真技术，形成可运行的产品开发和制造环境。就仿真技术应用的对象来看，可将制造业中应用的仿真分为四类：面向产品的仿真；面向制造工艺和装备的仿真；面向生产管理的仿真；面向企业其它环节的仿真。

4 结束语

计算机仿真技术是分析和研究系统运行行为、揭示系统动态过程和运动规律的一种重要手段和方法。计算机仿真新技术发展的突飞猛进和计算机仿真技术所表现的优越性及潜在效益是巨大的。尤其近年来在仿真方法研究、仿真技术研究、系统仿真应用等方面都取

得了显著的成就。因此，计算机仿真技术在军事和民用领域等众多方面都得到广泛的应用。由于计算机仿真技术在机械领域的应用，使得机械工程能够更好的发展。计算机仿真技术只是当今发展起来的众多新技术中的一种，根据需要还可以将更多的新技术拿来为我所用。有引进与创新，才有机械行业的发展。

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