计算机建模与仿真技术概述
在国家自然科学基金委员会编辑出版的《先进制造技术基础—— 我国先进制造技术发展战略研究报告》中指出“虚拟制造是先进制造 技术的前沿和先导,是我国跨世纪先进制造技术基础的优先领域之一。 目前,可以从产品的零部件、加下过程、产品的局部性能的虚拟制造研 究开始,争取在2010年前能为飞机、汽车、机床等复杂产品的虚拟制造 提出理论方法和技术”1^63。计算机建模与仿真技术是虚拟制造的关 键技术,随着计算机软硬件的快速发展,计算机建模与仿真技术在制造 业中得到广泛的应用。正是在这个大背景之下,制造业的经营观念和 对制造系统的要求发生了深刻的变化。在制造企业中全面推行数字化 设汁与制造,通过在产品全生命周期中的各个环节深化计算机技术的 应用,促进传统产品在各个方面的技术更新,使企业在持续动态多变、 不可预测的全球性市场竞争环境中生存发展并不断地扩大其竞争优 势。计算机建模与仿真技术正是目前国际制造业中广泛采用的数字化设计与制造的手段,它解决了产品性能要求的不断提高对设计能力提 出的挑战,满足了市场竞争情况下开发周期不断缩短的要求,可以在最 短时间内设if*制造出高质量的产品,并尽可能降低设计成本。
随着科学技术的快速发展,计算机建模与仿真技术不仅为机械系统运动学与动力学分析提供方法,而且应用到设计、制造和加工的整个过程。目前,机床设计者不再提供时间和制造成本在物理样机(数控机床)试验和测试上发现缺点,相反,现代数控机床设计过程釆用计算机建模与仿真技术,在设计过程中反复改变虚拟模型,调整各种设计方案直到获得满意的性能,不仅缩短了产品的开发周期和降低r成本,而且提高了产品质量。它涉及多体动力学、计算方法与软件工程等学科,利用软件建立机械系统的三维实体模塑、数学和力学模型,分析和评估系统的性能,从而为物理样机的设计和制造提供参数依据。借助于这项技术,设计者可以在计算机上建立机械系统的模型,模拟在现实环境下系统的运动、动态和加工特性,并根据仿真结果进行优化设计,如图1.9所示。如果设计的新产品无法通过试验验证,而在计算机上建立其虚拟样机,然后进行修改和优化,最后制造出新产品,将有效提高产品试制成功率。这种技术在设计阶段就可以对整个系统进行完整的分析,以达到预测产品性能的目的,从而降低成本,缩短生产周期,提高生产效率KM51。
1?建模与仿真的概念及优点
随着计算机技术的快速发展,科学研究对复杂事物和复杂系统建 立模型并利用计算机进行求解,这些手段和方法逐渐形成了计算机建 模与仿真技术。建模与仿真成为当今现代科学技术研究的主要内容, 建模与仿真技术也渗透到各学科和工程技术领域。
建模是指构造现实世界实际系统的模型,建模关系主要研究实际系统与模型之间关系,它通过对实际系统的观测和检测,在忽略次要因素及不可检测变量的基础上,用数学的方法和三维实体模型进行描述,从而获得实际系统的简化模型。建立数学模型的过程就是一个信息处理过程,包括利用先进的技术信息建模和利用真实系统的实验数据信息建模,而三维实体模型已经发展为虚拟样机模型进行代替物理样机 的一种分析方法。虚拟样机仿真技术是一种新的产品开发方法,产品 完全基于计算机模型,采用数值计算进行设计。它是一种针对测试对 象和物理原型进行的一个虚拟制造和仿真过程,基于虚拟样机技术建 立的工程化制造开发模型,可以使设计人员访问一个实际物理模型的 所有关于机械、物理、外观功能特性的有关信息。
仿真是目前非常流行的虚拟制造技术中的主要技术之一,它指的 是:用模型(数学模型、三维实体模型、物理模型)来模仿实际系统,代 替实际系统来实验和研究。仿真计算是对所建立的仿真模型进行数值 实验和求解的过程,不同的模型有不同的求解方法。例如对于连续系 统,通常采用微分方程、传递函数,甚至偏微分方程对其进行描述;对于 离散事件系统,通常采用概率模型;而随着仿真对象复杂程度的提高和对仿真实时性的迫切要求研究新的仿真算法一直是一项重要的任务。 想要通过仿真得出正确、有效的结论,必须对仿真结果进行科学的分 析。计算机仿真是以大量数据的形式输出仿真的结果,因此有必要对 仿真结果数据进行整理,进行各种统计分析,以得到科学的结论。对设 汁新产品(数控机床)而言,计算机仿真系统需要对上述模型进行数字 化仿真和可视化,以对产品设计、工艺设计进行评估和优化[46]。从设 汁到加工的整个过程,不仅缩短了产品开发周期和降低了产品成本,而 &提高了产品质量。从产品的设计到制造以至测试维护的整个生命周 期,计算机仿真技术贯穿始终。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(生产汁划制定、加工、装配、测试)正向产品设计 开发和销售领域扩展。总的来说,先进制造技术的发展,为计算机仿真 技术的应用提供了新的舞台。
计算机建模与仿真技术具有以下优点:
(1)通用性——计算机建模是通用的,能用来表示广大范围的实 际系统;
(2)柔性——计算机建模是柔性的,可以很方便地修改以表示各 种系统模型或更换信息;
(3)费用低——计算机仿真系统的使用可以在没有建成实际系统 的情况下,通过仿真进行设计、分析或重新设计;
(4)整体性——计算机仿真技术允许在不对实际系统进行分割的 情况下,对系统进行设计、分析或重新设计;
(5)完整性——计算机仿真可以在想象得到的任何条件、参数、操 作特性下进行仿真。设计人员应用这种技术可以在设计阶段直观地检查出各种运动轨迹、数学模型和干涉发生的原因,把设计风险降到最 低,还可以模拟产品初期阶段的试制过程,大大地降低生产成本。
2?计算机建模与仿真技术的软件平台概要
目前常用的典型计算机建模与仿真软件(图1. 10)有许多种类型: 根据不同要求,采取不同成熟软件进行设计。其中三维实体造型软件 已广泛应用于机械设计及制造领域,如SolidW〇rks、Pm/E、UG和CAT1A 22等功能强大的软件,这些三维实体建模软件可以快速地建立零件、进行 装配,非常直观地看到物体的每个位置和方向,可以检验干涉、碰撞等 现象的发生,可以非常形象地看到物体运动,以及设计和制造的整个流 程;运动学和动力学仿真软件,如美国MSC. ADAMS,德国SIMPACK, 比利时DADS,该类软件采用数字化虚拟现实技术,在给出初始条件 下,通过这些软件很容易测出物体某个零件的位移、速度、加速度、力、 扭矩等。有限元分析软件,如MSC. NASTRAN、ANSYS、ABAQUS等,能够进行包括结构、热、声、流体以及电磁场等学科的研究,尤其在电子和 制造业等领域有着广泛的应用;控制仿真软件,如MATLAB可以很快 解决数学计算上和控制方面难以解决的问题。通过这些软件建立可信 度高的数字化模型和实体模型,然后进行虚拟试验,在设计阶段可以完 全预测评价产品的各项性能。下面对ADAMS、ANSYS、MATLAB进行 详细介绍。
1 ) MSC. ADAMS 软件
虚拟样机在工程中的应用是通过界面友好、功能强大、性能稳定的 商品化虚拟样机软件实现的。国外虚拟样机技术软件的商品化过程早 已完成,目前比较有影响的产品包括美国MSC公司(MSC. Software- Inc.)的 ADAMS (Automatic Dynamic Analysisof Mechanical System)软 件,比利时LMS公司的DADS以及德国航天局的SIMPACK。其中MSC 公司的ADAMS占据了全球市场50%以上的份额,是目前应用最广泛 的虚拟样机软件。
ADAMS软件包括三个最基本的解题程序模块:ADAMS/View (基 本环境)、ADAMS/Solver(求解器)和 ADAMS/P()stProcessor(后处理)〇 ADAMS/View提供一个直接面向用户的基本操作环境,包括样机的建 模和各种建模工具、样机模型数据的输入与编辑、与求解器和后处理 等程序的自动连接、虚拟样机分析参数的设置、各种数据的输人和输 出、同其他应用程序的接口等。ADAMS/View环境完成虚拟样机的 前处理工作。ADAMS/Solver是求解机械系统运动和动力学问题的 程序。完成样机分析的准备工作以后,ADAMS/View自动调用ADAMS/Solver模块,求解样机模型的静力学、运动学,或动力学问 题,完成仿真分析以后再自动地返冋ADAMS/View操作界面。 ADAMS/PostProcessor模块具有很强的后处理功能,它可以回放仿真 结果,也可以绘制各种分析曲线,还可以对仿真分析曲线进行数学和 统计计算。此外,ADAMS软件还包括其他扩展模块,例如图形接口 模块ADAMS/Exchange,柔性分析模块ADAMS/Flex,工程专业模块 ADAMS/Car、Al〕AMS/Aircmft 等。
2)ANSYS 软件
ANSYS软件是美国ANSYS公司开发的、用于计算机辅助工程的 大型有限元分析程序。ANSYS软件在其不断发展过程中,逐渐形成了 其丰富的功能,包括结构高度非线性分析、电磁分析、计算流体动力学 分析、设计优化、接触分析、自适应网格划分等功能。ANSYS设计数据 访问模块(DDA)能够将使用CAD建立的模型输人到ANSYS程序中, DDA为与设计数据密切相关的分析求解提供保证,并可通过先进的接口 访问分析结果。ANSYS软件可在大多数计算机及操作系统上进行,它的 文件可在其所有的产品系列和工作平台上兼容。ANSYS软件能与多数 CAD软件实现数据的共享和交换,如Pn)/Engineer,UG,Auu>CAD等。
3)MATLAB 软件
MATLAB软件是美国MathWorks公司开发的,它具有强大的矩阵 运算能力,后来信号处理、应用数学等学科加入各种实用的专用工具 箱,使其越来越完善,功能越来越强大;另外具有大量的工具箱和f:富 的函数,以及图形和用户界面、仿真功能模块库和开发调试工具等,功 能强大;由于采用矢量化运算速度快,a具有应用编程接口、预处理文 件、实时代码生成及外部运行模式及丰富的求解器。软件具有幵放和 可扩展性,可以自定义数据类型(面向对象编程),具有C/C + +数学 库和图形库,可建立独立可任意发布的外部应用、进行图形界面设计、 采用应用编程接口、用户A定义扩展功能模块、自定义实时应用模块 等。目前,已经广泛应用于制造业、航空、航天、电信行业、计算机外设 开发、教育、科学研究、金融财务等领域。
3.计算机建模与仿真技术在数控机床上研究现状及应用
计算机建模与仿真技术在工业发达国家,如美国、德国、日本等已 经广泛地应用工各个领域:汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工 业及通用机械制造业。所涉及到的产品从庞大的卡车到照相机的快 门,天上的火箭到轮船的锚机。在各个领域里,针对各种产品,虚拟模 塑技术都为用户节省了幵支、时间,并提供了满意的设计方案。
1)虚拟样机仿真技术在数控机床上的应用
国外虚拟样机技术软件的商品化过程早已完成,其中最为成功的 样机是美国波音777飞机的数字样机,整机设计完全采用数字模塑,数 字化贯通设计、分析、装配、工艺、加工全过程,研制周期缩短50%以 上,这是数字样机技术的一个重要里程碑t4]。日本的SHIHN丨PPON-KOKL公司非常强凋该公司生产的各种高档数控机床都是经过虚拟样 机或虚拟动力学的研究。B. Choi等人[49]提出通过采用虚拟样机技 术,获得机床的动态性能,加快了机床开发,提高了效韦。加拿大 Y. AUinta^60%授进行虚拟机床设计,通过有限元进行结构分析,然 后利用多体动力学分析进行结构优化,使设计新产品时节省了时间,提 高丫生产效率。从上述的虚拟样机可以看出国外研究相当成熟,在飞 机、机床等产品上都得到了广泛的应用。国内也得到广泛的应用,其中肖田元&45]开展虚拟设计环境软件、虚拟现实、虚拟机床、虚拟汽车训练系统等方面的研究;通过三维数字建模、加工过程仿真、虚拟样机技 术等的研究与应用,可以提前发现机床在设计中的不足之处。陈贵 清15^采用虚拟样机技术对机床进行动力学仿真,提前对设计中可能出 现的问题做出精确的预测和改正。浙江大学杨晓京[51]利用虚拟样机 技术对数控机床开发设计,提高数控机床产品设计质量,缩短开发周 期,达到产品的最优化。东南大学吴南星[5>53]基于虚拟样机原理,实 现了高速粘密数控车床运动学模拟仿真,为车床的快速优化设计提供 科学的依据。东北大学朱春霞[54_55]利用虚拟样机技术分析并联机床 多柔体系统,其运动能更真实、更准确地反映出该机床的实际运动特 性。华中科技大学的余文勇在虚拟环境下建立二轴数控机床的摩擦动力学模型,结合虚拟样机技术进行仿真分析,验证在加工过程中摩 擦非线性对数控机床进给系统加工-精度的影响。在我国,清华大学、上 海交通大学、浙江大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等科研教 学单位已经幵展了这一领域的研究工作。当前我国虚拟样机技术应用 主要进行产品的三维虚拟设计、加工过程仿真和产品装配仿真,主要是 研究如何生成可信度高的产品虚拟样机,在产品设计阶段能够以较高 的置信度预测所设计产品的最终性能和可制造性。在对产品性能具有 高科技含景要求的行业中,如航空航天、军事、精密机床、微电子等领 域,随着研究的不断深入和相关技术的发展,虚拟样机技术必将得到曰益广泛的应用。
2)数学建模与仿真技术在数控机床(车铣加工)中应用
机械加工性能是数控机床的重要性能指标之一,它不仅保证加工 精度的重要环节,而且在产品制造周期中往往占有相当大的比重,因此对机械加工过程及加工中的一些参数的模拟仿真是很重要的。这种方 法在国外广泛采用,如切屑建模、切削力建模、表面形貌建模。而且在 普通的车削和铣削所建立各种数学模型很成熟,也是通用的方法。但 对车铣加工机理进行建立数学模型的研究人员很少。2000年, M. Pogacnik和j. KopacM6]对通过参数优化对车铣加工的动态稳定性进 行仿真,获得不同切削条件下切削深度和切削力随铣刀转角的变化规 律,同时对车铣加工与车削加工进行了对比分析。2008年,土耳其的 Ve(latSavaS[6l]利用遗传算法对车铣加工表面粗糙度进行优化。2008 年,克罗地亚SlephanSk〇riC(19]进行了对旋转表而加工的可行性进行建 模,然后利用实验进行对比验证数学模型的可行性。2003年,沈阳理 工大学姜增辉f 121对车铣原理进行了建模和仿真分析,分别对切屑、切 削力、表面圆度等进行了研究;吉林大学的马岩^]对非轴对称工_件车 铣加下的切削力建模,然后进行仿真分析;2008年,姜增辉[62』等人对 正交车铣和轴向车铣已加工件表而微观形貌进行了仿真,采用不同切 削参数加工得到的已加丨:工件微观表面形貌会有很大差别,选择合适 的加工参数可以得到良好的表而质撗。2008年,西安理工大学的周红杰[2()]对车铣复合加工表面微观几何形貌仿真及切削参数分析研究。 2008年,上海交通大学的冯付良137]利用计算机仿真技术对轴向车铣 表面粗糙度进行了研究。可以看出近年来越来越多釆用建模与仿真技 术,它将成为解决车铣加工中心的重要问题、难点问题的主要手段之一。