仿真

一、引言
计算机仿真技术是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。计算机仿真（模拟）早期称为蒙特卡罗方法，是一门利用随机数实验求解随机问题的方法。其原理可追溯到1773年法国自然学家G.L.L.Buffon为估计圆周率值所进行的物理实验。根据仿真过程中所采用计算机类型的不同，计算机仿真大致经历了模拟机仿真、模拟－数字混合机仿真和数字机仿真三个大的阶段。20世纪50年代计算机仿真主要采用模拟机；60年代后串行处理数字机逐渐应用到仿真之中，但难以满足航天、化工等大规模复杂系统对仿真时限的要求；到了70年代模拟－数字混合机曾一度应用于飞行仿真、卫星仿真和核反应堆仿真等众多高技术研究领域；80年代后由于并行处理技术的发展，数字机才最终成为计算机仿真的主流。现在，计算机仿真技术已经在机械制造、航空航天、交通运输、船舶工程、经济管理、工程建设、军事模拟以及医疗卫生等领域得到了广泛的应用。  

二、计算机仿真的实现
对于需要研究的对象，计算机一般是不能直接认知和处理的，这就要求为之建立一个既能反映所研究对象的实质，又易于被计算机处理的数学模型。关于研究对象、数学模型和计算机之间的关系，可以用图1来表示。
数学模型将研究对象的实质抽象出来，计算机再来处理这些经过抽象的数学模型，并通过输出这些模型的相关数据来展现研究对象的某些特质，当然，这种展现可以是三维立体的。由于三维显示更加清晰直观，已为越来越多的研究者所采用。通过对这些输出量的分析，就可以更加清楚的认识研究对象。通过这个关系还可以看出，数学建模的精准程度是决定计算机仿真精度的最关键因素。从模型这个角度出发，可以将计算机仿真的实现分为三个大的步骤：模型的建立、模型的转换和模型的仿真实验。  

1．模型的建立
对于所研究的对象或问题，首先需要根据仿真所要达到的目的抽象出一个确定的系统，并且要给出这个系统的边界条件和约束条件。在这之后，需要利用各种相关学科的知识，把所抽象出来的系统用数学的表达式描述出来，描述的内容，就是所谓的“数学模型”。这个模型是进行计算机仿真的核心。  

系统的数学模型根据时间关系可划分为静态模型、连续时间动态模型、离散时间动态模型和混合时间动态模型；根据系统的状态描述和变化方式可划分为连续变量系统模型和离散事件系统模型。对于数学建模的一些问题，西安交通大学的胡峰等人在《动态系统计算机仿真技术综述（Ⅰ）——仿真模型》中有较为详细的论述。

2．模型的转换
所谓模型的转换，即是对上一步抽象出来的数学表达式通过各种适当的算法和计算机语言转换成为计算机能够处理的形式，这种形式所表现的内容，就是所谓的“仿真模型”。这个模型是进行计算机仿真的关键。实现这一过程，既可以自行开发一个新的系统，也可以运用现在市场上已有的仿真软件，如铸造过程就常用MAGMAsoft软件来进行仿真。

3．模型的仿真实验
将上一步得到的仿真模型载入计算机，按照预先设置的实验方案来运行仿真模型，得到一系列的仿真结果，这就是所谓的“模型的仿真实验”。  

具备了上面的条件之后，仿真实验是一个很容易的事情。但是，应该如何来评价这个仿真的结果呢？这就需要来分析仿真实验的可靠性。胡峰等人在《动态系统计算机仿真技术综述（Ⅱ）——仿真结果分析》一文中提出了检验仿真结果可靠性的两种方法：置信通道法和仿真过程的反向验证法，可供参考。  

三、计算机仿真在机械行业中的应用  

1．计算机仿真在复杂机械加工过程研究方面的应用
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。如磨削方面，吉林大学的王龙山教授等提出了依赖于时间变化的描述磨削过程的各个数学模型，通过计算机模拟可以预测和估计磨削行为和磨削质量，为磨削过程优化、智能控制、虚拟磨削创造了必要的前提。李国发博士等研究了变进给磨削过程磨削功率的模型，利用计算机仿真得到能够应用于实际磨削过程的最佳磨削方案。还有山东大学机械工程学院的王霖等研究了磨削温度场的计算机仿真系统，实现了对磨削温度场的预测及优化，为研究各加工参数对磨削温度场的影响提供了理论依据。铣削方面，同济大学机械工程系的李沪曾教授等建立了多齿端铣切削过程动力学模型，开发了切削振动仿真的微机通用软件，采用数字仿真方法研究了平面端铣切削振动的原理和条件。佳木斯大学的任福君教授等研究了电火花切割多轴加工复杂曲面的计算机图形仿真技术；上海交通大学的楼乐明博士等建立了电火花加工的工艺仿真系统，实现了加工效果的预测、加工参数的优化。挤压成型方面，上海交通大学的储灿东博士建立了连续挤压的计算机仿真模型，并通过模拟实验得出了连续挤压全过程的应力场、应变场和温度场。

2．计算机仿真在汽车制造研究方面的应用
汽车制造是机械行业的一个重要组成部分。它有很多实验课题，难度大、实地成本高，计算机仿真技术的引入，有效的缓解了这一方面的问题。如发动机方面，装甲兵工程学院机械系的毕小平教授等建立了多缸柴油机起动过程的计算机仿真模型，其仿真结果与实际测量值比较吻合，可用于多缸柴油机的起动性能仿真。江苏理工大学的蔡忆昔实现了对进气管内气体流动的动态仿真，直观描述了瞬态过程，为多缸发动机换气过程的研究提供了有效的方法。汽车流场方面，华东理工大学信息学院的吕明忠博士等成功的模拟出了汽车尾流场的气流分离和拖曳涡现象，建立了两种车型的汽车外流场空气动力学模型，并进行了仿真实验，取得了满意结果。碰撞实验方面，浙江大学动力机械及车辆工程研究所的詹樟松博士根据汽车碰撞的事故形态与乘员伤害之间的规律，建立了乘员动力学响应的数学模型，并开发出了相应的仿真软件，该系统可部分代替实车碰撞实验进行汽车被动安全性能的研究。其他方面，例如，汽车工程学院的熊坚对汽车的制动过程进行了仿真研究，一汽大众汽车有限公司的姚革等通过仿真研究了汽车转向的轻便性问题等。

3．计算机仿真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。

4．计算机仿真在故障诊断方面的应用
故障诊断是机械研究中的一个重要领域，以往的研究主要是对经验案例的汇集和小规模的工况模拟实验，其局限性较大。计算机仿真技术的介入，使我们提高了故障机理研究、故障定量分析和对故障进行预测和诊断的能力。北京机械工业学院机械工程系的张胜等利用计算机仿真的方法计算了不平衡转子上关键点的振动烈度，与试验台测试数据基本一致，为进一步对旋转机械故障作精确诊断奠定了基础。福建农业大学机电工程系的黄键教授用计算机仿真代替故障定位法来对电喷发动机进行故障诊断，取得了良好的效果。  

5．计算机仿真在疲劳寿命判断方面的应用
在机械的运行中，疲劳问题不可避免。为了研究疲劳问题，往往要做大量的疲劳实验，这不仅耗时、耗费、需要大量的人力、物力，而且对于有些复杂的问题，目前还无法在试验机上实现。计算机仿真技术为解决这一问题提供了新的疲劳试验研究途径。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。

6．计算机仿真在机械制造其他领域中的应用
除了上面所提到的，计算机仿真还在机械行业的其他领域之中有着广泛的应用。例如应用于刀具设计、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等。  

四、计算机仿真的发展方向
随着计算机应用技术和网络技术的发展，计算机仿真技术也在不断的发展之中。如利用网络技术实现异地仿真、应用虚拟现实技术进行的虚拟制造等。

1．网络化仿真
现在已经开发出来的仿真系统，多数不能相互兼容，可移植性差，实现共享困难。较之于开发的高成本和长时间，实在物未尽其用。解决这些问题，第一就是采用兼容性好的计算机语言编写仿真系统，第二就是采用网络化技术实现仿真系统共享。尤其是后者，在将来的仿真系统开发中有着重要地位。实现仿真系统的网络共享，既可以在一定程度上避免重复开发以节约社会资源，又可以通过适当收费以补偿部分开发成本。  

2．虚拟制造技术
计算机仿真技术发展的另一大方向就是在虚拟制造技术领域的深入应用。虚拟制造技术是20世纪90年代发展起来的一种先进制造技术。它利用计算机仿真技术与虚拟现实技术，在计算机上实现从产品设计到产品出厂以及企业各级过程的管理与控制等制造的本质。这使得制造技术不再主要依靠经验，并可以实现对制造的全方位预测，为机械制造领域开辟了一个广阔的新天地。  

五、结束语
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。