基于计算机模拟的机械零件设计与优化.pdf

2023年第8 期农机使用与维修49基于计算机模拟的机械零件设计与优化常利娟（鹤壁职业技术学院，河南鹤壁458 0 30）摘要：随着计算机技术的不断发展，计算机模拟已经成为机械设计中必不可少的工具之一。通过对计算机模拟基本原理的分析，介绍了机械零件设计与优化的基本流程，包括建模、网格划分、边界条件设置和模拟计算等。重点讨论了常用的机械零件设计与优化方法，包括有限元分析、多目标优化、拓扑优化和形态优化等。总结了基于计算机模拟的机械零件设计与优化的优势和不足，并展望了未来的发展趋势。关键词：计算机模拟；机械零件；设计；优化；有限元分析中图分类号：TH161.1Design and Optimization of Mechanical Parts Based on Computer Simulation(Hebi Vocational and Technical College,Hebi 458030,China)Abstract:With the continuous development of computer technology,computer simulation has become one of the essentialtools in mechanical design.Through the analysis of the basic principle of computer simulation,the basic process of de-sign and optimization of Machine element is introduced,including modeling,mesh generation,boundary condition set-ting and simulation calculation.The common design and optimization methods of Machine element,including finite ele-ment analysis,multi-objective optimization,topology optimization and shape optimization,are discussed in detail.Theadvantages and disadvantages of Machine element design and optimization based on computer simulation are summarized,and the future development trend is prospected.Keywords:computer simulation;mechanical parts;design;optimization;finite element analysis0引言机械设计是工程设计领域的一个重要分支，涉及到从零件设计到系统设计的各个层面。传统的机械设计方法主要依赖于设计师的经验和试错，需要大量的实验和测试，时间和成本都非常高 。而随着计算机技术的飞速发展，计算机模拟已经成为机械设计中不可或缺的工具之一，可以极大地缩短设计周期，降低成本，提高设计的准确性和可靠性 2-3。计算机模拟技术可以帮助设计师在设计初期就对零件或系统的各种力学特性进行预测和分析,避免了试错带来的成本和时间浪费，并且可以对设计进行快速的优化，以满足更高的性能和要求。基于计算机模拟的机械零件设计与优化研究已经成为了机械设计领域的研究热点之一 4。在机械零件设计与优化中，计算机模拟技术可以帮助设计师进行各种力学特性的分析，例如，应力、变形、疲劳、振动等,同时还可以对零件或系统进行结构优化、材料优化和参数优化等，以达到更好的性能和效益。在设计过程中，基于计算机模拟的方法作者简介：常利娟（198 4一），女，河南安阳人，本科，讲师，研究方向为机械设计制造及其自动化。文献标识码：ACHANG Lijuan不仅可以提高设计效率和准确性，还可以降低实验和测试的成本和风险，使设计更加可靠和可持续 5-6 1计算机模拟的基本原理计算机模拟是指利用计算机模拟技术来模拟真实系统的运行和行为 7 。计算机模拟技术的基本原理是将真实系统的物理、化学或数学模型转化为计算机程序进行求解，通过数值计算的方式预测系统在不同条件下的行为和性能。计算机模拟技术一般包括建立数学模型、选择合适的数值方法、设置计算参数、求解数学模型、分析和可视化计算结果等。在机械设计中，常用的计算机模拟技术包括有限元分析、多物理场分析、多目标优化、拓扑优化、形态优化等。计算机模拟技术在机械设计中广泛应用，涵盖了各种机械零件和系统的设计和优化。主要应用领域包括零件强度分析、振动和噪声分析、热分析、流体力学分析、材料优化、结构优化、参数优化等。2机械零件设计与优化的基本流程机械零件的设计和优化是一个循序渐进的过程，需要遵循基本流程，并在每个步骤中进行充分doi:10.14031/ki.njwx.2023.08.01550的分析和验证，以确保最终设计满足性能要求和可行性要求。机械零件的设计和优化通常需要遵循以下基本流程：1)确定设计要求和性能指标。在开始设计前，需要明确设计要求和性能指标，例如，零件的尺寸、材料、强度、疲劳寿命、重量、成本等。2)建立数学模型。根据设计要求和性能指标，需要建立适当的数学模型，以描述零件的物理、化学或数学特性。常用的数学模型包括有限元模型、多物理场模型、优化模型等。3)进行数值模拟。利用计算机模拟技术，对建立的数学模型进行数值求解，并对求解结果进行分析和可视化。数值模拟过程中需要选择合适的数值方法和计算参数，以确保模拟结果的准确性和可靠性。4)分析和优化设计。根据数值模拟的结果,对设计进行分析和优化。例如，可以对零件的几何形状、材料、加工工艺等进行优化，以满足设计要求和性能指标。5)验证设计结果。设计优化完成后，需要进行验证，以确保设计满足性能要求并且可行。验证方法可以包括实验验证、仿真验证等。6)最终设计和制造。根据验证结果,进行最终设计，并制造零件。在制造过程中需要注意质量控制和工艺控制,以确保零件的性能和可靠性3基于计算机模拟的机械零件设计与优化关键技术基于计算机模拟的机械零件设计与优化需要借助多种技术手段，包括建模技术、数值模拟技术、优化算法、可视化技术和数据管理和处理技术等。这些技术的应用和结合，有效提高机械零件设计的效率和准确性，同时也可以更好地理解和优化机械零件的性能。3.1建模技术建模技术是基于计算机模拟的机械零件设计与优化的关键技术之一,是基于CAD（计算机辅助设计)等软件工具实现机械零件的三维建模，从而能对机械零件进行虚拟设计和优化，实现从设计到生产的全过程数字化（图1）。通过建模技术，可以有效地实现机械零件的快速设计和多样化生产，同时也能减少设计成本和时间，提高产品的质量和可靠性。目前,市面上常见的建模软件包括UG、So lid-Works、Pr o/E等，都具有直观易学、功能强大、兼容农机使用与维修性好等特点，被广泛应用于机械零件设计与优化领域。图1机械建模技术示意图3.2楼数值模拟技术数值模拟技术是基于计算机模拟的机械零件设计与优化的另一个重要技术。数值模拟技术是通过建立数学模型，采用数值方法对机械零件的结构、力学、热学等特性进行计算和分析,从而评估和优化机械零件的性能。常用的数值模拟方法包括有限元法、CFD（计算流体力学）、多体动力学等。其中，有限元法是应用最为广泛的数值模拟方法之一,它可以对机械零件进行复杂的结构和力学分析，预测机械零件的受力和变形情况，并提供优化方案。而CFD则主要应用于机械零件内部的流场分析和优化，例如，发动机燃烧室的流动分析和优化等。通过数值模拟技术，可以有效地减少实验成本和时间，降低产品开发风险，提高设计质量和产品性能。3.3优化算法优化算法是基于计算机模拟的机械零件设计与优化的另一个重要技术。优化算法主要用于寻找最优设计方案，以满足特定的设计要求和约束条件。常见的优化算法包括遗传算法、蚁群算法、粒子群算法、模拟退火算法等。遗传算法是一种仿生优化算法，模拟自然界的进化过程,通过基因的交叉、变异等操作生成新的个体,并利用适应度函数评估每个个体的优劣程度,从而筛选出优秀的个体进行下一轮的进化（图2023年第8 期402023 年第8 期2）。蚁群算法是一种群智能优化算法,模拟蚂蚁在寻找食物时的行为规律，通过蚁群中信息素的传递和更新，实现优化过程。粒子群算法则是模拟鸟群或鱼群的行为，通过粒子在搜索空间中的移动，找到全局最优解。模拟退火算法则是一种模拟物质在高温状态下的物理过程，通过温度的降低和能量的变化，实现逐步靠近最优解的优化过程确定实际参数集对参数集进行编码初始化群体评价群体是否满足停止准测YES结束图2 遗传算法优化原理4基于计算机模拟的机械零件设计与优化发展趋势随着科技的不断发展，基于计算机模拟的机械零件设计与优化也在不断发展和演进，未来的发展趋势可能包括以下几个方面：1)多物理场仿真。将多个物理领域进行耦合仿真，可以更加真实的模拟机械零件在各种复杂环境下的运行情况。2）人工智能技术。结合人工智能技术，可以让计算机更加智能地分析和优化机械零件的设计，同时也可以通过机器学习等方法，自动化地进行机械农机使用与维修零件设计和优化。3）虚拟现实技术。利用虚拟现实技术，可以更加直观地展示机械零件的运行情况，提高设计效率和设计质量。4)大数据技术。通过收集和分析大量机械零件的数据,可以更好地了解机械零件的设计和优化规律，提高设计师的决策能力和效率。5)云计算技术。将计算机模拟的机械零件设计和优化放到云端进行，可以提高计算效率和灵活性，同时也可以方便设计师进行协同工作。5结论基于计算机模拟的机械零件设计与优化已经成为现代机械行业的重要工具。通过利用计算机模拟技术,可以有效地提高机械零件的设计效率和优化质量，同时也可以降低设计和测试成本，缩短产品开发周期。当前，基于计算机模拟的机械零件设计与优化已经应用于机械、汽车、航空航天等领域,并且得到了广泛应用和认可。未来,基于计算机模拟的机械零件设计与优化将继续发展和壮大。随着科技的不断进步，计算机模拟技术将会更加成熟和智能化，能模拟更为复杂和真实的机械零件的运行情况，从而进一步提高设计和优化质量。此外，人工智能、虚拟现实、大数据NO遗传操作51和云计算等新兴技术的不断发展也将为基于计算机模拟的机械零件设计与优化带来新的机遇和挑战。预计未来,基于计算机模拟的机械零件设计与优化将逐渐向智能化、高效化和可持续化的方向发展，成为机械行业的重要组成部分。参考文献：1吴俊，楼越升.基于Deform机械齿轮加工成型计算机模拟 J.山东农业大学学报（自然科学版）,2 0 2 0，51(5):921-923.2魏志强，高峰，宋明伟.计算机模拟仿真在机械加工过程中的应用 J.机床与液压,2 0 0 9,37（4)：144-146.3叶友东，刘力红，杜鹏.计算机模拟仿真技术在机械原理教学中的应用 J.机电技术,2 0 19(2):10 6-10 8.4陈晓松.计算机模拟教学在机械制图中的实践 J.职业,2 0 0 7(2 3):32-33.5潘纹.计算机模拟机械运动过程探究 J.煤炭技术，2013,32(9):231-233.6彭小红.产品设计中机械机构运动的计算机模拟和分析 J.装备制造技术,2 0 0 7（2）：48-49+56.7赵继锋机械运动过程的计算机模拟 D.大庆：大庆石油学院,2 0 0 6.(05)