仿真软件在机械系统设计中及应用

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1、机械系统中仿真软件的使用现状分析1.计算机仿真概述所谓计算机仿真就是建立系统模型的仿真模型进而在电子计算机上对该仿真模型进行模拟实验(仿真实验)研究的过程。计算机仿真方法即以计算机仿真为手段，通过仿真模型模拟实际系统的运动来认识其规律的一种研究方法。计算机仿真作为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, 随着系统科学研究的深入、计算机技术的发展,而成为一门新兴的学科。近年来, 随着信息处理技术的突飞猛进, 使仿真技术得到迅速发展。计算机仿真主要有以下三种仿真形式：（1）物理仿真：按照实际系统的物理性质构造系统的物理模型，并在物理模型上进行试验研究。直观

2、形象，逼真度高，但代价高，周期长。在没有计算机以前，仿真都是利用实物或者它的模型来进行研究的。    （2）半物理仿真：即物理数学仿真，一部分以数学模型描述，并把它仿真计算模型，一部分以实物方式引入仿真回路。针对存在建立数学模型困难的子系统的情况，必须使用此类仿真，如航空航天、武器系统等研究领域。 （3）数字仿真（计算机仿真）：首先建立系统的数学模型，并将数学模型转化为仿真计算模型，通过仿真模型的运行达到对系统运行的目的。现代计算机仿真由仿真系统的软件/硬件环境，动画与图形显示、输入/输出等设备组成。作为新兴的技术方法，与传统的物理实验相比较，计算机仿真有着很多无可替代的优点：1）模

3、拟时间的可伸缩性由于计算机仿真受人的控制，整个过程可控性比较强，仿真的时间可以进行人为的设定，因此时间上有着很强的伸缩性，也可以节约实验的时间,提高实验的效率。2）模拟运行的可控性由于计算机仿真以计算机为载体，整个实验过程由计算机指令控制进程，所以可以进行认为的设定和修改，这个实验模拟过程有较强的可控性。3）模拟试验的优化性由于计算机仿真技术可以重复进行无限次模拟实验，因此可以得出不同的结果，各种结果相互比较，可以找到一个更理想更优的问题的解决方案，可以作为优化实验，选择相应的方案。目前，计算机仿真技术不但是科学研究的有力工具，也是分析、综合各类工程系统或非工程系统的一种研究方法和有

4、力手段。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。 2.机械系统中仿真软件的应用随着机械生产设计过程中对于产品质量、可靠性的要求不断提高，首先通过一定的计算机软件进行仿真已经成为必不可或缺的一步，而且明显可以缩短产品的设计周期，减小故障率。一般在机械系统中，计算机仿真主要应用于结构设计，控制系统设计，液压系统设计，机构设计等等。现从机械系统中关于机械结构，动力学以及液压系统方面作业介绍。2.1基于ANSYS的机械结构仿真ANSYS软件作为应用有限元理论成功的大型CAE软件之一，已经渗透到各个工程领域。它

5、既可以求解静力学问题，也可以求解动力学问题；既可以求解固体力学问题，也可以求解流体力学问题；既可以计算稳态热力学问题，也可以处理瞬态时间响应；因此，对结构设计人员来说，CAD/CAE一体化设计是实现这两个方面的保证之一。通过ANSYS软件的分析技术，可帮助工程设计人员在结构设计或生产之前预测、仿真、计算结构的性能，从而提高性能质量，降低设计成本，节约资金，缩短投放市场的时间，提高竞争能力。ANSYS分析流程如下：对一般机械结构进行有限元分析，要经过载荷分析、建立模型、确定边界条件、输入材料特性、有限元计算等几个主要环节。在利用ANSYS软件进行有限元分析前，要对结构载荷进行分析，确定

6、传力途径和分析的状况，同时根据载荷的不同类型，确定有限元分析所采用的准则和规范。在建立有限元模型过程中应注意以下四点：(1)模型简化建立有限元模型过程中最重要的一点是对原结构进行合理简化。要做到合理，就要求结构分析人员具备一定的力学知识、有限元知识和实际工作经验。(2)网格划分在网格划分时，应注意粗细得当。结构复杂、应力水平较高或应力集中的区域网格划分应尽量细些；结构简单、应力水平较低的区域网格可以划分粗些。此外，在不影响求解精度的情况下，以尽量简化分析模型为原则，如能用二维单元就不使用三维单元，能使用低阶单元就不使用高阶单元。(3)正确选用单元形式ANSYS单元形式非常多，而且每种

7、单元类型又依据其节点数、边界描述不同等分作若干种类。(4)确定边界边界条件是对结构固定方式的模拟。在对结构进行分析时，要注意正确使用边界条件。尤其是对对称结构、反对称结构、循环对称结构等进行分析时，应特别注意正确使用边界条件。在处理结构的边界条件时，要注重使用MPC，它为我们提供了表达边界条件的多种方式。如在处理铰接（旋转，万向节）、滑动等情况时，MPC是强有力的工具。此外，还要考虑边界条件对分析结果的影响。ANSYS作为CAE领域的先行者，是最早通过IS