一、引言
計算機(jī)仿真技術(shù)是以多種學(xué)科和理論為基礎(chǔ)，以計算機(jī)及其相應(yīng)的軟件為工具，通過虛擬試驗(yàn)的方法來分析和解決問題的一門綜合性技術(shù)。計算機(jī)仿真（模擬）早期稱為蒙特卡羅方法，是一門利用隨機(jī)數(shù)實(shí)驗(yàn)求解隨機(jī)問題的方法。其原理可追溯到1773年法國自然學(xué)家G.L.L.Buffon為估計圓周率值所進(jìn)行的物理實(shí)驗(yàn)。根據(jù)仿真過程中所采用計算機(jī)類型的不同，計算機(jī)仿真大致經(jīng)歷了模擬機(jī)仿真、模擬－數(shù)字混合機(jī)仿真和數(shù)字機(jī)仿真三個大的階段。20世紀(jì)50年代計算機(jī)仿真主要采用模擬機(jī)；60年代后串行處理數(shù)字機(jī)逐漸應(yīng)用到仿真之中，但難以滿足航天、化工等大規(guī)模復(fù)雜系統(tǒng)對仿真時限的要求；到了70年代模擬－數(shù)字混合機(jī)曾一度應(yīng)用于飛行仿真、衛(wèi)星仿真和核反應(yīng)堆仿真等眾多高技術(shù)研究領(lǐng)域；80年代后由于并行處理技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字機(jī)才最終成為計算機(jī)仿真的主流?，F(xiàn)在，計算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)在機(jī)械制造、航空航天、交通運(yùn)輸、船舶工程、經(jīng)濟(jì)管理、工程建設(shè)、軍事模擬以及醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。
二、計算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)
對于需要研究的對象，計算機(jī)一般是不能直接認(rèn)知和處理的，這就要求為之建立一個既能反映所研究對象的實(shí)質(zhì)，又易于被計算機(jī)處理的數(shù)學(xué)模型。
數(shù)學(xué)模型將研究對象的實(shí)質(zhì)抽象出來，計算機(jī)再來處理這些經(jīng)過抽象的數(shù)學(xué)模型，并通過輸出這些模型的相關(guān)數(shù)據(jù)來展現(xiàn)研究對象的某些特質(zhì)，當(dāng)然，這種展現(xiàn)可以是三維立體的。由于三維顯示更加清晰直觀，已為越來越多的研究者所采用。通過對這些輸出量的分析，就可以更加清楚的認(rèn)識研究對象。通過這個關(guān)系還可以看出，數(shù)學(xué)建模的精準(zhǔn)程度是決定計算機(jī)仿真精度的最關(guān)鍵因素。從模型這個角度出發(fā)，可以將計算機(jī)仿真的實(shí)現(xiàn)分為三個大的步驟：模型的建立、模型的轉(zhuǎn)換和模型的仿真實(shí)驗(yàn)。
1．模型的建立
對于所研究的對象或問題，首先需要根據(jù)仿真所要達(dá)到的目的抽象出一個確定的系統(tǒng)，并且要給出這個系統(tǒng)的邊界條件和約束條件。在這之后，需要利用各種相關(guān)學(xué)科的知識，把所抽象出來的系統(tǒng)用數(shù)學(xué)的表達(dá)式描述出來，描述的內(nèi)容，就是所謂的“數(shù)學(xué)模型”。這個模型是進(jìn)行計算機(jī)仿真的核心。
系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)時間關(guān)系可劃分為靜態(tài)模型、連續(xù)時間動態(tài)模型、離散時間動態(tài)模型和混合時間動態(tài)模型；根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)描述和變化方式可劃分為連續(xù)變量系統(tǒng)模型和離散事件系統(tǒng)模型。對于數(shù)學(xué)建模的一些問題，西安交通大學(xué)的胡峰等人在《動態(tài)系統(tǒng)計算機(jī)仿真技術(shù)綜述（Ⅰ）——仿真模型》中有較為詳細(xì)的論述。
2．模型的轉(zhuǎn)換
所謂模型的轉(zhuǎn)換，即是對上一步抽象出來的數(shù)學(xué)表達(dá)式通過各種適當(dāng)?shù)乃惴ê陀嬎銠C(jī)語言轉(zhuǎn)換成為計算機(jī)能夠處理的形式，這種形式所表現(xiàn)的內(nèi)容，就是所謂的“仿真模型”。這個模型是進(jìn)行計算機(jī)仿真的關(guān)鍵。實(shí)現(xiàn)這一過程，既可以自行開發(fā)一個新的系統(tǒng)，也可以運(yùn)用現(xiàn)在市場上已有的仿真軟件，如鑄造過程就常用 MAGMAsoft軟件來進(jìn)行仿真。
3．模型的仿真實(shí)驗(yàn)
將上一步得到的仿真模型載入計算機(jī)，按照預(yù)先設(shè)置的實(shí)驗(yàn)方案來運(yùn)行仿真模型，得到一系列的仿真結(jié)果，這就是所謂的“模型的仿真實(shí)驗(yàn)”。
具備了上面的條件之后，仿真實(shí)驗(yàn)是一個很容易的事情。但是，應(yīng)該如何來評價這個仿真的結(jié)果呢？這就需要來分析仿真實(shí)驗(yàn)的可靠性。胡峰等人在《動態(tài)系統(tǒng)計算機(jī)仿真技術(shù)綜述（Ⅱ）——仿真結(jié)果分析》一文中提出了檢驗(yàn)仿真結(jié)果可靠性的兩種方法：置信通道法和仿真過程的反向驗(yàn)證法，可供參考。
三、計算機(jī)仿真在機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用
1．計算機(jī)仿真在復(fù)雜機(jī)械加工過程研究方面的應(yīng)用
機(jī)械加工過程，是機(jī)械行業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的基礎(chǔ)。利用計算機(jī)仿真，有助于發(fā)現(xiàn)其機(jī)理，為提高機(jī)械加工性能提供理論支持。如磨削方面，吉林大學(xué)的王龍山教授等提出了依賴于時間變化的描述磨削過程的各個數(shù)學(xué)模型，通過計算機(jī)模擬可以預(yù)測和估計磨削行為和磨削質(zhì)量，為磨削過程優(yōu)化、智能控制、虛擬磨削創(chuàng)造了必要的前提。李國發(fā)博士等研究了變進(jìn)給磨削過程磨削功率的模型，利用計算機(jī)仿真得到能夠應(yīng)用于實(shí)際磨削過程的最佳磨削方案。還有山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的王霖等研究了磨削溫度場的計算機(jī)仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對磨削溫度場的預(yù)測及優(yōu)化，為研究各加工參數(shù)對磨削溫度場的影響提供了理論依據(jù)。銑削方面，同濟(jì)大學(xué)機(jī)械工程系的李滬曾教授等建立了多齒端銑切削過程動力學(xué)模型，開發(fā)了切削振動仿真的微機(jī)通用軟件，采用數(shù)字仿真方法研究了平面端銑切削振動的原理和條件。佳木斯大學(xué)的任福君教授等研究了電火花切割多軸加工復(fù)雜曲面的計算機(jī)圖形仿真技術(shù)；上海交通大學(xué)的樓樂明博士等建立了電火花加工的工藝仿真系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了加工效果的預(yù)測、加工參數(shù)的優(yōu)化。擠壓成型方面，上海交通大學(xué)的儲燦東博士建立了連續(xù)擠壓的計算機(jī)仿真模型，并通過模擬實(shí)驗(yàn)得出了連續(xù)擠壓全過程的應(yīng)力場、應(yīng)變場和溫度場。
2．計算機(jī)仿真在汽車制造研究方面的應(yīng)用
汽車制造是機(jī)械行業(yè)的一個重要組成部分。它有很多實(shí)驗(yàn)課題，難度大、實(shí)地成本高，計算機(jī)仿真技術(shù)的引入，有效的緩解了這一方面的問題。如發(fā)動機(jī)方面，裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械系的畢小平教授等建立了多缸柴油機(jī)起動過程的計算機(jī)仿真模型，其仿真結(jié)果與實(shí)際測量值比較吻合，可用于多缸柴油機(jī)的起動性能仿真。江蘇理工大學(xué)的蔡憶昔實(shí)現(xiàn)了對進(jìn)氣管內(nèi)氣體流動的動態(tài)仿真，直觀描述了瞬態(tài)過程，為多缸發(fā)動機(jī)換氣過程的研究提供了有效的方法。汽車流場方面，華東理工大學(xué)信息學(xué)院的呂明忠博士等成功的模擬出了汽車尾流場的氣流分離和拖曳渦現(xiàn)象，建立了兩種車型的汽車外流場空氣動力學(xué)模型，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，取得了滿意結(jié)果。碰撞實(shí)驗(yàn)方面，浙江大學(xué)動力機(jī)械及車輛工程研究所的詹樟松博士根據(jù)汽車碰撞的事故形態(tài)與乘員傷害之間的規(guī)律，建立了乘員動力學(xué)響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，并開發(fā)出了相應(yīng)的仿真軟件，該系統(tǒng)可部分代替實(shí)車碰撞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行汽車被動安全性能的研究。其他方面，例如，汽車工程學(xué)院的熊堅(jiān)對汽車的制動過程進(jìn)行了仿真研究，一汽大眾汽車有限公司的姚革等通過仿真研究了汽車轉(zhuǎn)向的輕便性問題等。
3．計算機(jī)仿真在齒輪設(shè)計方面的應(yīng)用
齒輪是機(jī)械產(chǎn)品的主要基礎(chǔ)部件，對其進(jìn)行仿真研究具有重要意義，很多的科研工作者在這方面做了相關(guān)的研究。如太原理工大學(xué)的龐桂兵等采用 Visual Lisp語言從幾何角度討論了任意端面齒形的齒輪建模及其傳動仿真，山東礦業(yè)學(xué)院的張廣軍等利用計算機(jī)仿真研究了圓弧針齒行星傳動的動力學(xué)問題，南京航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院的曾英等通過計算機(jī)仿真探討了主動齒輪與刀具齒數(shù)差、齒數(shù)比、模數(shù)等主要參數(shù)對正交面齒輪傳動接觸點(diǎn)的影響。計算機(jī)仿真在齒輪泵的齒輪的設(shè)計與制造中，也有著重要的應(yīng)用。