系统仿真结课作业

系统仿真导结课作业

一、概述

建模与仿真技术已成功地应用于航空航天、生产制造、交通运输、信息、生物、医学、材料、能源、教育、军事、社会、经济等众多领域;并成功地应用于产品研制的全生命周期,包括需求分析、方案论证、概念设计、初步设计、详细设计、生产制造、试验试飞、运行、维护、训练等各个阶段。仿真科学与技术正是从其广泛的应用中获得了日益强大的生命力，而仿真技术的发展反过来使得其得到愈来愈广泛的应用。

广义而言,仿真是采用建模的方法和物理的方法对真实环境客观事物进行

抽象、映射、描述和复现。基于系统原理、理论、定律、系统数据等应用计算机技术、软件技术和信息技术建立仿真环境(虚拟环境) ,在仿真环境中对客观事物进行研究。客观事物包括真实环境中的实体/系统、自然环境(地形、大气、海洋、空间)、和人的行为(操作、决策、推理)。仿真环境包括模型、数据、软件、物理效应设备、计算机等。

计算机仿真的三要素是系统、模型、计算机，三个基本活动是模型设计、模型执行、模型分析。计算机仿真的三要素和三个基本活动的关系关系如图1

所示。

系统

模型设计模型分析

模型执行

模型计算机

图1

从模型设计到模型分析经历的过程，即对实物进行仿真可概括为以下几个方面：

1) 问题的描述;

2) 建立概念模型;

3) 建立仿真模型;

4) 收集数据;

5) 编写程序;

6) 在计算机进行模型试验;

7) 模型和数据的验证;

8) 仿真结果显示;

9) 仿真结果分析和评估。

仿真是建立模型在计算机上运行,但这属于数学仿真,随着技术的发展,许多应用

领域建立仿真系统时除了模型外还要求将实物和人员包含在仿真回路中。

由此可见，基于仿真设计与传统设计的方法和流程两者有很大区别(图2) ,基于仿真设计可以在计算机上建立虚拟样机,对产品的外形、结构、强度、动力

学进行分析设计,满足技术要求后建立实物样机或直接制造产品,可以大量缩短产品研制周期,降低成本。基于仿真设计或虚拟样机技术可以多学科综合、系统集成,提高有效性。

二、应用实例

1.系统仿真在天文望远镜设计中的应用

天文望远镜系统仿真是基于天文望远镜设计中三大基本模块：光学系统设计、机械结构设计及分析和自动控制系统设计的常用软件，并基于规定的数据结构和输入输出格式，建立各自相对独立的模型，通过编制计算机程序将三者相互关系有机地联系起来构成一个集成的望远镜系统的设计和分析模型。考虑外界环境的影响，诸如热、风、地震等载荷，通过软件模拟或实测数据的方式加入该集成模型。据此对望远镜进行仿真分析得到各种响应乃至最终成像质量，评价望远镜工作性能和优化设计方案。这种系统仿真技术的引入，使得在天文望远镜设计中可有效地对望远镜设计方案进行整体性价评估和方便迅速地进行优化改进，具体地，可概括为以下诸方面：

1) 识别影响系统性能的关键因素；

2) 验证设计之初某些探索性假设；

3) 从系统层面上来优化和平衡各子系统的设计；

4) 从系统层面上来权衡和克服各种干扰因素；

5) 方便某些器件/设备的指标确定和选型，寻求更有效的提升望远镜性能的方法，优化设计方案；

6) 在项目执行较早的阶段即可仿真以评价望远镜工作性能，并且逐步修正模型，直到项目结束。

子系统建模包括光学系统、机械结构系统和自动控制系统三大基本模块的计算机模型建立，参见图3，以机械结构模型为例，一般采用有限元软件ANSYS

的参数化设计语言建立望远镜的有限元模型。采用参数化建模便于调整设计和后续优化设计。通过有限元模型可求解望远镜在重力、风载以及地震破坏等载荷下的响应，更为重要的是，通过有限元模态计算提取望远镜的固有频率和振型，将望远镜机械结构有限元模型转化为状态空间方程，以供控制仿真分析。

图3

为使集成化模型可接受外界干扰因素和载荷的作用并自动进行分析，需要建立相应的计算机模型进行模拟。外界干扰因素和载荷主要指重力、风载及热、大气扰动和地震作用等。以风载为例，风载模型的建立涉及风载的物理描述以及在望远镜有限元模型上作为边界条件的实施。。风速是随机变量，因此风载是随机载荷，计算分析中一般采用功率谱描述风速，并转化为风压功率谱分别作用于望远镜结构的有限元模型上进行分析，一般分为静风载和动风载两部分来考虑。将随机风速写为)()(t v t V V z +=，即平均风速与随机风速之和，则风压可按(1)式计算：

式中，C D 为风阻系数，为空气密度。舍去高阶小项，上式可改写为静风压P 和

随机风压之和：

其中静风压P 可直接作用于望远镜有限元模型进行分析，而一般用Davenport 谱或Simiu 谱(风速功率谱)来描述随机风的运动模型。后者为

式中，n 为频率，V z 为离地高度z 处的平均风速，f 无量纲频率函数，u f

为地面摩擦剪切风速函数。考虑到结构的影响，上式还需要虑及空气动力衰减因子

，于是，可得到随机风压的功率谱：

上式即可用于有限元分析。图4 为风速2m/s 的风压谱曲线。

在望远镜的系统仿真中还包括模型集成、模型简化、数据储存和显示、还涉及计算机编程技术、软件接口技术、计算技术乃至并行计算等技术。

2.基于数值仿真技术的单颗磨粒切削机理

磨削过程是磨具表面大量形状各异的磨粒参与的多刃切削过程。单颗磨粒切削研究是认识复杂磨削作用的重要手段，但是单颗磨粒切削试验的实施和物理量的测量存在一定的难度。

2.1 单颗磨粒切削物理模型

图1表示单颗磨粒去除材料的物理过程。磨粒被简化为带有圆头的圆锥，随着磨粒以水平速度v 切入工件材料，一部分工件材料在磨粒前端产生了塑性变形，产生塑性变形的材料有两种流动形式：产生切屑和在磨粒两侧的塑性隆起；另一部分工件材料从磨粒下方流向磨粒后部并发生弹性回复。