浅谈计算机仿真技术论文

浅谈计算机仿真技术论文
摘要：目前，计算机逐渐被普及到生活生产各个方面，并逐渐被拓展至化工行业内应用，计算机仿真技术化工行业内应用范围渐渐被扩大，某种特殊程度上促进化工行业可持
续发展。

本文由计算机仿真技术化工行业应用角度阐述该技术优势，以及对其应用必要性，希望可以对相关工作者带来一些启示。

关键词：计算机仿真技术;化工;应用
伴随科学技术逐渐发展进步，化工行业设施装置逐渐趋于大型化、复杂化发展，自动
化水平逐渐提升，操作要求更加严格。

需要相关操作人员与技术人员渐渐提升自身业务能
力与水平，不单确保生产设备能够稳定安全与长期运行，还需要有关工作者对于发现事故
做到尽快合理处理，争取避免有所损失。

在化工行业里，传统培训体系偏向于师傅带领徒
弟传帮带形式，而有关工作人员对于故障处理的能力，通常要靠长时间实践积累为主，还
要具备资历师傅将其所掌握的原封不动传授给徒弟。

该方式比较真实，但却受到授培训时
间与周期限制，培训内容缺少丰富性，某种程度上有可能增加相关工作者独立上岗时间，
不符合生产技术可持续发展与生产装置更新所需。

1应用计算机仿真技术重要性
化工行业常需要针对部分具体工程设备与工艺流程予以操作，才逐渐深入至岗位操作
人员，然后通过培训，培训工作通常结合实物挂图与微缩器具将知识传授出去，传授过程
比较枯燥。

实物挂图与教具基于实用因素与经济因素，并不选择大尺寸，致使所有培训工
作人员详细掌握相关操作与原理。

结合3D技术绘制能够让设备形象更趋于逼真化，可做
任意旋转，使培训工作人员可实现全方位观察工艺与设备[1]。

结合Flash技术制作设备
动画有效代替挂图，对设备动态进行演示的时候更为生动形象，帮助相关人员针对设备工
作原理予以掌握，能够很好带动培训人员热情。

并且，使用设备较为方便，对使用要求可
以很好满足。

2基于计算机仿真技术化工数据模型
结合计算机做仿真模拟，是把化工过程数理带入计算机当中，接下来经计算机把工艺
过程进行模拟与反映。

所有原理基于人为因素转变，可以得到与之匹配反应过程与反应结
果变化值。

通常情况下它存在下述优势。

其一，友好人机交互界面。

当前，诸多化工业模
拟软件设计规则都以微软公司为基础，使相关工作者能快速上手并投入相关操作中，让相
关人员感到轻松便捷，培养浓厚实验兴趣，并充分调动起工作积极性与能动性。

其二，对
工程装备的性能反应较为真实[2]。

要充分分析化工设备反应过程，建立同它相互匹配模型，凭借实验把所有过程全权反映出来，对操作工人熟练快速掌握操作技能非常有利。

我
们在下述文章中列举一个化工工业常会涉及到的一个模型，希望可以供相关操作人员参考。

计算机仿真系统具有许多特点，如重复、复杂性和多个，20世纪50年代初，西方国家一
直在计算机仿真系统的动态和静态特性进行了研究，并取得了非常重要的影响。

仿真系统
对我国化工行业也进行了一系列的设计和研究，但也限于静态研究范畴。

3针对电子数字方面的研究
基于计算机仿真系统的特点，可以把它看作是非线性的本质，及其相对高阶的时候，
分析方法和经典控制理论，计算机模拟在化工系统动态性能研究是非常困难的[3]。

本文
通过计算机在电子数字计算机系统微积分方程，计算，介绍了结合时域动态性能指标体系，这将最终调整方案出来。

第一，系统是稳定的;第二，在数值计算时，系统的输入值等于
0.0123;第三，在排除干扰因素，把化学工作在正常状态;第四，干扰因素考虑在内的情况下，各种干扰因素也作为单独的个体来处理。

本文通过预测校正格式，欧拉方法是迭代微
分方程数值积分计算。

4计算机仿真系统的改进方案
当前，化工仿真系统应用范围很广，但由于化工设备操作和较大的工艺流程不同，当
前的仿真软件，仿真机器，更好的培训新员工无法满足，因此，未来的新的仿真技术和仿
真软件的发展空间仍然是大[4]。

未来，应该与自动控制理论相结合，适当参考校正环节
能有效地改善系统动态性能的质量，使其有较高的稳定性和抗干扰能力。

可以连接到气体
的输入端仿真系统的微分和积分负反馈环节，最终会使动态性能大大提高，它相当于系列
的介绍和链接。

我们计算的结果可以看出，只要相应的参数选择正确获得超出预期的效果。

微分和积分部分的结构可以被视为一种天然气供应预感桥，放置在相同的速度管道温度传
感器已经变成一座桥两个手臂，表达时间常数很小，时间常数相对较长。

仿真系统的输入
结构的负面反馈链接到系统具有更好的动态性能。

基于基本知识理论，修正的链接对系统
控制精度的影响，通过计算结果我们可以看到，只要精心挑选的组件参数，达到理想的效
果是指日可待。

我们提倡这项计划的最明显的特征是它简单易操作，换句话说，只要其中
一个传感器连接到导管，同时本文串并联在同一桥臂上面的。

连接到放大器的输入和先进
的网络，结合线性系统的自动控制原理做提前修正原则，与放大器的输入电阻和电容组成
先进的网络，可以很好的改善系统的动态品质。

讨论上述3种改进方案是基于先进的理论
为基础，由计算结果可以看到，他们所有的3种基本上可以改善系统的动态品质。

第一种
和第二种的系统还可以明显改善方案来提高抗干扰能力。

和改进项目的这些类是基于现有
技术的前提下，没有相对比较容易实现的障碍。

当然，想把他们对实际系统的引用，还需
要很长一段时间。

5结语
目前，计算机仿真技术生产与培训方面应用比较多，所以，要着重强化对仿真软件与
仿真机器开发设计，计算机仿真技术进一步推广，要对该项技术加速深化，让它的应用范
围与性能得以提升。

计算机仿真技术应用，促进高新技术更进一步发展，促进科学技术加
速发展，同一时间为化工行业提供更为广阔发展空间。

未来可持续发展当中，化工行业把
握计算机仿真技术应用措施，为企业赢得更多收益。

参考文献：
[1]余小花.基于计算机仿真技术的自动化物流系统设计[J].自动化与仪器仪
表,202112：66-67+70.
[2]李晶,侯倩倩,田彬.浅谈计算机仿真技术在我国公铁联运物流系统中的应用[J].通
讯世界,202122：3-4.
[3]杜静.关于计算机模拟仿真技术在物流自动化系统的相关研究[J].物流工程与管
理,20211：97-98.
[4]赵冉,朱西方.仿真技术在高职计算机网络教学中的应用探讨[J].河南科技,20211：282.
[摘要]
随着汽车发动机及排放技术的发展，催化器的设计也对工程师提出了越来越高的要求，本文主要介绍了计算机仿真技术，特别是CAE和CFD技术在汽车催化转化器设计中的应用。

CAE以及CFD技术的应用，大幅缩短了汽车催化器设计的周期，且降低了设计成本，使催
化器产品的可靠性得到显著提升。

相关的分析工作表明催化器支架设计前，应首先对整体
结构的模态进行评价，根据振动形式的分布来确定支架的布置方向;流场的合理性对产品
的性能产生重要影响，载体前端部分要尽量避免过小的转弯半径导致的紊流现象。

[关键词]CAE;模态;刚度;冲压工艺
1前言
近年来，随着汽车产业的高速发展，汽车已经走进众多的家庭，正逐步从奢侈品变为
城市生活的必需品。

汽车产业的发展带给人们出行便捷的同时，也带来了日益严重的环境
问题，对人体健康造成了损害[1]。

因此尾气排放成为了评价整车性能的重要标准。

国Ⅳ、国Ⅴ排放标准的制定和执行，愈发体现出了催化器对整车性能的重要性，随着发动机技术
的不断发展，对催化器的设计也提出了更高的要求，紧耦合式歧管、涡轮增压技术都使催
化器的结构朝着异形化的方向发展，催化转化器在设计中不但要满足高温、强震动下的刚
度要求，更要实现最优化的内部流场结构。

2模态分析对结构设计的影响
作为汽车发动机排气系统的重要组成部分，催化器决定了汽车排放性能的优劣。

随着
汽车排放标准的不断提升，催化器的位置也越发靠近发动机热端，目前常见的排放系统，
常常将催化器布置在发动机排气歧管或是涡轮增压器的出口位置，这也使得催化器处于高温、强振的工作环境中。

为了满足排气系统的使用寿命的要求，在催化器的设计阶段，就
必须考虑结构的强度、刚度和耐久性能，而这其中，催化器的模态对催化器的性能至关重要，目前的四缸发动机设计准则中，一般要求催化器在高温下的一阶模态达到210Hz[2]。

2.1边界条件的设定
2.1.1温度边界条件催化器是一种典型的流固耦合模型，尾气的高温对催化器的性能
有很大的影响，根据材料力学性能的试验数据，800℃时的不锈钢材料性能大约只有常温
下材料性能的1/6，因此进行模态分析时必须要考虑温度场带来的影响。

由于发生化学反应，使得载体区域壁面温度较高，约为800~900℃，非载体区域的壁面温度在400~500℃
之间。

2.1.2材料属性的定义在模态计算时，需要定义的材料属性有弹性模量、泊松比以及
材料的密度，这其中弹性模量随温度的升高会产生明显的下降。

通过实验手段测得不锈钢
材料弹性模量随温度的变化关系，根据实验数据曲线拟合成二次多项式：将此公式作为模
态分析时弹性模量的输入。

材料的密度随温度的变化并不明显，因此按照常温下的材料密
度值进行设定，泊松比一般取在0.2~0.3之间。

对于排气管内的气体，假设其为理想气体，是单向的牛顿流体，在进行计算时，设定其可压缩性对计算结果会产生明显影响，马赫数MH=V/a，V为当地速度，a为当地音速;当MH<0.3时，为不可压缩，当MH≥0.7时肯定为
可压缩流体，如果用不可压缩法计算，结果就会有明显的差别[3]。

2.2计算结果
2.2.1初始设计结构在初始设计中，考虑到发动机安装空间的情况，将催化器支架设
计成为图1中右侧的结构，该支架与中间段轴线呈倾斜布置，该方案的一阶模态160Hz，
没有达到催化器的设计要求。

而在后续的台架试验中，催化器的确在在中间段位置出现了
多次断裂。

说明该设计方案的确不能满足刚度要求。

改进方法主要针对催化器支架进行，
通过对支架的位置、走向进行优化及整体刚度的调整[4]。

2.2.2改进方案将支架设计成了对称的“双L”型结构，并且支架的布置方向与中间
段轴线垂直。

该支架作用下的整体模态达到300Hz，满足设计要求，并且支架没有增加安
装孔位，便于装配。

该方案在台架试验中也取得了良好的效果，200小时振动耐久试验以
及250h热冲击试验均达到了满意的效果;另外，良好的装配工艺性，也在后续的量产中收
获了不错的效果，装配效果更加稳定。

2.3模态计算与支架设计
通过多个类似催化器支架的设计，得到这样的设计经验：支架的走向对整体结构的模
态有明显的影响。

产品振动的角度和中间段轴线基本垂直，这恰好与改进方案中的支架走
向一致;而初始设计方案中的支架走向与催化器主体结构的振动方向存在一定的角度，从
而影响了支架的效果，使刚度无法满足要求。

因此，我们在催化器支架的设计初期，首先
要关注主体结构的振动形式，并根据振动的方向来设计支架走向，保证催化器支架能最大
限度的提升整体结构的刚度。

3CFD分析对催化器流道设计的影响
催化转化器的内部流场结构会对排气性能产生很大影响，在设计时需要充分考虑流场
对气流走向、压力损失、流速均匀、载体前端流场偏心等参数的影响。

在早期的排气系统
设计中，设计师更多通过经验来判断流场的结构是否合理;而随着CFD技术的不断发展，
人们已经能通过计算机仿真来真实的模拟流场内部的气流情况。

图2是某涡轮增压发动机
催化器的设计方案，由于装车环境的限制，流场在前锥出现较大拐角。

通过CFD分析，我
们得到了图2所示的流场分布结果。

能够看出，流场在载体及后锥等部分气流速度分布规则、流场均匀，而在前锥位置，由于过大的拐角，导致气流在拐弯后的锥形区域形成涡流。

载体前部涡流会影响流入载体截面气流的均匀性，影响催化转化效果;另外，严重的涡流
可能会加快衬垫的吹蚀，造成载体堵塞等严重失效。

因此，我们对催化器前锥进行了优化，我们发现，气流在拐弯后没有足够的直线管道来帮助气流方向恢复稳定，因此优化时应该
考虑在拐弯后增加适当的直线管路;另外，气流在拐弯内侧部分气流速度最大，并在该处
形成离心现象，导致后方气流整体向下偏移，影响载体截面气流的偏心率，所以增大拐弯
半径，降低气流的离心现象，也会对整体气流有优化作用;最后我们发现，过大的锥形区
域也给涡流的产生提供的空间，设计时合理的减小该锥形空间，能够减小涡流产生的规模，提高整体流场的稳定性。

根据该思路，对催化器前端的结构进行了优化，综合考虑各个因
素后，将载体向后平移了15mm，这样就为催化器前端创造了更大的空间，考虑到尽量减小锥形区域，因此设计成图3所示相对扁平的锥体结构，再配合一根弧度更大的弯管，完成
了优化后的方案。

优化后的流场在催化器前端的流动更加平稳，由于弯管的弧度增大，气
流在拐弯前后的分布更加均匀，锥形空间的减小也大大限制了涡流区域的影响，通过进一
步计算，该方案气流在载体截面的均匀度为0.98、偏心率为0.1，应该说流场的分布情况
满足了设计要求。

4结论
1在催化器支架设计时，应充分考虑整体结构在发动机上的布置形式、布置方向及其
随发动机工作时的主要振动方向，催化器的主要振动方向是其刚度的薄弱方向;
2催化器支架设计前，应首先对整体结构的模态进行评价，通过CAE手段得到其整体
结构在各阶固有频率主要是一阶固有频率下的振动形式，根据振动形式的分布，来确定支
架的布置方向;
3流场的合理性对产品的性能产生重要影响，载体前端部分要尽量避免过小的转弯半径，小半径弯管不但工艺实现比较复杂，对流场的均匀性也带来不利影响;另外，在角度
突变的区域应该避免出现较大锥形空间出现。

[参考文献]
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[2]赵海澜.汽车排气系统悬挂点优化[J].计算机辅助工程,2021.
[3]李湘华,张小娇.柴油机排气歧管流场分析与结构优化[J].柴油机,2021.
[4]吴永桥,鄢奉林.汽车排气总管的静力分析和模态分析[J].汽车工程,2000.
[5]宋学官.ANSYS流固耦合分析与工程实例[M].北京:中国水利水电出版社,2021.
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