2010数字化仿真技术

1
仿真研究 实验研究 理论研究
仿真
2
理论研究
实验研究
科学研究
科学研究 仿真研究
3
1、被包含 2、支持但非独立 3、独立、对等 独立、
科学研究 理论研究 实验研究
仿真对科学与技术的进步做出了里程碑性贡献。 仿真对科学与技术的进步做出了里程碑性贡献。
——天气预报——短期预报到中长期预报 ——温室效应——二氧化碳排放
模型测试阶段。 2 模型测试阶段。 定义：模型测试阶段设计好仿真实验方案，运行仿真 模型，进行仿真实验，并分析仿真结果；然后根据分 析，进一步修正系统数学模型和仿真模型。此阶段的 关键技术是仿真软件技术。 连续系统的仿真模型：常微分方程（各种数值积分法 求解）、传递函数、偏微分方程（有限差分法、蒙特 卡罗法、有限元法等）。 离散时间系统的仿真模型：概率模型。 离散系统的仿真一般是数值试验的过程，即测试参数 符合一定概率分布规律时系统的性能指标。
评价仿真软件性能的重要标准： 评价仿真软件性能的重要标准：能否与数字化设计与 制造软件之间实现信息资源共享、减少重复建模工作。 制造软件之间实现信息资源共享、减少重复建模工作。 目前多数的仿真软件都具备这样的标准。 目前多数的仿真软件都具备这样的标准。 另外，CATIA、UG、Pro/Engineer等高端数字化设计 另外，CATIA、UG、Pro/Engineer等高端数字化设计 与制造软件纷纷向支持产品全生命周期（PLM）的方 与制造软件纷纷向支持产品全生命周期（PLM） 产品全生命周期 向发展，除设计与制造功能模块外， 向发展，除设计与制造功能模块外，也集成了很多仿 真模块，使用户在相同的软件环境下完成产品的设计、 真模块，使用户在相同的软件环境下完成产品的设计、 分析、制造及装配等环节的开发， 分析、制造及装配等环节的开发，有利于加快开发速 提高开发质量。 度，提高开发质量。
问题的阐述 设置目标及完整的项目研究计划 建立模型 编程序 否 收集数据
系统分析
仿真 研究 步骤
否
程序验证 是 模型确认 是 试验设计 运行与分析 进一步运行 否 输出结果 仿真结束
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
模型构造 否
是
是
模型运行
输出结果
1.3 数字化仿真软件
传统的仿真软件多采用面向应用和以语言为中心的 开发模式。 开发模式。 缺点：应用范围窄、适应性差、 缺点：应用范围窄、适应性差、可扩展性和可维护 性差。 性差。 现在仿真系统的特点：规模日益扩大、 现在仿真系统的特点：规模日益扩大、结构趋于复 向分布式仿真发展。 杂、向分布式仿真发展。 现代仿真软件开发广泛采用技术： 现代仿真软件开发广泛采用技术： 开放式结构。数据结构标准化， （1）开放式结构。数据结构标准化，使软件能适用于 多种网络接口、通信标准和操作系统， 多种网络接口、通信标准和操作系统，提高系统的 适应性和可维护性。 适应性和可维护性。
仿真技术在系统研制各个阶段的应用内容如表1： 表1 仿真技术在系统研制中的应用 阶 段 应用内容
对设计方案进行技术、经济分析及可行性研究、选择合理的设计方案 对设计方案进行技术、经济分析及可行性研究、 建立系统及零部件模型，判断产品外形、 建立系统及零部件模型，判断产品外形、质地及物理特性是否满意 分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪声、 分析产品及系统的强度、刚度、振动、噪声、可靠性等性能指标 调整系统结构及参数， 调整系统结构及参数，实现系统特定性能或综合性能的优化 刀具加工轨迹、可装配性仿真，及早发现加工、 刀具加工轨迹、可装配性仿真，及早发现加工、装配中可能存在的问题 系统动力学、运动学及运动性能仿真，虚拟样机试验， 系统动力学、运动学及运动性能仿真，虚拟样机试验，以确认设计目标 调整系统结构及参数， 调整系统结构及参数，实现性能的持续改进及优化
图1
数字化仿真的基本步骤
1 系统建模 仿真是一种基于模型的实验活动。
（1）建立数学模型阶段。 建立数学模型阶段。
根据仿真目标，分析仿真对象，经过抽象和简化，建立系 统的数学模型。这一阶段的关键技术是数学建模方法学。 建模注意：准确把握系统的结构和机理，提取关键的参数和特 征，并采取正确的建模方法。提炼出真实系统的本质特征。 数学建模分类：①演绎法。从一般到特殊，即根据普遍原理推 导出被仿真对象的特殊描述。 ②归纳法。从特殊到一般，利用对真实系统的实验数据建立系 统模型。
1.1 仿真技术及其分类
仿真
实物仿真
仿真就是将所研究的对象 用其它手段加以模仿的一 种活动。
如曹冲称象、军事演习、 飞行器风洞试验、核爆炸 试验等，属于实物仿真的 例子。
{ 非实物仿真
按仿真模型不同分类：物理仿真，数学仿真，物理数学仿真。 物理仿真：通过构造实物模型，利用相似理论进行仿真求解； 数学仿真：则是用数学的语言、方法去近似地刻画实际问题，
表1 支持机械产品开发的数字化仿真软件
软件名称 金银花V-CNC 金银花 PAM-CAST、PROCAST 、 PAM-CRASH MATLAB SIMPACK Moldflow ANSYS COCMOS HSCAE,HSC-FLOW Z-MOLD COPRA 公司名称 广州红地技术有限公司 法国ESI Group 法国 法国ESI Group 法国 美国Math Works.lnc 美国 德国INTEC Gmbh 德国 美国Moldflow Pty Ltd. 美国 美国ANSYS，Inc. ， 美国 美国SolidWorks Corporation 美国 华中科技大学 郑州工业大学 德国Data M Software GmbH 德国 主要应用领域 数控编程及加工仿真系统 铸造成型仿真系统 碰撞、 碰撞、冲压仿真软件 控制系统仿真语言及系统 机械系统运动学、 机械系统运动学、动力学仿真系统 注射模具成形仿真软件 结构、 结构、热、电磁、流体、声学等仿 电磁、流体、 真软件 机械结构、 机械结构、流体及运动仿真软件 注射模具仿真分析软件 塑料模具仿真分析软件 辊压成形仿真软件
如果温室气体排放仍以目前的速度继续下去，北 极的冰层将在2040年夏季来临时不复存在（英国） 飓风的力量主要取决于海洋的表面温度升高约2 ℃。如果二氧化碳的含量增加一倍的话，季节性的袭 击世界各地海岸线的飓风的力量可能增加50%。（美 国） ——全面禁止地下核实验——核爆炸仿真 ——分布交互仿真SIMUNET——HLA——虚拟战场 ——制造——波音777研制——虚拟样机 ——……
（2）“事件驱动”的编程方法。早期是“顺序驱动”， 程序结构缺少灵活性；“事件驱动”将复杂多变的与 仿真对象有关的数据和结构信息做为驱动事件分离出 去，主程序中为通用性强、相对固定的程序结构，使 系统灵活性增加。 （3）模块化建模。是实现事件驱动编程的基础，可以提高
代码利用率，有利于减少软件规模，适应了面向对象编程。
长江三峡工程 计算机仿真的基本概念
三峡水库总库容393 亿立方米，总装机容量 1820万千瓦，将是世界上最大的水电站。 但是三峡的安全问题是一个很重要的问题，我 们不可能等到建好后再看它的安全性，用计算机仿 真就可以很好的解决这一问题。
飞机设计
计算机仿真的基本概念
飞机设计中有一个重要环节：风洞试验。 实际的风洞试验费用巨大。 使用计算机仿真进行模拟风洞试验，使费用大大降低。
概念化设计 设计建模 设计分析 设计优化 制造 样机试验 系统运行
随着计算技数学的成熟和计算机技术的发展，利用计 算机使得数学模型的求解变得更加方便、快捷和精确， 能解决问题的领域也大大扩展了。人们越来越多的通 过数学模型、应用计算机来进行仿真研究，进而形成 计算机仿真技术。 计算机仿真的实质：仿真过程的数字化，也称数字化 仿真（Digital Simulation，DS）。 计算机仿真技术把现代仿真技术与计算机发展结合起 来，通过建立系统的数学模型，以计算机为工具，数 值计算为手段，对存在的或设想中的系统进行实验研 究。
在我国，自20 世纪50 年代中期以来，系统仿真技术 就在航天、航空、军事等尖端领域得到应用，取得了 重大的成果。自20 世纪80 年代初开始，随着微机的 广泛应用，数字仿真技术在自动控制、电气传动、机 械制造、造船等工程技术领域也得到了广泛应用。 与传统经验方法相比，计算机仿真的最大的优点是： 无需建立物理样机和进行物理测试的前提下，它可以 使设计者和工程师提前发现设计缺陷和错误，从而极 大地降低产品的开发成本、缩短产品的开发周期。已 经成为产品开发不可或缺的手段。
研究对象、数学模型、仿真模型之间的关系。 图2 研究对象、数学模型、仿真模型之间的关系。
研究对象： 研究对象： 已有或设计中的系统
数学建模 仿真建模 仿真试验
数学模型： 数学模型： 系统的几何及数学模型
仿真模型： 仿真模型： 仿真算法及程序
图2
研究对象、数学模型、 研究对象、数学模型、仿真模型之间的关系
1.2 数
真 基
骤
数字化仿真：在计算机上将描述实际系统的几何、数 学模型转化为能被计算机求解的仿真模型，并编制相 应的仿真程序进行求解，以获得系统性能参数的方法 及过程。计算机仿真概括地说，就是一个“建模—实 验—分析—修正”的流程。如图1所示： — —
实际系 实际系统 数学建 数学建 真建 真实验 真结果 真结果
3 仿真结果分析 目标：从仿真试验中提取有价值的信息， 目标：从仿真试验中提取有价值的信息，以指导实 际系统的开发。 际系统的开发。 过去： 过去：仿真软件的仿真结构多以大量数据的形式输 出，需要研究人员花费大量的时间整理、分析仿真 需要研究人员花费大量的时间整理、 数据、以得到科学结论。 数据、以得到科学结论。 现在：仿真软件广泛采用了图形化技术，通过图形。 现在：仿真软件广泛采用了图形化技术，通过图形。 图表、动画等形式显示被仿真对象的各种状态。 图表、动画等形式显示被仿真对象的各种状态。 优点：使仿真数据更加直观、丰富、详尽， 优点：使仿真数据更加直观、丰富、详尽，有利于 对结果的分析。 对结果的分析。
（2）建立仿真模型阶段。 建立仿真模型阶段。 采用仿真软件中的仿真算法或通过程序语言，将系统 的数学模型转换成计算机能够接受的处理形式，即设 计合适的算法，编写相应的计算程序。此阶段的关键 技术是仿真算法。 模型的“可信度”：模型的相似性和精度。模型的质 量和准确性决定了仿真结果的可信性和有效性。 影响因素：建模所用的先验知识及实验数据是否正确 完备；建模方法是否合理、严密；模型转精度问题。
这种刻画的数学表述就是一个数学模型。数学仿真把研究对象 (系统)的主要特征或输入、输出关系抽象成一种数学表达式 (解析模型或统计模型)来进行研究。其局限性是有时难于建模， 难于求解。
仿真系统的分类： 仿真系统的分类：
根据系统状态变化是否连续：连续系统，离散事件系统 连续系统数学模型：微分方程，状态方程，脉冲响应函数等。 离散事件系统数学模型：通常为差分方程。
（4）数据处理技术。数据是仿真的基础，仿真系统的运行
实际是数据的交互活动。仿真数据：关系数据（模型参数，监 控信息等）、实时数据（仿真运行中产生的数据。）
从应用角度，仿真软件的分类： 基于仿真语言； 从应用角度，仿真软件的分类：①基于仿真语言；②基于专用 仿真环境。 仿真环境。 基于仿真语言；应用较为广泛，缺乏针对性， ①基于仿真语言；应用较为广泛，缺乏针对性，用户需要有一 定的专业知识、建模能力及编程技巧， 定的专业知识、建模能力及编程技巧，仿真模型开发的工作量 也大。GPSS、SIMSCRIPT、SLAM都是有代表性的仿真语言 都是有代表性的仿真语言。 也大。GPSS、SIMSCRIPT、SLAM都是有代表性的仿真语言。 基于专用仿真环境； ②基于专用仿真环境；可以使用户的精力集中于系统分析及建 有利于提高仿真效率和仿真质量。 模，有利于提高仿真效率和仿真质量。 另外，机械产品种类繁多、工作原理及系统结构不尽相同、 另外，机械产品种类繁多、工作原理及系统结构不尽相同、成 形方法各异。与此相对应，也存在着不同的类型、 形方法各异。与此相对应，也存在着不同的类型、适合不同领 域的仿真软件。 域的仿真软件。例如：运动学仿真软件、动力学仿真软件、结 构热设计仿真软件、数控编程机加工仿真软件、生产线及装配 线仿真软件、注塑模具成型仿真软件、铸造成形仿真软件、冲 压成形仿真软件、流体传动仿真软件、物流系统仿真软件、生 产管理仿真软件等。
数字化仿真技术
指导教师：杨晓红 工作成员：张 颖 杨晓静
1 数字化仿真技术概述
美国前国家科学基金会主任Rita Colwell： ——“过去认为科学通常包含理论和实验两 方面的努力；现在，科学还包含第3个方 面的内容，即计算机仿真，并由计算机仿 真将理论和实验两方面连接起来。” 美国能源部科学办公室主任Dr. Raymond L. Orbach： ——“在21世纪的科学中，仿真和高端计算 是理论和实验科学的平等伙伴”。“仿真 是一种与实验和理论对等的方法论”。