計算機模擬仿真論文

計算機模擬仿真論文計算機模擬仿真與輔助優(yōu)化論文姓名***學校中國地質(zhì)大學學號*******班級信息工程****2020一、計算機仿真技術(shù)簡介計算機仿真技術(shù)的核心是按系統(tǒng)工程原理建立真實系統(tǒng)的計算機仿真數(shù)學模型，然后利用模型代替真實系統(tǒng)在計算機上進行實驗和研究。對于需要研究的對象，計算機一般是不能直接認知和處理的，這就要求為之建立一個既能反映所研究對象的本質(zhì)，又易于被計算機處理的數(shù)學模型。數(shù)學模型將研究對象的本質(zhì)抽象出來，計算機再來處理這些經(jīng)過抽象的數(shù)學模型，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)，當然，這種展現(xiàn)能夠是三維立體的。由于三維顯示愈加明晰直觀，已為越來越多的研究者所采用。通過對這些輸出量的分析，就能夠愈加清楚的認識研究對象。通過這個關(guān)系還能夠看出，數(shù)學建模的精準程度是決定計算機仿真精度的最關(guān)鍵因素。從模型這個角度出發(fā)，能夠?qū)⒂嬎銠C仿真的實現(xiàn)分為三個大的步驟：模型的建立、模型的轉(zhuǎn)換和模型的仿真實驗。1．模型的建立對于所研究的對象或問題，首先需要根據(jù)仿真所要到達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)學科的知識，把所抽象出來的系統(tǒng)用數(shù)學的表達式描繪出來，描繪的內(nèi)容，就是所謂的“數(shù)學模型〞。這個模型是進行計算機仿真的核心。系統(tǒng)的數(shù)學模型根據(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)描繪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)學建模的一些問題，西安交通大學的胡峰等人在（動態(tài)系統(tǒng)計算機仿真技術(shù)綜述〔Ⅰ〕——仿真模型）中有較為具體的闡述。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)學表達式通過各種適當?shù)乃惴ê陀嬎銠C語言轉(zhuǎn)換成為計算機能夠處理的形式，這種形式所表現(xiàn)的內(nèi)容，就是所謂的“仿真模型〞。這個模型是進行計算機仿真的關(guān)鍵。實現(xiàn)這一經(jīng)過，既能夠自行開發(fā)一個新的系統(tǒng)，可以以運用如今市場上已有的仿真軟件，如鑄造經(jīng)過就常用MAGMAsoft軟件來進行仿真。3．模型的仿真實驗將上一步得到的仿真模型載入計算機，根據(jù)預先設(shè)置的實驗方案來運行仿真模型，得到一系列的仿真結(jié)果，這就是所謂的“模型的仿真實驗〞。通過實驗可觀察系統(tǒng)模型各變量變化的全經(jīng)過。為了尋求系統(tǒng)的最優(yōu)構(gòu)造和參數(shù)，經(jīng)常要在仿真模型上進行屢次實驗。在系統(tǒng)的設(shè)計階段，人們大多利用計算機進行數(shù)學仿真實驗，由于修改、變換模型比擬方便和經(jīng)濟。在部件研制階段，可用已研制的實際部件或子系統(tǒng)去代替部分計算機仿真模型進行半實物仿真實驗，以提高仿真實驗的可信度。在系統(tǒng)研制階段，大多進行半實物仿真實驗，以修改各部件或子系統(tǒng)的構(gòu)造和參數(shù)。在個別情況下，可進行全物理的仿真實驗，這時計算機仿真模型全部被物理模型或?qū)嵨锼?。全物理仿真具有更高的可信度，但價格昂貴。二、計算機模擬仿真的應(yīng)用計算機仿真在機械行業(yè)中的應(yīng)用1．計算機仿真在復雜機械加工經(jīng)過研究方面的應(yīng)用機械加工經(jīng)過，是機械行業(yè)進行生產(chǎn)的基礎(chǔ)。利用計算機仿真，有助于發(fā)現(xiàn)其機理，為提高機械加工性能提供理論支持。如磨削方面，通過計算機模擬能夠預測和估計磨削行為和磨削質(zhì)量，為磨削經(jīng)過優(yōu)化、智能控制、虛擬磨削創(chuàng)造了必要的前提。利用計算機仿真得到能夠應(yīng)用于實際磨削經(jīng)過的最佳磨削方案。對磨削溫度場的計算機仿真系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了對磨削溫度場的預測及優(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根據(jù)。銑削方面，建立了多齒端銑切削經(jīng)過動力學模型，開發(fā)了切削振動仿真的微機通用軟件，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。對電火花加工的工藝仿真系統(tǒng)的研究，實現(xiàn)了加工效果的預測、加工參數(shù)的優(yōu)化。擠壓成型方面，建立了連續(xù)擠壓的計算機仿真模型，并通過模擬實驗得出了連續(xù)擠壓全經(jīng)過的應(yīng)力場、應(yīng)變場和溫度場。2．計算機仿真在汽車制造研究方面的應(yīng)用汽車制造是機械行業(yè)的一個重要組成部分。它有很多實驗課題，難度大、實地成本高，計算機仿真技術(shù)的引入，有效的緩解了這一方面的問題。如發(fā)動機方面，裝甲兵工程學院機械系的畢小平教授等建立了多缸柴油機起動經(jīng)過的計算機仿真模型，其仿真結(jié)果與實際測量值比擬吻合，可用于多缸柴油機的起動性能仿真。江蘇理工大學的蔡憶昔實現(xiàn)了對進氣管內(nèi)氣體流動的動態(tài)仿真，直觀描繪了瞬態(tài)經(jīng)過，為多缸發(fā)動機換氣經(jīng)過的研究提供了有效的方法。汽車流場方面，華東理工大學信息學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模型，并進行了仿真實驗，獲得了滿意結(jié)果。碰撞實驗方面，浙江大學動力機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，建立了乘員動力學響應(yīng)的數(shù)學模型，并開發(fā)出了相應(yīng)的仿真軟件，該系統(tǒng)可部分代替實車碰撞實驗進行汽車被動安全性能的研究。其他方面，例如，汽車工程學院的熊堅對汽車的制動經(jīng)過進行了仿真研究，一汽群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．計算機仿真在齒輪設(shè)計方面的應(yīng)用齒輪是機械產(chǎn)品的主要基礎(chǔ)部件，對其進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。如太原理工大學的龐桂兵等采用VisualLisp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)學院的張廣軍等利用計算機仿真研究了圓弧針齒行星傳動的動力學問題，南京航空航天大學機電工程學院的曾英等通過計算機仿真討論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的影響。計算機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。計算機仿真技術(shù)在汽車上的應(yīng)用1.對輪胎的仿真分析隨著對輪胎模型的深人研究以及科技的發(fā)展，為了更真實的反映輪胎的實際情況，愈加貼近地模擬輪胎的物理模型，得到輪胎的各項性能參數(shù)，我們?nèi)缃袷褂玫哪Ｐ褪侨S非線性有限元模型。輪胎的非線性特性包括三點:幾何非線性特性；材料非線性特性；非線性邊界條件。輪胎有限模型的建立(1)三維實體型的繪制根據(jù)不同的構(gòu)造和材料，我們能夠通過CAD繪圖技術(shù)來得到輪胎的徑向截面輪廓圖和材料分布圖。因而，我們就能夠得到輪胎的三維實體模型。(2)CAD模塊與ANSYS軟件的接口在有限元軟件包都具有IGES文件接口。ANSYS的IGES輸人能力在工業(yè)界中位于最強者之列。通過這條公共通道，在系統(tǒng)中建立的模型都能夠直接讀取到軟件的前處理模塊中。我們能夠通過這種方式把輪胎的三維實體模型讀人ANSYS的前處理模塊中。(3)材料的定義輪胎的構(gòu)造材料可分為兩類:單一材料和復合材料。構(gòu)成這兩類材料的基本材料又有三類:橡膠、纖維和鋼絲。不同的組合，有不同的正交各向同性和正交各向異性性質(zhì)。在研究輪胎的時候，主要側(cè)重于構(gòu)造力分析，因而，所需的材料物理力學參數(shù)主要有楊氏量、泊松比、密度三項。(4)單元類型的選擇對于構(gòu)成輪胎各個部分的材料，需要采用適宜的單元來模擬，所采用的單元類型應(yīng)能反映材料的性質(zhì)。為了保證計算的準確性，并盡量減少運行時間，在利用ANSYS軟件建立輪胎模型時，采用三維體單元和三維層單元的組合來模擬。SOLID45體單元和HYPER86單元都是具有八個節(jié)點，三個自由度的單元類型。用SOLID45體單元來模擬單一材料構(gòu)成的三維體構(gòu)造，例如:輪輛和鋼絲圈等部位的金屬材料;HYPER86單元模擬高彈性的三維體構(gòu)造，例如:輪胎的胎冠、胎側(cè)等橡膠材料;SOUD46層單元主要用來模擬胎體簾布與內(nèi)襯層、帶束層等具有多層復合構(gòu)造的部位，還有模擬輪胎與地面、輪輛接觸時，能夠選擇接觸單元和目的單元。(5)載荷和邊界條件在進行求解之前，要給輪胎定義載荷和邊界條件。在輪胎性能分析經(jīng)過中，需要考慮很多種載荷工況。能夠通過面載荷來模擬內(nèi)部氣壓;假如承受垂直載荷或側(cè)向力，能夠在節(jié)點上施加載荷。并且，對于不同的工況所施加的邊界條件是不同的。當輪胎處于自由態(tài)時，輪轂要固定;若進行接地狀態(tài)分析，則要施加地面固定約束和整胎(包括輪轂)約束。3.求解與分析運用分析軟件，作出輪胎有限元模型的徑向截面圖，劃分網(wǎng)格，并且加載荷和約束。當計算結(jié)束時，我們就能夠在通用后處理器(POSTI)中，通過繪變形圖、支反力列表、應(yīng)力等值線圖和變動動畫的形式，直觀地看到在不同工況下，輪胎的節(jié)點、單元的位移、應(yīng)力和應(yīng)變等結(jié)果。就能發(fā)現(xiàn)輪胎在每種工況下，什么部位磨損最大，最容易出現(xiàn)問題。這些分析結(jié)果對輪胎的構(gòu)造優(yōu)化有很大的幫助。某客車正面碰撞仿真模擬1.整車幾何模型的建立通過標準的圖形交換接口，將車身的三維幾何模型數(shù)據(jù)文件輸入到ANSYS/LS-DYNA3D的前處理器中，利用ANSYS的前處理功能在輸入車身幾何模型的基礎(chǔ)上進行整車的建模工作。對各主要吸能部件進行了重點處理。2.模型規(guī)模及單元尺寸確定要實現(xiàn)汽車碰撞的計算機仿真模擬并能兼顧“效率與精度〞的平衡在幾何模型的合理簡化單元形狀和大小的選擇等都必須仔細考慮。對各關(guān)鍵部件的建模處理，主要是控制網(wǎng)格劃分尺寸。關(guān)鍵部件：前縱梁，車身板件，動力總成，輪胎與懸架，對其它部件〔車門、門鉸、擋風玻璃、水箱〕網(wǎng)格劃分原則：〔1〕前部吸能變形區(qū)域網(wǎng)格細密，而中后部網(wǎng)格相對稀疏。〔2〕單元的邊長比限定在一定范圍?！?〕限制最小單元的尺寸，以控制計算經(jīng)過中的極限時步長。材料選用方面，前部變形區(qū)域選用彈塑性材料模型，中后部不易變形區(qū)域，材料模型選用剛體。各部件之間的連接方式采用了焊接、鉚接、鉸接及剛體連接等方式，可能發(fā)生接觸的區(qū)域都定義了接觸。整車的初駛碰撞速度為50km/h。3.碰撞仿真計算仿真計算采用LS-DYNA非線性動態(tài)顯式有限元分析軟件，在SGI工作站上進行。由于實際的車輛碰撞經(jīng)過持續(xù)時間大約為80~120ms，所以對整車的碰撞仿真也只計算80ms的響應(yīng)經(jīng)過。4.仿真結(jié)果分析通過計算機仿真分析，我們從整車的變形、應(yīng)變應(yīng)力、作為主要吸能元件的前縱梁的變形、應(yīng)變應(yīng)力、前門框的變形、整車關(guān)鍵部位的減加速度等幾個方面來對分析結(jié)果進行評價。我們清楚看出整車前縱梁及正對縱梁的部分前圍板件發(fā)生了大的塑性變形變形形式主要為折疊式壓潰很好地起到了吸收沖擊能量的作用。前縱梁及正對縱梁的部分前圍板件駕駛室內(nèi)前圍地板等發(fā)生了大的塑性變形，前縱梁折疊部分及前縱梁上方的前圍處的應(yīng)力值最大。5.仿真結(jié)果與實驗結(jié)果的比照由于整車的碰撞仿真設(shè)計涉及諸多復雜的因素，計算不可避免地會產(chǎn)生誤差。為了檢驗仿真計算的進度，與試車碰撞試驗的結(jié)果進行了比照。通過比照，檢驗出模型及仿真計算的精度能否到達了工程實用的要求。或者是對系統(tǒng)作進一步的優(yōu)化。三、在其他方面的應(yīng)用簡介1．在隧洞施工中的應(yīng)用隧洞施工經(jīng)過是一個由鉆孔、爆破、出渣等多種工序反復循環(huán)的經(jīng)過，由于每道工序的作業(yè)時間多是隨機的，每個工作循環(huán)都能夠產(chǎn)生隨機排隊現(xiàn)象，很可能在某一個循環(huán)作業(yè)中出現(xiàn)“擁塞〞現(xiàn)象而影響其他的作業(yè)，對于這類工程的施工，若采用一般網(wǎng)絡(luò)模型〔CPM/PERT〕來表達整個工程的循環(huán)施工經(jīng)過是極其復雜的，同時難以反映施工經(jīng)過中某些隨機時間因素及其影響。針對這一問題，70年代美國出現(xiàn)了“循環(huán)運行網(wǎng)絡(luò)〞〔CyclicoPErationNetwork〕技術(shù)，是解決此類問題的最佳選擇，該技術(shù)通過模擬工程對象的循環(huán)經(jīng)過和隨機時間、可算出不同資源水安然平靜施工組織情況下循環(huán)經(jīng)過的工期和成本，并找出擁塞點，通過靈敏度分析能夠得到合理的機械配套組合及理想的工期成本最優(yōu)方案。建立隧洞施工循環(huán)運行網(wǎng)絡(luò)模型的基本思路是：首先明確施工經(jīng)過中有哪些活動以及各活動之間的邏輯關(guān)系、活