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1计算机模拟仿真与辅助优化论文姓名***学校中国地质大学学号*******班级信息工程****20112一、计算机仿真技术简介计算机仿真技术的核心是按系统工程原理建立真实系统的计算机仿真数学模型，然后利用模型代替真实系统在计算机上进行实验和研究。对于需要研究的对象，计算机一般是不能直接认知和处理的，这就要求为之建立一个既能反映所研究对象的实质，又易于被计算机处理的数学模型。数学模型将研究对象的实质抽象出来，计算机再来处理这些经过抽象的数学模型，并通过输出这些模型的相关数据来展现研究对象的某些特质，当然，这种展现可以是三维立体的。由于三维显示更加清晰直观，已为越来越多的研究者所采用。通过对这些输出量的分析，就可以更加清楚的认识研究对象。通过这个关系还可以看出，数学建模的精准程度是决定计算机仿真精度的最关键因素。从模型这个角度出发，可以将计算机仿真的实现分为三个大的步骤：模型的建立、模型的转换和模型的仿真实验。1．模型的建立对于所研究的对象或问题，首先需要根据仿真所要达到的目的抽象出一个确定的系统，并且要给出这个系统的边界条件和约束条件。在这之后，需要利用各种相关学科的3知识，把所抽象出来的系统用数学的表达式描述出来，描述的内容，就是所谓的“数学模型”。这个模型是进行计算机仿真的核心。系统的数学模型根据时间关系可划分为静态模型、连续时间动态模型、离散时间动态模型和混合时间动态模型；根据系统的状态描述和变化方式可划分为连续变量系统模型和离散事件系统模型。对于数学建模的一些问题，西安交通大学的胡峰等人在《动态系统计算机仿真技术综述（Ⅰ）——仿真模型》中有较为详细的论述。2．模型的转换所谓模型的转换，即是对上一步抽象出来的数学表达式通过各种适当的算法和计算机语言转换成为计算机能够处理的形式，这种形式所表现的内容，就是所谓的“仿真模型”。这个模型是进行计算机仿真的关键。实现这一过程，既可以自行开发一个新的系统，也可以运用现在市场上已有的仿真软件，如铸造过程就常用MAGMAsoft软件来进行仿真。3．模型的仿真实验将上一步得到的仿真模型载入计算机，按照预先设置的实验方案来运行仿真模型，得到一系列的仿真结果，这就是所谓的“模型的仿真实验”。通过实验可观察系统模型各变量变化的全过程。为了寻求系统的最优结构和参数，常常要在仿真模型上进行多次实4验。在系统的设计阶段，人们大多利用计算机进行数学仿真实验，因为修改、变换模型比较方便和经济。在部件研制阶段，可用已研制的实际部件或子系统去代替部分计算机仿真模型进行半实物仿真实验，以提高仿真实验的可信度。在系统研制阶段，大多进行半实物仿真实验，以修改各部件或子系统的结构和参数。在个别情况下，可进行全物理的仿真实验，这时计算机仿真模型全部被物理模型或实物所代替。全物理仿真具有更高的可信度，但价格昂贵。二、计算机模拟仿真的应用计算机仿真在机械行业中的应用1．计算机仿真在复杂机械加工过程研究方面的应用机械加工过程，是机械行业进行生产的基础。利用计算机仿真，有助于发现其机理，为提高机械加工性能提供理论支持。如磨削方面，通过计算机模拟可以预测和估计磨削行为和磨削质量，为磨削过程优化、智能控制、虚拟磨削创造了必要的前提。利用计算机仿真得到能够应用于实际磨削过程的最佳磨削方案。对磨削温度场的计算机仿真系统的研究，实现了对磨削温度场的预测及优化，为研究各加工参数对磨削温度场的影响提供了理论依据。铣削方面，建立了多齿端铣切削过程动力学模型，开发了切削振动仿真的微机通用软件，采用数字仿真方法研究了平面端铣切削振动的原理和条件。对电火花加工的工艺仿真系统的研究，实现了加工5效果的预测、加工参数的优化。挤压成型方面，建立了连续挤压的计算机仿真模型，并通过模拟实验得出了连续挤压全过程的应力场、应变场和温度场。2．计算机仿真在汽车制造研究方面的应用汽车制造是机械行业的一个重要组成部分。它有很多实验课题，难度大、实地成本高，计算机仿真技术的引入，有效的缓解了这一方面的问题。如发动机方面，装甲兵工程学院机械系的毕小平教授等建立了多缸柴油机起动过程的计算机仿真模型，其仿真结果与实际测量值比较吻合，可用于多缸柴油机的起动性能仿真。江苏理工大学的蔡忆昔实现了对进气管内气体流动的动态仿真，直观描述了瞬态过程，为多缸发动机换气过程的研究提供了有效的方法。汽车流场方面，华东理工大学信息学院的吕明忠博士等成功的模拟出了汽车尾流场的气流分离和拖曳涡现象，建立了两种车型的汽车外流场空气动力学模型，并进行了仿真实验，取得了满意结果。碰撞实验方面，浙江大学动力机械及车辆工程研究所的詹樟松博士根据汽车碰撞的事故形态与乘员伤害之间的规律，建立了乘员动力学响应的数学模型，并开发出了相应的仿真软件，该系统可部分代替实车碰撞实验进行汽车被动安全性能的研究。其他方面，例如，汽车工程学院的熊坚对汽车的制动过程进行了仿真研究，一汽大众汽车有限公司的姚革等通过仿真研究了汽车转向的轻便性问题等。63．计算机仿真在齿轮设计方面的应用齿轮是机械产品的主要基础部件，对其进行仿真研究具有重要意义，很多的科研工作者在这方面做了相关的研究。如太原理工大学的庞桂兵等采用VisualLisp语言从几何角度讨论了任意端面齿形的齿轮建模及其传动仿真，山东矿业学院的张广军等利用计算机仿真研究了圆弧针齿行星传动的动力学问题，南京航空航天大学机电工程学院的曾英等通过计算机仿真探讨了主动齿轮与刀具齿数差、齿数比、模数等主要参数对正交面齿轮传动接触点的影响。计算机仿真在齿轮泵的齿轮的设计与制造中，也有着重要的应用。计算机仿真技术在汽车上的应用1.对轮胎的仿真分析随着对轮胎模型的深人研究以及科技的发展，为了更真实的反映轮胎的实际情况，更加贴近地模拟轮胎的物理模型，得到轮胎的各项性能参数，我们现在使用的模型是三维非线性有限元模型。轮胎的非线性特性包括三点:几何非线性特性；材料非线性特性；非线性边界条件。轮胎有限模型的建立(1)三维实体型的绘制根据不同的结构和材料，我们可以通过CAD绘图技术来得到轮胎的径向截面轮廓图和材料分布图。因此，我们就可以得到轮胎的三维实体模型。7(2)CAD模块与ANSYS软件的接口在有限元软件包都具有IGES文件接口。ANSYS的IGES输人能力在工业界中位于最强者之列。通过这条公共通道，在系统中建立的模型都可以直接读取到软件的前处理模块中。我们可以通过这种方式把轮胎的三维实体模型读人ANSYS的前处理模块中。(3)材料的定义轮胎的结构材料可分为两类:单一材料和复合材料。构成这两类材料的基本材料又有三类:橡胶、纤维和钢丝。不同的组合，有不同的正交各向同性和正交各向异性性质。在研究轮胎的时候，主要侧重于结构力分析，因此，所需的材料物理力学参数主要有杨氏量、泊松比、密度三项。(4)单元类型的选择对于构成轮胎各个部分的材料，需要采用合适的单元来模拟，所采用的单元类型应能反映材料的性质。为了保证计算的准确性，并尽量减少运行时间，在利用ANSYS软件建立轮胎模型时，采用三维体单元和三维层单元的组合来模拟。SOLID45体单元和HYPER86单元都是具有八个节点，三个自由度的单元类型。用SOLID45体单元来模拟单一材料构成的三维体结构，例如:轮辆和钢丝圈等部位的金属材料;HYPER86单元模拟高弹性的三维体结构，例如:轮胎的胎冠、胎侧等橡胶材料;SOUD46层单元主要用来模拟胎体帘布8与内衬层、带束层等具有多层复合结构的部位，还有模拟轮胎与地面、轮辆接触时，可以选择接触单元和目标单元。(5)载荷和边界条件在进行求解之前，要给轮胎定义载荷和边界条件。在轮胎性能分析过程中，需要考虑很多种载荷工况。可以通过面载荷来模拟内部气压;如果承受垂直载荷或侧向力，可以在节点上施加载荷。并且，对于不同的工况所施加的边界条件是不同的。当轮胎处于自由态时，轮毂要固定;若进行接地状态分析，则要施加地面固定约束和整胎(包括轮毂)约束。3.求解与分析运用分析软件，作出轮胎有限元模型的径向截面图，划分网格，并且加载荷和约束。当计算结束时，我们就可以在通用后处理器(POSTI)中，通过绘变形图、支反力列表、应力等值线图和变动动画的形式，直观地看到在不同工况下，轮胎的节点、单元的位移、应力和应变等结果。就能发现轮胎在每种工况下，什么部位磨损最大，最容易出现问题。这些分析结果对轮胎的结构优化有很大的帮助。某客车正面碰撞仿真模拟1.整车几何模型的建立通过标准的图形交换接口，将车身的三维几何模型数据文件输入到ANSYS/LS-DYNA3D的前处理器中，利用ANSYS的前处理功能在输入车身几何模型的基础上进行整车的建模9工作。对各主要吸能部件进行了重点处理。2.模型规模及单元尺寸确定要实现汽车碰撞的计算机仿真模拟并能兼顾“效率与精度”的平衡在几何模型的合理简化单元形状和大小的选择等都必须仔细考虑。对各关键部件的建模处理，主要是控制网格划分尺寸。关键部件：前纵梁，车身板件，动力总成，轮胎与悬架，对其它部件（车门、门铰、挡风玻璃、水箱）网格划分原则：（1）前部吸能变形区域网格细密，而中后部网格相对稀疏。（2）单元的边长比限定在一定范围。（3）限制最小单元的尺寸，以控制计算过程中的极限时步长。材料选用方面，前部变形区域选用弹塑性材料模型，中后部不易变形区域，材料模型选用刚体。各部件之间的连接方式采用了焊接、铆接、铰接及刚体连接等方式，可能发生接触的区域都定义了接触。整车的初驶碰撞速度为50km/h。3.碰撞仿真计算仿真计算采用LS-DYNA非线性动态显式有限元分析软件，在SGI工作站上进行。由于实际的车辆碰撞过程持续时间大约为80~120ms，所以对整车的碰撞仿真也只计算80ms的响应过程。4.仿真结果分析10通过计算机仿真分析，我们从整车的变形、应变应力、作为主要吸能元件的前纵梁的变形、应变应力、前门框的变形、整车关键部位的减加速度等几个方面来对分析结果进行评价。我们清楚看出整车前纵梁及正对纵梁的部分前围板件发生了大的塑性变形变形形式主要为折叠式压溃很好地起到了吸收冲击能量的作用。前纵梁及正对纵梁的部分前围板件驾驶室内前围地板等发生了大的塑性变形，前纵梁折叠部分及前纵梁上方的前围处的应力值最大。5.仿真结果与实验结果的对比由于整车的碰撞仿真设计涉及众多复杂的因素，计算不可避免地会产生误差。为了检验仿真计算的进度，与试车碰撞试验的结果进行了对比。通过对比，检验出模型及仿真计算的精度是否达到了工程实用的要求。或者是对系统作进一步的优化。三、在其他方面的应用简介1．在隧洞施工中的应用隧洞施工过程是一个由钻孔、爆破、出渣等多种工序反复循环的过程，由于每道工序的作业时间多是随机的，每个工作循环都可以产生随机排队现象，很可能在某一个循环作业中出现“拥塞”现象而影响其他的作业，对于这类工程的施工，若采用一般网络模型（CPM/PERT）来表达整个工程的11循环施工过程是极其复杂的，同时难以反映施工过程中某些随机时间因素及其影响。针对这一问题，70年代美国出现了“循环运行网络”（CyclicoPErationNetwork）技术，是解决此类问题的最佳选择，该技术通过模拟工程对象的循环过程和随机时间、可算出不同资源水平和施工组织情况下循环过程的工期和成本，并找出拥塞点，通过灵敏度分析可以得到合理的机械配套组合及理想的工期成本最优方案。建立隧洞施工循环运行网络模型的基本思路是：首先明确施工过程中有哪些活动以及各活动之间的逻辑关系、活动需哪些初始资源及其数目；然后由模型的组成部分按照节点间的逻辑关系建立起循环运行网络模型。利用该模型进行隧洞施工过程仿真可得出施工工期、机械设备生产率、资源闲置等待时间、资源利用率、施工费用以及找出拥塞点等，从而为决策提供所需的多种信息。2．在截流施工中的应用截流是施工总进度计划的控制性工期，一向倍受重视。与传统方法相比，借助计算机仿真方法可以更方便、更细致、定量程度更高地研究截流中存在的问题，以更高的效率比较更多的截流施工方案，更有效地指挥现场施工，从而降低施工成本和风险，提高截流的成功率。截流方法中最常用的是平堵和