数字化仿真技术课件

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RitaColwell：“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.RaymondL.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”。,1、被包含2、支持但非独立3、独立、对等,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SIMUNETHLA虚拟战场制造波音777研制虚拟样机,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。,长江三峡工程,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。,飞机设计,1.1仿真技术及其分类,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。,实物仿真,非实物仿真,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。,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，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：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。,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,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（DigitalSimulation，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。,1.2数字化仿真的基本步骤,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：,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。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：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。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。,（2）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。,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。,图2研究对象、数学模型、仿真模型之间的关系。,3仿真结果分析目标：从仿真试验中提取有价值的信息，以指导实际系统的开发。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。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，有利于对结果的分析。,仿真研究步骤,系统分析,模型构造,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。缺点：应用范围窄、适应性差、可扩展性和可维护性差。现在仿真系统的特点：规模日益扩大、结构趋于复杂、向分布式仿真发展。现代仿真软件开发广泛采用技术：（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，提高系统的适应性和可维护性。,（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。（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；基于专用仿真环境。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，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。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、成形方法各异。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。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。,表1支持机械产品开发的数字化仿真软件,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。目前多数的仿真软件都具备这样的标准。另外，CATIA、UG、Pro/Engineer等高端数字化设计与制造软件纷纷向支持产品全生命周期（PLM）的方向发展，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、分析、制造及装配等环节的开发，有利于加快开发速度，提高开发质量。,2数字化仿真技术中的有限元法,数字化仿真技术中应用最为广泛的数字化仿真技术是有限元法（FEM）。用于确定零件和结构的应力、变形、热传导、磁场分布、流体运动以及其他连续场问题等。,2.1有限元法的基本概念有限元法（FiniteElementMethod,FEM）：是一种基于计算机的数值仿真技术。作为一种数值计算方法，有限元法并非用来寻求问题的解析解。实际上，很多工程问题目前都无法找到解析解。基本思想：用假想的线或者面将形状复杂的连续体分割成由有限个单元组成的集合体，单元之间仅在节点处连接，单元之间的作用仅由节点传递。,1结构离散结构离散：就是将求解区域分割成具有某种几何形状的单元，也成为划分网格。主要任务：选定单元类型，确定单元形状，将物体离散为一组所选择的单元的集合，并用节点号来实现单元的拓扑表示。,2.2有限元求解的基本步骤：分析过程:结构离散化,确定位移模式,单元特性分析,整体分析,解方程,输出计算结果,其他处理.,平面问题的有限元分析中，常用的单元形式有3节点三角形单元、4节点矩形单元、4节点四边形单元、6节点三角形单元及8节点曲边四边形单元等。如下图：,有限元法离散处理的本质：将原有的无限自由度的连续体物理系统转换成由有限个节点自由度组成的离散系统，且当所分割的单元无限小时，该离散系统完全等价于原始的连续系统。,2.单元分析单元分析包括两方面的内容。（1）选择位移函数连续体被离散成单元后，每个单元上的物理量（如位移、应变等）的变化规律，可以用较简单的函数来近似表达。在弹性力学有限元法中，这种用于描述单元内位移的简单函数，就称为位移函数，又称为位移模式。通常的方法是以节点的位移为未知量通过插值来表示单元内任意一点的位移。（2）单元特性分析基本任务就是建立单元的平衡方程，也称为刚度方程。在选择了单元类型和相应的位移函数后，即可按弹性力学的几何方程、物理方程导出单元应变与应力的表达式，最后利用虚位移原理或最小势能原理建立单元的平衡方程，即单元节点力节点位移间的关系。,3.整体分析单元分析包括两方面的内容。（1）整体方程的建立整体平衡方程的建立有多种方法，可基于能量原理（势能变分原理或虚位移原理）推导，也可以基于节点力平衡条件利用单元刚度矩阵直接集成得到。（2）方程求解在引入边界条件之前，整体的平衡方程是奇异的，这意味着整体方程是不可解的。从物理上讲，当物体的几何位置没有被约束，受力处于平衡状态的物体也会产生刚性位移，因而，不可能有唯一的位移解。只有在整体平衡方程中引入必要的边界约束条件，整体平衡方程才能求解。方程求解包括边界条件引入和数值计算，一旦利用适当的数值方法求出未知的节点位移，则可按应力、应变公式计算出各个单元的应力、应变等物理量。,2.3常用的有限元软件,有限元分析通常借助计算机软件完成，著名工程软件有MSC-NASTRAN，ADINA，LS-DYNA，ANSYS，ABAQUS，2D-sigma等。MSC-NASTRAN软件在航空航天领域有着很高的地位，目前世界上规模最大的有限元分析系统。ADINA由于其在非线性求解、流固耦合分析等方面的强大功能，迅速成为有限元分析软件的后起之秀，现已成为非线性分析计算的首选软件。ANSYS软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算。,2.4基于ANSYS的工程实例简述,200T吊排强度分析简述吊排的设计载荷非常大，因此对吊排进行强度分析计算以保证其工作安全十分必要。思路：建立200T吊排的几何模型，然后选用成熟的有限元分析软件Ansys对其进行有限元计算，最后对计算结果进行分析。1200T吊排的几何模型在考虑现有分析条件的情况下，为保证分析结果的可靠性，应该对分析模型做合理的简化。考虑到结构和受力的对称性，可以选取吊排的二分之一进行分析计算。为了保证主要关键部位应力计算结果精度，有必要对计算模型进行简化。遵循该思想，最终建立的几何模型如下所示。,图1200T吊排几何模型,图3板厚为16mm的板,图2板厚为20mm的板,图4板厚为25mm的板,图5板厚为60mm的板,图6板厚为22mm的板,2200T吊排的有限元模型采用有限元自动剖分软件，在三维几何模型的基础上，采用4节点的SHELL63板单元进行剖分，得到了吊具的三维有限元模型。考虑到滑轮轴、吊轴与梁体的连接处会有应力集中，因此在此处将有限元网格加密处理以提高精度。剖分的有限元模型如下图所示。,3工况分析及边界条件分析200T吊排工况一该工况如下图所示，在中间的滑轮轴吊起200T的载荷。该工况在吊轴处加垂直方向的位移约束，在吊排的对称面加对称边界约束，在与中间滑轮轴与梁体接触的圆弧加线性分布力载荷，最大载荷集度为0.89104N/mm。,200T吊排工况二该工况如下图所示，在两侧的单滑轮轴分别吊起100T的载荷。该工况在吊轴处加垂直方向的位移约束，在吊排的对称面加对称边界约束，在单滑轮轴与梁体接触圆弧加线性分布力载荷，最大载荷集度为0.67104N/mm。,4各工况计算结果200T吊排工况一200T吊排工况一有限元计算结果吊排整体应力云图如图所示。其应力的最大值出现在梁体与中间滑轮轴接触的最底端，最大值为192.263MPa。,200T吊排工况二200T吊排工况二有限元计算结果吊排整体应力云图如图所示。其应力的最大值出现在梁体与吊轴接触的部位，最大值为128.856MPa。,谢谢大家观映！,数学基础函数：对于某一值域中的任意数X,F都有唯一的值与之对应，我们称F是一个函数。泛函：对于某一值域中的任意一个函数F(x),II都有唯一的值与之对应，我们称II是一个泛函。实质：泛函是自变量为函数的函数。,函数：F(X)自变量：X微分：df(x)极值：一阶微分为0,泛函：II宗量：F(X)变分：&II(F(x)极值：一阶变分为0,第1章有限元法基础知识,第1节概述Clough-Thefin