系统仿真结课作业剖析

1、系统仿真导结课作业一、概述建模与仿真技术已成功地应用于航空航天、 生产制造、交通运输、信息、生 物、医学、材料、能源、教育、军事、社会、经济等众多领域 ;并成功地应用于 产品研制的全生命周期，包括需求分析、方案论证、概念设计、初步设计、详细 设计、生产制造、试验试飞、运行、维护、训练等各个阶段。仿真科学与技术 正是从其广泛的应用中获得了日益强大的生命力，而仿真技术的发展反过来使 得其得到愈来愈广泛的应用。广义而言,仿真是采用建模的方法和物理的方法对真实环境客观事物进行 抽象、映射、描述和复现。基于系统原理、理论、定律、系统数据等应用计算 机技术、软件技术和信息技术建立仿真环境（虚拟环境），在仿

2、真环境中对客观 事物进行研究。客观事物包括真实环境中的实体 /系统、自然环境（地形、大气、 海洋、空间）、和人的行为（操作、决策、推理）。仿真环境包括模型、数据、软 件、物理效应设备、计算机等。计算机仿真的三要素是系统、模型、计算机，三个基本活动是模型设计、 模型执行、模型分析。计算机仿真的三要素和三个基本活动的关系关系如图1所示。系 统模型设计模型分析模型执行模 型计算机图1从模型设计到模型分析经历的过程，即对实物进行仿真可概括为以下几个 方面：1）问题的描述；2）建立概念模型；3）建立仿真模型；4）收集数据；5）编写程序；6）在计算机进行模型试验；7）模型和数据的验证；8）仿真结果显示；9

3、）仿真结果分析和评估。仿真是建立模型在计算机上运行，但这属于数学仿真，随着技术的发展，许多应用 领域建立仿真系统时除了模型外还要求将实物和人员包含在仿真回路中。由此可见，基于仿真设计与传统设计的方法和流程两者有很大区别（图2）,基于仿真设计可以在计算机上建立虚拟样机，对产品的外形、结构、强度、动力学进行分析设计，满足技术要求后建立实物样机或直接制造产品，可以大量缩短 产品研制周期，降低成本。基于仿真设计或虚拟样机技术可以多学科综合、系统 集成,提高有效性。I慨念设卄实物JS试与试验播造宀晶満足仿直測试与试验修改虑槪林机建立实物样机实物泗试与试脸:、滿!E制造严品（4传统设计流程二、应用实例1.

4、 系统仿真在天文望远镜设计中的应用天文望远镜系统仿真是基于天文望远镜设计中三大基本模块：光学系统设 计、机械结构设计及分析和自动控制系统设计的常用软件，并基于规定的数据 结构和输入输出格式，建立各自相对独立的模型，通过编制计算机程序将三者 相互关系有机地联系起来构成一个集成的望远镜系统的设计和分析模型。考虑 外界环境的影响，诸如热、风、地震等载荷，通过软件模拟或实测数据的方式 加入该集成模型。据此对望远镜进行仿真分析得到各种响应乃至最终成像质量， 评价望远镜工作性能和优化设计方案。这种系统仿真技术的引入，使得在天文 望远镜设计中可有效地对望远镜设计方案进行整体性价评估和方便迅速地进行 优化改进

5、，具体地，可概括为以下诸方面：1）识别影响系统性能的关键因素；2）验证设计之初某些探索性假设；3）从系统层面上来优化和平衡各子系统的设计；4）从系统层面上来权衡和克服各种干扰因素；5）方便某些器件/设备的指标确定和选型，寻求更有效的提升望远镜性能的方 法，优化设计方案；6）在项目执行较早的阶段即可仿真以评价望远镜工作性能，并且逐步修正模 型，直到项目结束。子系统建模包括光学系统、机械结构系统和自动控制系统三大基本模块的 计算机模型建立，参见图3,以机械结构模型为例，一般采用有限元软件 ANSYS 的参数化设计语言建立望远镜的有限元模型。采用参数化建模便于调整设计和 后续优化设计。通过有限元模型

6、可求解望远镜在重力、风载以及地震破坏等载 荷下的响应，更为重要的是，通过有限元模态计算提取望远镜的固有频率和振 型，将望远镜机械结构有限元模型转化为状态空间方程，以供控制仿真分析。M3強远铠条统仿厌功瓏结构柜閣图3为使集成化模型可接受外界干扰因素和载荷的作用并自动进行分析，需要 建立相应的计算机模型进行模拟。外界干扰因素和载荷主要指重力、风载及热、 大气扰动和地震作用等。以风载为例，风载模型的建立涉及风载的物理描述以 及在望远镜有限元模型上作为边界条件的实施。风速是随机变量，因此风载是 随机载荷，计算分析中一般采用功率谱描述风速，并转化为风压功率谱分别作 用于望远镜结构的有限元模型上进行分析，

7、一般分为静风载和动风载两部分来 考虑。将随机风速写为v二V z - v(t)，即平均风速与随机风速之和，则风压可按(1)式计算：= (1)式中，CD为风阻系数，为空气密度。舍去高阶小项，上式可改写为静风压p和 随机风压之和：尸(f)遙尸+ 2尸/冬(r)(2)其中静风压P可直接作用于望远镜有限元模型进行分析，而一般用Davenport谱或Simiu谱(风速功率谱)来描述随机风的运动模型。后者为仏求如呼式中，n为频率，vz为离地高度z处的平均风速，f无量纲频率函数，Uf为地 面摩擦剪切风速函数。考虑到结构的影响，上式还需要虑及空气动力衰减因子，于是，可得到随机风压的功率谱：S(P) = 4(P/

8、K)S(X)iW上式即可用于有限元分析。图4为风速2m/s的风压谱曲线。10-10而1川101102尸 V-4占 glu1010102:耳弋飞d(Nu)s图4随机凤压功率谱(凤速2m0在望远镜的系统仿真中还包括模型集成、模型简化、数据储存和显示、还涉及计算机编程技术、软件接口技术、计算技术乃至并行计算等技术。2. 基于数值仿真技术的单颗磨粒切削机理磨削过程是磨具表面大量形状各异的磨粒参与的多刃切削过程。单颗磨粒 切削研究是认识复杂磨削作用的重要手段，但是单颗磨粒切削试验的实施和物 理量的测量存在一定的难度。2.1单颗磨粒切削物理模型图1表示单颗磨粒去除材料的物理过程。磨粒被简化为带有圆头的圆锥

9、， 随着磨粒以水平速度v切入工件材料，一部分工件材料在磨粒前端产生了塑性 变形，产生塑性变形的材料有两种流动形式：产生切屑和在磨粒两侧的塑性隆 起；另一部分工件材料从磨粒下方流向磨粒后部并发生弹性回复。噌粒切刖工件=二二删性隆起图1单颗磨粒去除材料物理过程的示意图图2显示了单颗磨粒去除材料过程中材料的流动方向。其中上视图中的方 向I代表了材料在磨粒侧面的流动形成了塑性隆起；方向 II代表了材料流到磨 粒圆头下方，并在磨粒后部弹性回复；方向III代表了材料形成切屑。测觇粧面旳图2单额曆料左除材料过程材料流动的示意图将磨粒接触的材料分为F-HEIG和HEI-JBK两个区域，区域F-HEIG内材 料

10、变形的形式为弹性变形，最大应力发生在F点，其值等于材料的屈服极限应力（T Y。最小应力位于以0为圆心的圆周上，其值等于0。区域HEI-JBK内材料 的变形方式为塑性变形，这部分材料在沿磨粒垂直y轴剖面外圆周方向受到拉应力；在垂直y轴剖面径向方向受到压应力。同时，作用于磨粒的材料塑性变 形开始于弧HEI，终止于弧JBK在这个过程中产生的拉应变 和压应变分别为: HEIJBKJBK-HEIHEI2.2单颗磨粒切削力学模型F-HEIG区域x向和y向切削力分别表示为Fx勺 Jo Joex-e=4內p 2Jo Jocosi9cosd(9dc5式中6一材料的屈服极限应力弹性接触角 /.EOF, ft=ar

11、ccos（l-/?i/r） fiF-HEIG区域任-微元所受切应力 f H = /ctj月坷（滑动区域） I耳=二咯点粘结区域）ar -FdffiJG区域内任一微元所受压应力eyeHEI-JBK区域x向和y向切削力分别表示为I /2.2LLF兀=2jo Jo 疗 b,耳)g$(q +快Io 片(兔 + /)cos/d/d/ +*rr G cos( + /)cos(/d;zd(/H 2 frr r2 sin( + y)dydi式中 色険性接触角ZEOE* = arccos（l-7n/r） ZJSK区域内任一微元所受压应力, 是压应变耳、应变率和温度的 函数_ r sin 旺-rsin（ +/）

12、_ sin 】f rsin -/）sin（炖+y）r2HEAJBK区域内任一微元所受切应力 f b =/2 “巧 缶（粘结区域）因此单颗磨粒切削合力的x向分量表达式为x1Fx2单颗磨粒切削合力的y向分量表达式为F y = F w F y2从单颗磨粒切削力表达式中可以看出，要对其进行求解需要三个方面的基本数 据：材料应力一应变关系（本构模型）、摩擦模型和磨粒几何参数。淬硬AISI D2钢（62 HRC）由于其高硬度和良好的耐磨性，是一种被广泛应 用于模具制造行业的金属材料，在本研究中被选为被加工材料。迄今为止研究 者提出了多种这样材料的本构模型，其中符合幕指数关系的材料模型是一种普 遍适用的材料

13、模型，其表达式为45检测装賈1如26技术人员347. 50产量（件/】00小时）598净利润（元/小时）46 15表4改善方案2的仿真结果设备改善方案2数量冶）利用率（滋）数控车床299 87清洗机19Q 47检测装进96 81输送装置1194 47输送装置2168 35输送装就3174产量（件/100小时）747净利润（元/小时）22 31从表4中可以看出,在系统运行的100小时里,系统生产了 747件产品,将 设备投资和维修费用折算到加工成本后（具体公式略）每小时的净利润额也增加 到了 122. 31元,分别比方案1提高了 24. 9%和163. 03%;而且各种设备也 得到了充分的利用。综合对比以后，可以发现方案2是相对最优的系统优化方 案。从上述对生产系统的仿真可以看到：运用仿真可以通过对生产系统的简单 描述,动态的为生产系统地改善决策作出量化的描述，为提高生产系统的效率提 供较为准确的量化依据。当然，这只是一个简单的过程仿真的示例。对于复杂的 生产系统而言，系统间的关系和影响因素将更加复杂，单靠人的能力是无法对这 些因素进行分析和预测的，计算机仿真技术对管理人员的帮助就更加明显了。三