专题二：几何仿真技术

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1、专题二：几何仿真技术,一、什么是仿真技术 二、仿真工具 三、仿真方法 四、应用情况 五、模具设计与制造过程的工艺仿真技术 六、汽车覆盖件复杂模具的运动仿真,一、仿真技术,仿真技术是一门多学科的综合性技 术，它以控制论、系统论、相似原理和信息技术为基础，以计算机和专用设备为工具，利用系统模型对实际的 或设想的系统进行动态试验。,例如，汽车或飞机的驾驶训练模拟器，就是应用仿真技术的成果。信息处理技术 和网络技术的发展，实际上已经完全改变为仿真的概念。将先进的仿真技术与网络技术相结合，由真实装备和 计算机仿真系统综合仿真系统组成仿真环境，用计算机网络把新武器系统和分散在不同地点的研制者、用户联 系在

2、一起，让用户在仿真环境中提前“使用”正在研制的武器，让研制者能提前了解武器的作战使用，双方共同 研究，及时发现和解决问题。这样不仅加快了武器系统的研制进度，也缩短了新武器形成战斗力的时间。在部 队训练方面，仿真技术同样大有用武之地。美国陆军到 80年代末，训练士兵还是采用野战训练和模拟训练两种方 法。战训练的主要问题是燃料、弹药消耗大，场地、都有困难，组织大规模演习费时又费力；模拟训练，所用的 模拟器可能比它所模拟的真实装备还要贵。为了解决部队训练问题，美国国防部高级研究计划局1983年开始实施 模拟器联网计划，把分散在各地的训练器用计算机联成网络，形成分布式交互仿真，实现异地联通与互操作。仿

3、 真技术是一项国防关键技术，对提高武器系统的研制效率、改善部队训练和提高战斗力将发挥越来越大的作用 ，已成为发达国家实现质量建军的一种重要手段。,二、仿真工具,主要指的是仿真硬件和仿真软件。 仿真硬件中最主要的是计算机。用于仿真的计算机有三种类型：模拟计算机、数字计算机和混合计算机。 仿真软件包括为仿真服务的仿真程序、仿真程序包、仿真语言和以数据库为核心的仿真软件系统。,1、仿真的硬件 数字计算机还可分为通用数字计算机和专用的数字计算机。模拟计算机主要用于连续系统的仿真，称为模拟仿真。在进行模拟仿真时，依据仿真模型(在这里是排题图)将各运算放大器按要求连接起来，并调整有关的系数器。改变运算放大

4、器的连接形式和各系数的调定值，就可修改模型。仿真结果可连续输出。因此，模拟计算机的人机交互性好，适合于实时仿真。改变时间比例尺还可实现超实时的仿真。,60年代前的数字计算机由于运算速度低和人机交互性差，在仿真中应用受到限制。现代的数字计算机已具有很高的速度，某些专用的数字计算机的速度更高，已能满足大部分系统的实时仿真的要求，由于软件、接口和终端技术的发展，人机交互性也已有很大提高。因此数字计算机已成为现代仿真的主要工具。,混合计算机把模拟计算机和数字计算机联合在一起工作，充分发挥模拟计算机的高速度和数字计算机的高精度、逻辑运算和存储能力强的优点。但这种系统造价较高，只宜在一些要求严格的系统仿真

5、中使用。除计算机外，仿真硬件还包括一些专用的物理仿真器，如运动仿真器、目标仿真器、负载仿真器、环境仿真器等。,2、仿真软件simulation software 专门用于仿真的计算机软件。它与仿真硬件同为仿真的技术工具。仿真软件是从50年代中期开始发展起来的。它的发展与仿真应用、算法、计算机和建模等技术的发展相辅相成。,1984年出现了第一个以数据库为核心的仿真软件系统，此后又出现采用人工智能技术（专家系统）的仿真软件系统。这个发展趋势将使仿真软件具有更强、更灵活的功能、能面向更广泛的用户。,目标：不断改善面向问题、面向用户的模块描述能力和对模型实验的功能。 不同技术水平的用户通过仿真软件能在

6、不同的程度上采用他们表达问题的习惯语言,方便地与计算机对话,完成建模或仿真实验。,主要功能 ： 源语言的规范化和处理，即规定描述模型的符号、语句、句法、语法，检测源程序中的错误和将源程序翻译成机器可执行码。仿真的执行和控制。数据的分析和显示。模型、程序、数据、图形的存储和检索。 可以通过对软件的设计来实现这些功能。,分类：仿真软件分为仿真语言、仿真程序包和仿真软件系统三类。 其中仿真语言是应用最广泛的仿真软件。专门用于仿真研究的计算机高级语言，是一种面向问题的非顺序性的计算机语言。在系统仿真时应用仿真语言，不要求用户深入掌握通用高级语言编程的细节和技巧，因此用户可用原来习惯的表达方式来描述仿真

7、模型，而把主要精力集中在仿真研究上。,仿真程序包是针对仿真的专门应用领域建立起来的程序系统。软件设认人员将常用的程序段设计成通用的子程序模块，并设计一个主程序模块，用于调用子程序模块。仿真研究人员使用这种程序包可免去繁重的程序编制工作。仿真程序包除不具备仿真软件的功能以外，至少具备功能、中的任一种。,仿真软件系统以数据库为核心将仿真软件的所有功能有机地统一在一起，构成一个完善的系统。它由建模软件、仿真运行软件（语言）、输出结果分析报告软件和数据库管理系统组成。,三、仿真方法,仿真方法是建立系统的数学模型并将它转换为适合在计算机上编程的仿真模型，然后对模型进行仿真试验的方法，可分为两大类：连续系

8、统的仿真方法；离散事件系统的仿真方法。,仿真方法不是一种单项技术，而是一种求解问题的方法。它可以运用各种模型和技术，对实际问题进行建模，通过模型采用人工试验的手段，来理解需要解决的实际问题。通过仿真，可以评价各种替代方案，证实哪些措施对解决实际问题有效。,仿真方法的一个突出优点是能够解决用解析方法难以解决的十分复杂的问题。有些问题不仅难以求解，甚至难以建立数学模型，当然也就无法得到分析解。仿真可以用于动态过程。可以通过反复试验(Trialanderror)求优。与实体试验相比，仿真的费用是比较低的，而且可以在较短的时间内得到结果。,连续系统仿真方法,连续系统的数学模型一般是用微分方程来描述的，

9、模型中的变量随时间连续变化。根据仿真时所采用的计算机不同，可分为模拟仿真法、数字仿真法和混合仿真法三类。,模拟仿真法：采用模拟计算机对连续系统进行仿真的方法，主要包括建立模拟电路图，确定仿真的幅度比例尺和时间比例尺，并根据这些比例尺修改仿真模型中的参数。,数字仿真法：采用数字计算机对连续系统进行仿真的方法，主要是将连续系统的数学模型转换为适合在数字计算机上处理的递推计算形式。,混合仿真法：采用混合计算机对连续系统进行仿真的方法，还包括采用混合模拟计算机的仿真方法。除上述仿真方法的内容外，还需要解决仿真任务的分配、采样周期的选择和误差的补偿等特殊问题。,离散事件系统仿真方法,离散事件系统的状态只

10、在离散时刻发生变化，通常用“离散事件”这一术语来表示这样的变化。离散事件系统中的实体依其在系统中存在的时间特性可分为临时实体（或称顾客）和永久实体（或称服务台）。,临时实体的到达和永久实体为临时实体服务完毕，都构成离散事件。描述这类系统的数学模型一般不是一组数学表达式，而是一幅表示数量关系和逻辑关系的流程图，可分为三部分：到达模型，服务模型和排队模型。前两者一般用一组不同概率分布的随机数来描述，而包括排队模型在内的系统活动则由一个运行程序来描述。对这类系统，主要使用数字计算机进行仿真。仿真方法解决的问题是：产生不同概率分布的随机数和设计描述系统活动的程序。,还有一些用于仿真的特殊方法，如蒙特卡

11、罗法。仿真方法还包括进行仿真实验的方法，主要是指：为了对系统作深入的分析和综合研究，在计算机上对仿真模型进行多次运行仿真，包括交叉效应、迭代寻优和统计实验等。,四、应用情况,50年代和60年代仿真主要应用于航空、航天、电力、化工以及其他工业过程控制等工程技术领域。,在航空工业方面，采用仿真技术使大型客机的设计和研制周期缩短20。利用飞行仿真器在地面训练飞行员，不仅节省大量燃料和经费（其经费仅为空中飞行训练的十分之一），而且不受气象条件和场地的限制。此外，在飞行仿真器上可以设置一些在空中训练时无法设置的故障，培养飞行员应付故障的能力。训练仿真器所特有的安全性也是仿真技术的一个重要优点。,在航天工

12、业方面，采用仿真实验代替实弹试验可使实弹试验的次数减少80。在电力工业方面采用仿真系统对核电站进行调试、维护和排除故障，一年即可收回建造仿真系统的成本。现代仿真技术不仅应用于传统的工程领域，而且日益广泛地应用于社会、经济、生物等领域，如交通控制、城市规划、资源利用、环境污染防治、生产管理、市场预测、世界经济的分析和预测、人口控制等。对于社会经济等系统，很难在真实的系统上进行实验。因此，利用仿真技术来研究这些系统就具有更为重要的意义。,五、模具设计与制造过程的 工艺仿真技术,包括：模具设计过程数值仿真系统结构，体积成形过程工艺仿真、板料成形过程工艺仿真、注塑成形过程工艺仿真以及模具设计过程工艺仿

13、真等。,1、模具设计过程数值仿真系统结构 模具设计过程数值仿真系统的建立就是将有限元理念、模具设计工艺学、计算机图形处理技术等相关理论和计算机有机结合的过程。,仿真系统的功能大致可分为：前置处理部分、有限元求解器和后处理部分。其中，前置处理部分和后置处理部分又是建立在计算机图形处理系统(或平台)的基础上。该图形平台可以是借助于一些商品化的图形软件，也可以是为仿真系统专门开发的图形软件。,（1）前置处理 该部分是仿真系统的重要环节。该部分的基本构成包括用户交互界面的设计、力学模型的建立与离散(包括变形与模具)、初边值条件的确定，材料模型确定、数据交换接口的设计等。,用户交互界面的设计考虑到其交互

14、方式的友好性，以便于用户理解仿真过程并能实时地监控仿真过程。材料模型的确定方式主要包括；用户按照系统提供的弹塑性。弹粘塑性、刚性、刚粘塑性模型输入相应的热、物性参数以及根据用户提供的实验曲线与数据由系统自动进行拟合及转化成仿真系统所需的数据和几何信息的交流途径。,（2）有限元求解器 有限元求解器的功能是对力学模型进行相应单元分析与组集，通常经一系列的技术处理将求解问题转化成一线性方程组进行求解。,（3）后置处理 后置处理的作用是对有限元计算产生的大量数据进行解释，以便形象地、直观地描述成形过程各阶段的变形行为。后置处理的关键技术在于计算结果的可视化和计算结果的智能解释。可视化的计算结果既能直观

15、地反映计算结果，又可及时地发现和纠正计算中的错误，为修改设计提供指导意见。通常仿真系统经过后置处理后能向用户提供参数曲线。,2、体积成形过程的工艺仿真 金属体积成形过程是一个复杂的几何非线性和物理非线性的大变形塑性问题，代表工艺有锻造、挤压、轧制等。,对其进行分析的目的是确定工件在塑性成形的各变形阶段所需的变形功和变形力，内部应力、应变、温度分布和金属流动规律，确定模具的应力、应变、温度分析、合理形状及材料，确定工件的尺寸精度、残留应力、缺陷、晶粒的大小和取向分布，为模具设计提供可靠的依据。,3、板料成形过程的工艺仿真 板料成形技术被广泛用于制造压力容器、汽车、船舶、飞行器的外壳以及各种形状日

16、用品，而产品的冲压工艺直接影响到最终成品的质量。,汽车大型覆盖件的质量决定着汽车外形美观与否。在汽车市场竞争日益激烈的今天，如何快速适应市场的需求，缩短新车型的开发周期对于每个汽车制造商来说都是至关重要的，而其中覆盖件模具的开发周期是影响新车型开发的关键所在。,在汽车覆盖件生产中经常出现起皱、拉裂、回弹等缺陷，这些缺陷与成形工艺参数如冲压方向、工艺补充面、拉深肋、凹模的圆角甚至坯料形状等设计息息相关，传统的方法是在开发过程中通过试模来验证工艺可靠性，不仅耗时费力，并且开发周期难以预料。,借助有限元参数仿真技术，可以在数小时或数十小时内就能完成一种工况的计算，可以快速对成形工艺可行性进行评价，大大缩短了模具开发周期。近年来，大量的具有完善前、后置处理系统的成形分析软件，广泛应用于包括汽车覆盖件成形工艺仿真在内的许多领域中，其中具有代表性的是静态隐式程序MLTFRM和AUTO一FORMncremental，动态显式程序Ptamping和LSDYNA3D等。,4、注塑成形过程的工艺仿真 注塑成形工艺仿真是指对融料的流动状况、压力分布和冷却过程等进行模拟以获得能实现最佳充填的模具结构。,