数字化设计与仿真技术范文

数字化设计与仿真技术篇1

关键词:液压 仿真技术 应用与发展

中图分类号:TP27 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2012)08(a)-0097-01

仿真技术是液压系统设计的必要手段,已经被业界广泛认可。液压仿真技术始于20世纪50年代,刚开始是运用传递函数法进行仿真,也只能分析系统的稳定性及频率响应特性,这是一种用于单输入单输出的系统的仿真技术。进入20世纪70年代后,随着液压流体力学、现代控制理论、故障诊断技术、信息化技术的发展,液压仿真技术也得到了一定发展,已经可以建立液压系统的分析数学模型。近年来,加快了复杂的液压系统的研究,这使得从以前对象单一的形式化模型及数字化信息空间的定量研究发展到对于对象建立起定性和定量相结合,将信息、智能集成在一个复杂的信息空间中的定性和定量的研究。液压仿真技术由三个部分组成:数据建模;模型解算;仿真结果分析。在我国,液压仿真技术起步比较晚,虽然取得了很大的进步,比如国内的液压软件仿真系统DLYSIM的研发成功,但是目前我国与国外的液压仿真技术还有很大的差距。

1 液压仿真技术存在的主要问题

目前液压仿真技术存在的主要问题有以下几类问题:结构要求更加复杂,系统建模不容易;技术要求更高,系统仿真的精度和可靠性不高达不到要求的水准;结构不断复杂化,仿真模型库不完善问题越来越突出;各类仿真软件不断被开发,但是仿真软件的通用性不好的问题大量存在;液压技术不断发展,客户对液压仿真技术要求越来越高等。而液压仿真技术目前主要有以下几个关键点:一是加强液压元件和系统建模理论的研究,深入探索液压系统的机理,为液压仿真技术的发展提供充分的理论基础;二是继续开展液压专用仿真软件的开发和研制,为行业提供更加方便快捷的仿真工具,提高整个行业的操作效率;三是提高仿真结果的精度,以满足越来越高的客户要求,使仿真软件更加专业化;四是提高行业设计人员的素质,提高创新发展的能力;五是优化输出结果的描述和分析的方法,让结果分析更加明确清晰,效率更高。

2 现代化仿真技术在液压系统中的应用

随着信息化技术的不断发展,仿真技术也越来越成熟,利用计算机和硬件编程作为工具来研究液压系统动态特性已经成为一种发展趋势。仿真技术是以计算机技术、信息化技术、系统编程技术及其应用有关的专业技术为基础,以各种相似原理和物理效应的设备为工具,利用一些假想的简化模型结构对实际情况进行模拟研究的一种技术。它综合了计算机、网络、故障诊断、液压驱动技术、软件工程、信息处理、自动控制等多个高新技术领域的最新成就,不仅可以用于产品或系统的性能测试,而且可以用于产品研制开发的整个过程及由多个系统综合构成的复杂系统。

随着仿真技术的发展,仿真类型也在不断丰富,根据计算机类型的不同,仿真可以分为模拟仿真、数字仿真、数字模拟混合仿真和全数字仿真。模拟仿真是传统的类型,它主要是以模拟计算机为主要工具,对液压系统的模拟进行运算和研究。而数字仿真是现代化的仿真手段,它是以数字化计算机为主要工具。

仿真技术在液压领域的应用主要包括以下几点。

(1)通过理论推导建立已有液压元件或系统的数学模型,用实验结果与仿真结果进行比较,验证数学模型的准确度,并把这个数学模型作为今后改进和设计类似元件或系统的仿真依据,深入探索液压系统的机理,为液压仿真技术的发展提供充分的理论基础,这也能很好的解决目前仿真模型库不完善的问题。

(2)通过建立数学模型和仿真实验来模拟现实问题,在建模时对于不同的情况我们要采用不同的方案,例如采用有限元分析,甚至有时候还要适当简化模型,这样来找到模拟计算难度和切合实际问题之间的平衡。然后设置相应的各种数据参数,在设置参数时,我们首先要进行理论上的选择,然后针对实际情况做出一些相应的修改。最后确定已有系统参数的调整范围,这样有利于掌握仿真的范围也可以缩短系统的调试时间,减少犯错的几率,也提高了效率。

(3)通过仿真实验研究测试新设计的元件各结构参数对系统动态特性的影响,要注重各个元件的配合和基本参数,如液压泵的压力、液压泵的排量和流量、液压泵的功率以及液压泵的效率等,确定参数的最佳匹配,提供实际设计所需的数据,并把数据整理入库,完善液压仿真技术的数据库。

(4)通过仿真实验验证新设计方案的可行性及结构参数对系统动态性能的影响,从而确定最佳控制方案和最佳结构。在这个过程中我们要综合所有应该考虑的因素,不仅仅是技术方面的,还有一些技术以外的重要因素,比如造价、环境状况和实现难易程度等。

3 液压仿真技术的发展趋势

3.1 创新建模方法

在整个液压仿真技术中,建模是一个重要的基础,一个正确的模型,可以很好的反应需要解决的问题和得到想要的数据。因此应大力发展系统自动建模技术、一体化开放性的图形建模技术、具有在线自动调试功能的建模技术和采用高精度自适应的模型,来提高模型的可操作性和准确度,为液压系统的分析提供技术支持。

3.2 开展人机交互的仿真研究

人机交互技术已经成为信息化技术追求的目标,不仅是仿真技术,其他计算机技术也在加大这方面的研究。人机交互旨在提供更好的操作技术,使操作更加方便,也更加智能化。

3.3 进行面向对象化的仿真技术研究

面向对象化的仿真技术是近几年发展起来的新型技术,它突破了传统的仿真方法的观念,它根据组成系统的对象及其相互作用关系来构造仿真模型。它分析、设计和实现系统的观点与人们认识客观世界的自然思维方式一致,因而增强了仿真研究的直观性和理解性。

4 结语

随着信息技术的发展,我国液压仿真技术也越来越成熟,但是还有很多关键问题还有待解决和提高,所以我们要不断创新液压仿真技术,加强对整个行业的重视和投入。液压仿真技术正在朝着智能化、数字化方向发展,相信不久的将来液压仿真技术会带给我们更多的惊喜。

参考文献

[1]王士刚.液压系统动态仿真模型可视化建模技术研究[J].大连理工大学学报,2004(2).

[2]程安宁．液压仿真技术的应用与发展[J]．机床与液压,2007(5)．

数字化设计与仿真技术篇2

关键词：数字化工厂；关键技术；制造数字化

数字化工厂是以制造产品和提供服务的企业为核心，由核心企业以及一切相关联的成员构成，使所有运营信息数字化的动态“组织”。通过数字化工厂信息系统有效地组织控制人流、物流、资金流和信息流，实现组织内部所有成员之间的高度协作和资源共享，为客户提供满意的产品和服务。而数字化工厂工作流管理系统作为数字化工厂信息系统的基础，是协调数字化工厂成员内部、成员相互间的各项活动的具体执行者。数字化工厂是指以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。是现代数字制造技术与计算机仿真技术相结合的产物，同时具有其鲜明的特征。它的出现给基础制造业注入了新的活力，主要作为沟通产品设计和产品制造之间的桥梁。

一、数字化工厂概述

数字化工厂（DF）以产品全生命周期的相关数据为基础，在计算机虚拟环境中，对整个生产过程进行仿真、评估和优化，并进一步扩展到整个产品生命周期的新型生产组织方式。在设计部分，CAD和PDM系统的应用已相当普及；在生产部分，ERP等相关的信息系统也获得了相当的普及，但在解决“如何制造工艺设计”这一关键环节上，大部分国内企业还没有实现有效的计算机辅助治理机制，“数字化工厂”技术与系统作为新型的制造系统，紧承着虚拟样机（VP）和虚拟制造（VM）的数字化辅助工程，提供了一个制造工艺信息平台，能够对整个制造过程进行设计规划，模拟仿真和治理，并将制造信息及时地与相关部分、供应商共享，从而实现虚拟制造和并行工程，保障生产的顺利进行。“数字化工厂”规划系统通过同一的数据平台，通过具体的规划设计和验证预见所有的制造任务，在进步质量的同时减少设计时间，加速产品开发周期，消除浪费，减少为了完成某项任务所需的资源数目等，实现主机厂内部、生产线供给商、工装夹具供给商等的并行工程。数字化工厂（DF）是企业数字化辅助工程新的发展阶段，包括产品开发数字化、生产准备数字化、制造数字化、管理数字化、营销数字化。除了要对产品开发过程进行建模与仿真外，还要根据产品的变化对生产系统的重组和运行进行仿真，使生产系统在投入运行前就了解系统的使用性能，分析其可靠性、经济性、质量、工期等，为生产过程优化和网络制造提供支持。

二、数字化工厂的关键技术

通常研究的制造系统是非线性离散化系统，需要建立产品模型、资源模型制造设备、材料、能源、工夹具、生产人员和制造环境等、工艺模型工艺规则、制造路线等以及生产管理模型系统的限制和约束关系。数字化工厂是建立在模型基础上的优化仿真系统，所数字化建模技术是数字化工厂的基础。随着虚拟设计技术的发展，在计算机中进行产品零件的三维造型、装配分析和数控加模拟技术以及以上程分析技术不断发展和完善，这种技术进一步向制造过程领域发展。数字化建模的基础上，对制造系统进行运动学、动力学、加工能力等各方面进行动态仿真优化。随着三维造型技术发展，三维实体造型技术已得到普遍的应用。具有沉浸性的虚拟现实技术，使用户能身临其境地感受产品的设计过程和制造过程，使仿真的旁观者成为虚拟环境的组成部分。数字化工，软件模块之间以及和其他软件模块之间的信息交换和集成。虚拟环境的下具集、各种数据转换工具、设备控制程序的生成器、各种报表的输出工具等。

三、数字化工厂的解决方案

（一）产品研发的数字化和虚拟化

数字化工厂通过使用CAX等软件，建立产品的逻辑、几何、功能、性能和关联等模型，实现基于模型的产品定义与关联设计，在虚拟的数字世界中完成多学科优化、协同设计、优化分析、制造试验仿真及模拟产品的制造和运营过程（包括虚拟工厂、生产线布局、物流等）。同时，通过PLM与ERP/MES等集成，实现三维模型、数字化工艺指令等信息向生产现场的推送，并与质量、采购、物流等部门进行共享。各部门依据这些共享信息即可开展相应的零部件生产、原材料采购、产品验收和产品确认等工作。

（二）生产过程的精益化和标准化

数字化工厂是按照精益思想建设的，通过对生产过程进行优化整合，并制定相应的标准化操作规程，确保车间生产节奏更加紧凑和有序。它使用ERP统一管理和下达生产指令，使用MES和数据采集与监控系统实现对生产计划调度、物料追踪、数据采集、生产设备状态监控、工位操作、包装发货等生产运营全过程的管理，并将检测结果与PLM中设计模型进行快速对比，形成从虚拟产品设计到实际生产制造的闭环产品质量控制，实现从原料进厂到产品出厂的生产过程自动化、装备制造信息化和智能化、生产过程的高度透明化。

（三）车间生产的自动化和集成化

数字化工厂车间生产自动化是在统一通信、统一编程以及统一IT架构的基础上，通过高运行可靠性和可用性的数据链路（物联网及工业网等），把生产制造过程中众多独立的产品、工具与关联的服务进行集成，支持自动化控制、制造执行和企业资源管理等系统的完美整合。并将网络与通信、传感器与感知、自动检测、人机交互与专家系统等智能化技术加入车间制造单元与生产线中，实现系统自优化、自重构、自诊断，形成高度的柔性生产方式，达到信息技术和制造技术深度融合的目的，使得高度智能的快速生产成为可能。

四、结束语

绿色和人文是数字化工厂的重要特征，所以数字化工厂的建设不仅要求体现数字化、自动化和智能化元素，还要符合绿色人文的需求。它一方面用自动化设备来减轻人员的体力消耗和精神压力，以及用持续的职业发展规划来延长员工的工作寿命和工作质量。

参考文献：

[1]李荣彬.数码工厂年代的制造业[J].中国机械工程，2015.

数字化设计与仿真技术篇3

关键词：仿真　计算机仿真　计算机仿真技术

一、引言

仿真是对现实系统的某一层次抽象属性的模仿，人们利用这样的模型进行试验，从中得到所需的信息，然后帮助人们对现实世界中某一层次的问题做出决策。计算机仿真就是建立系统模型的仿真模型进而在电子计算机上对该仿真模型进行模拟实验的研究过程。计算机仿真技术即以计算机仿真为手段，通过仿真模型模拟实际系统的运动来认识其规律的一种研究方法，也称计算机仿真方法。在科技飞速发展的今天，它已经成为控制系统分析、研究、设计不可缺少的重要工具。

二、计算机仿真技术的特点

1.模型参数可根据要求任意调整、修改和补充。人们可以得到各种可能的仿真效果，为进一步完善研究方案提供了可能。与传统的实物实验相比，具有运行费用低、无风险、方便灵活等优点。

2.系统模型求解快速。运用计算机仿真，能够在较短的时间内得出仿真运算的结果，为生产实践提供最及时的指导。

3.仿真运算结果可靠、准确。在机器没有故障的前提下，只要系统模型、仿真模型、仿真程序科学合理，那么计算机的运算结果是准确无误的。

4.实物、实时仿真直观、逼真。这一特点使它在一些复杂工程系统中例如核电、航天等领域得到了广泛应用。

传统的仿真技术是一个迭代过程，即针对实际系统某一层次的特性（过程），抽象出一个模型，然后假设态势（输入），进行试验，由试验者判读输出结果和验证模型，根据判断的情况反复修改模型和有关的参数，不仅效率低，也存在环境、安全等因素的限制，所以很难达到实验者满意的仿真效果。而计算机仿真技术是利用计算机科学和技术的成果建立被仿真的系统的模型，并在试验条件下对模型进行动态实验，它具有高效、安全、受环境条件的约束较少、可改变时间比例尺等优点，已成为分析、设计、运行、评价、培训系统尤其是复杂系统的重要工具。

三、计算机仿真技术的研究现状

计算机仿真技术的发展与计算机的发展是密不可分的。20世纪50年代的计算机仿真大部分是以电子模拟计算机为主机实现的，在部分特殊应用领域内也有以液压机、气压机或阻抗网络作为主要模拟设备的。由于电子模拟计算机的精度较差等缺点，从70年代初开始，数字模拟混合计算机仿真得到发展。从70年代末起，以数字机为主机的各种各样的专用和通用计算机仿真得到了普及和推广。转贴于 由于高性能工作站、巨型机、小巨机、软件技术和人工智能技术取得了引人瞩目的进展，在80年代人们对智能化的计算机仿真寄予了希望，也在综合集成数字仿真和模拟仿真优势的基础上，设计出了在更高层次上的数字模拟混合仿真技术，在一些特定的仿真领域内，这种智能计算机仿真和高层次的数字模拟计算机仿真都取得了令人鼓舞的结果。80年代初推出了一些仿真机，SYSTEM10和SYSTEM100就是这类仿真技术的代表。90年代又开始了交互式仿真和虚拟仿真的研究并取得了一定的成绩。特别是近20年来，随着系统工程与科学的迅速发展，计算机仿真技术也得到了蓬勃发展，已经从传统的工程领域扩展到非工程领域，在社会经济系统、环境生态系统、生物医学系统、能源系统、教育培训系统等得到了广泛应用。

四、计算机仿真技术的展望

随着计算机应用技术和网络技术的发展，计算机仿真技术也在不断地发展。未来的发展主要有两个方向：

1.仿真技术的网络化

众所周知，现在已经开发研制出来的仿真系统有很多，它们不能互相兼容，可移植性差，实现共享困难，与开发的高成本、低效率、长时间不成正比，更不能充分加以利用。要想解决这些问题，首先要解决的是采用兼容性好的计算机语言来编写仿真系统，其次是采用网络化技术实现仿真系统的共享。尤其是后者，在将来的仿真系统开发中具有重要的意义。实现仿真系统的网络共享，不但可以在一定程度上避免不必要的社会资源的浪费，而且可以通过适当的收费来弥补开发成本的不足。

2.仿真技术的虚拟制造

计算机仿真技术发展的另一个大方向是在虚拟制造技术领域的深入应用。虚拟制造技术是20世纪90年展起来的一种先进的制造技术，它利用计算机仿真技术和虚拟现实技术的结合，在计算机上实现了从产品设计到产品出厂以及企业各级过程的管理与控制。这使得制造技术不再主要依靠经验，便可实现对制造的全方位预测，为机械制造领域开辟了一个广阔的新天地。

参考文献

[1] 王中鲜 MATLAB建模与仿真应用.机械工业出版社，2010。

[2] 赫培峰 崔建江 潘峰 计算机仿真技术.机械工业出版社，2009。

数字化设计与仿真技术篇4

为了实现柴油机的数字化设计制造一体化集成，本文研究了数字化技术的发展趋势，描述了柴油机数字样机的定义，阐述了主动地应用、创建设计重用资源，构建柴油机数字样机的关键技术，主要包括仿真模型的阶段性继承重用、自顶向下模块化设计方法、产品数据管理、知识工程以及软件系统集成等技术。

目前，美、德、日等发达国家通过采用先进的物联网技术，打造数字化工厂，实现了从采购、生产到销售和服务的全产业链的数字化，而我国在数字化制造领域尚缺乏自主知识产权的数字化制造技术，迫使我国加快工业转型升级的步伐，借鉴德国工业4.0 计划，使工业化、信息化深度融合，力争在2025 年从工业大国转型为工业强国。企业要进行产品结构调整和自主产品创新，通过产品设计手段与设计过程的数字化和智能化，应用数字样机技术，以全新的设计模式和开发体系，给设计过程加入数字化的验证手段，显著提高产品研发速度和研发质量，降低研发成本，不断提高企业的产品创新能力、快速反应能力、竞争能力和经济效益。

面向设计重用，就是主动地应用和创建设计重用资源( 包括知识、技术和系统等)。构建柴油机数字样机是充分体现了设计重用思想的创新活动。

一、柴油机数字样机

随着虚拟产品开发（Virtual Product Development，VPD）和产品全生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）等多种数字化技术的应用，产品创新领域引发了大变革，数字样机技术是各领域CAX/DFX 技术的发展和延伸。在数字样机概念出现前期，国内外文献出现了数字化产品模型技术（DigitalMock-Up）或数字化样机（Digital Prototype）、功能虚拟样机（FunctionalVirtual Prototype）或虚拟样机（Virtual Prototype）、虚拟工厂仿真（VirtualFactory Simulation）或数字工厂（e-Factory）等概念，表明仿真在产品设计过程中的应用趋于协同化和系统化，而且越来越广泛而深刻，由原先的局部应用（单领域、单点）逐步扩展到系统应用（多领域、全生命周期）。

GB/T 26100-2010《机械产品数字样机通用要求》对数字样机（DigitalMock-Up，DMU）的定义是：对机械产品整机或具有独立功能的子系统的数字化描述，这种描述不仅反映了产品对象的几何属性，还至少在某一领域反映了产品对象的功能和性能。产品的数字样机形成于产品设计阶段，可应用于产品的全生命周期，这包括：工程设计、制造、装配、检验、销售、使用、售后和回收等环节；数字样机在功能上可实现产品干涉检查、运动分析、性能模拟、加工制造模拟、使用者培训、宣传和维修规划等方面。

根据功能和应用对象，柴油机数字样机可以分为以结构样机、性能样机和功能样机等为主的设计信息样机，以及以制造样机、装配样机、展示样机和培训样机等为主的专用样机。

结构样机是用于描述柴油机几何形状的数字样机，是柴油机外形轮廓、基本结构等方面的数字化表达。除了柴油机内部和外部各零部件的几何形状外，结构样机还包含了柴油机重量、重心等信息，并支持零部件运动间隙、干涉检查和尺寸链等信息的获取。

性能样机是侧重于产品性能描述的数字样机，用于柴油机性能、子系统参数的设计与表达，支持燃烧过程分析与控制。通过从性能样机中提取结构及参数，可以进行供油系、进排气系（含增压）、冷却系和润滑系的参数设计和结构优化，支撑子系统间协调优化。性能样机还包含柴油机可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性和环境适应性等方面的信息。性能样机允许按子系统（燃烧、供油、电控、进排气和冷却和润滑等）分别创建。

功能样机是侧重于产品功能描述的数字样机，用于柴油机零部件的设计与表达，可以进行曲轴连杆机构、传动机构和配气机构及其支撑、定位结构的分析，支持密封及紧固设计。通过从功能样机中提取结构及参数，可以进行运动机构刚强度、运动状态及接触状态等的分析。除了柴油机运动过程中零部件的运动学信息（位移、速度和加速度等）和动力学信息（作用力、摩擦力及预紧力等）外，功能样机还能够表达柴油机各运动机构的协调关系。功能样机可按运动机构（曲轴连杆机构、配气机构和传动机构）分别创建，并可以支持运动机构间协调优化工作。

专用样机是为支持柴油机全生命周期过程中特殊用途而构建的柴油机数字样机，是实物样机用于制造、装配和使用的数字化表达。制造样机包含零部件的CAM 及CAPP 仿真分析，零部件的成型、加工过程，表面粗糙度要求，以及尺寸公差等信息；装配样机包含样机装配工装、装配路径、装配顺序以及装配过程中的人机工程学模拟信息；展示样机着重表达了柴油机的关键技术的零部件、子系统等，以及新材料、新工艺的应用信息；培训样机着重于表达柴油机操作过程，日常维护等信息。

二、构建柴油机数字样机的阶段性继承重用

数字化产品开发主要包括三维几何建模技术、产品数字化定义、数字化装配技术、数字化仿真分析以及产品的数字化加工等部分。在产品数字化定义的基础上，通过虚拟装配，协调各零件之间的间隙，排除各种不合理的设计和干涉，进行运动机构分析，模拟零部件安装、拆卸分析，功能、性能交互仿真分析，系统部件行为的交互模拟分析等一系列设计活动，最终形成数字样机。

柴油机数字样机研发过程中至少需要进行概念设计、方案设计和工程设计三轮样机构建。数字样机仿真是可演进的，上一阶段的数字样机是下一阶段设计的输入和依据，每一阶段数字样机都已经首先包含上一阶段数字样机的所有相关信息，不同阶段仿真模型是继承重用。具体如表所示。

1. 构建概念设计阶段数字样机

柴油机概念设计阶段数字样机，用于描述柴油机的基本技术方案，确定柴油机外形，并完成各子系统结构及协调关系，对零部件外形及功能结构进行确认。概念设计阶段提交的数字样机至少包含结构样机和性能样机。

概念设计阶段的结构样机至少包含柴油机各部件、系统的基本结构和在柴油机内的布置，柴油机缸盖进排气道结构和三维形状，柴油机整机支撑布局及主要承力结构，柴油机外部轮廓限制尺寸，柴油机与台架、整机的主要接口。

概念设计阶段的性能样机至少包含柴油机单缸机试验及一维燃烧分析信息，供油系部件试验及分析信息，进排气道性能部件试验及分析信息，冷却系、润滑系一维分析信息，电控策略信息。

2. 构建方案设计阶段数字样机

柴油机方案设计阶段数字样机，用于定义柴油机的基本物理布局和重要结构尺寸，同时完成柴油机整机和部件级结构可靠性的分析和确认，并完成整机及零部件的设计仿真和优化。方案设计阶段提交的数字样机至少包含结构样机、性能样机和功能样机。

方案设计阶段的结构样机至少包含整机及关键零部件刚度三维仿真分析信息，柴油机主要附件布置，柴油机所有部件间结构划分和部件间的详细结构尺寸，零部件的主要结构，柴油机主要维护保养点所需结构，柴油机主要管路系统、电控系统及其连接，柴油机的初步轮廓和主要接口。

方案设计阶段的性能样机至少包含柴油机燃烧过程三维仿真信息，柴油机冷却、润滑、进排气和供油系统三维仿真信息。

方案设计阶段的功能样机至少包含柴油机整机及主要零部件刚度三维仿真信息，柴油机整机振动噪声三维仿真信息，柴油机运动机构机械运动仿真信息和运动学、动力学分析信息，柴油机紧固和密封设计信息。

3. 构建工程设计阶段数字样机

柴油机工程设计阶段数字样机，用于支持全生命周期的数字化设计、仿真分析、制造、装配、试验、使用及维护。工程设计阶段提交的数字样机包含结构样机、性能样机、功能样机和专用样机。

工程设计阶段的结构样机包含柴油机数字化预装配信息，柴油机所有零部件的详细结构尺寸，柴油机所有维护保养点所需结构尺寸，完整的管路、电控系统结构尺寸，柴油机所有外围接口。

工程设计阶段的性能样机包含柴油机可靠性、维修性、保障性、安全性、测试性和环境适应性等信息。

工程设计阶段的功能样机包含整机关键部位疲劳安全系数信息，关键零部件应力分析信息，关键运动件变形信息和接触及疲劳安全系数信息。

三、构建柴油机数字样机的自顶向下、模块化设计方法

数字样机的构建流程采用模块化设计方法，设计任务由总体到系统、部件逐级分解，由部件、系统到整机逐步组合，实现产品的并行设计，支持多专业人员的协同。

模型重用的基础是模块化，即每个可重用的模型必须以一个可分离的方式独立存在，通过标准的输入/ 输出接口定义实现模块功能和表现形式的独立性。模块化设计是在对一定范围内的不同功能或相同功能而不同性能和规格的产品进行市场预测、功能分析的基础上，划分并设计出一系列功能模块，通过模块的选择和组合构成不同的产品，以满足市场的不同需求的设计方法。重用已有的经过试验、生产和市场验证的模块，可以降低设计风险，提高产品的可靠性和设计质量。构建数字样机只是实现了几何上的模块化，我们要实现产品研发过程的模块化。

模型结构的层次化是组织复杂模型的有效方法。数字样机构建过程中参数及接口传递按照自顶向下的顺序分层次构建，逐步细化。顶层通过参数文件和总体骨架模型，表达及协调设计参数、设计结构、外廓约束、部件间接口、联接、紧固和密封等，并以协调卡片和发布骨架的形式阶段性稳定设计状态。柴油机整机模型构建程序如图1 所示。

柴油机数字样机设计间、设计与仿真间、设计与工艺间协同方法和协同节点按照柴油机各阶段设计流程开展。数字样机包含柴油机的机械结构和子系统协调关系，以用于结构和性能分析。

四、构建柴油机数字样机的数据管理平台

数字样机是表达产品所有状态最根本的依据。完备的数字化产品模型，不仅是要描述产品整个生命周期某个过程的产品构成情况，而且对产品技术状态的标识、审核和控制都要求很高。数字样机是通过产品数据管理（ProductData Management，PDM）系统进行存储和管理的。将产品在自顶向下建模设计过程中产生的与产品相关的设计、分析数据（包括骨架模型、三维模型、二维图样、运动机构仿真动画及虚拟装配动画、测试数据和仿真分析报告等），按研制阶段的不同应用要求提交到PDM 系统，根据数据类型的不同分别进入产品、参数、试验和生产等数据管理系统进行统一的规划和管理。签入并确认有效性的数字样机数据在全生命周期内为单一数据源，数据的关联、提交、版本、更改和衍生应进行受控管理。应根据不同平台、不同阶段、不同单位和不同用途等情况, 考虑数字模型的转换和合并, 提出模型的交互格式要求。由于产品数据安全集中共享，设计人员可以很方便地查找、借用其它同类产品的设计经验，设计重用率大大提高。

PDM 管理的不仅是数据，设计重用的对象包括可重用的设计结果和设计方法、工具和过程等抽象知识。可重用的结果可以减少重复的零部件的设计；可重用的过程就是模块化封装的过程，可以减少设计过程中某一环节的重复。

数字样机的仿真分析需要结合实物试验数据。用数字样机技术进行仿真分析（含有简化和假设）的结果，只有重用并对比了企业积累的用实物样机进行产品开发的试验测试结果，如图2 所示，才能建立对仿真分析的置信度，提高产品设计水平，实现原始创新。

企业要有目的地建立和挖掘提取可重用设计资源，减少创新开发中的重复劳动。按参数化设计要求，构建产品需求的通用件、标准件库，而且通用件、标准件等模型库必须唯一，保证设计重用时的方便准确调用。

五、构建柴油机数字样机的知识工程

在柴油机全生命周期中，数字样机创建过程中的每一步实质上都是知识应用和驱动的过程。应用知识工程(Knowledge Based Engineering，KBE)，将知识、技能、经验、原理和规范等融合、重用到产品的设计开发环境中，构建了一个知识驱动的可回溯的迭代与进化过程，使得工程设计人员在自动或交互的复合环境中，只要输入工况参数或工程参数或应用要求，系统就能依据相关的知识（规则），自动推理构造出符合该特定要求下的产品零部件数字模型。

六、结语

数字化设计与仿真技术篇5

关键词：数字电路，Matlab/Simulink仿真，同步RS触发器

中图分类号：TN702 文献标识码：B

1. 引言

数字电路与逻辑设计课程[1]是工科电子信息类与电气工程类专业的专业基础课，对学习后续相关专业课起着不可替代的作用。该门课程的教学一般包含理论教学、实验教学和课程设计等教学环节。通常情况下，完成一定内容的理论教学后，再安排相关实验课程，在实验板上搭建具体的硬件电路或专用的数字电路实验仪器进行测试、修改和完善。但是，这些方法往往面临连线多、易于出现错误或需要反复调试，难以排查错误等问题，这种教学方式会导致学生对所学内容的感性认知较差，从而较低对课堂理论教学的积极性。因此，引入虚拟仿真软件势在必行。

Matlab[2]集算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括Matlab和Simulink[3]两大部分，主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等诸多领域。

针对目前课堂教学的问题，采用Matlab/ Simulink仿真工具进行数字电路的调试、仿真与验证，可以有效避免传统方法的容易出现的各种缺点，同时还能在省时、省力的条件下使课堂的讲解更加生动，更易被学生理解。因此，本文通过同步RS触发器为例介绍Matlab软件实现数字电路仿真的方法。

2. 电路设计与仿真

数字电路按照功能划分，可以分为组合逻辑电路和时序逻辑电路。二者之间最重要的区别是时序电路中通常还需要对数据进行存储，这一功能通常是由触发器来实现的。触发器是时序逻辑电路的基本逻辑部件，它有两个稳定的逻辑状态，即状态0和状态1。根据输入端信号的不同，触发器可具有置0、置1、状态保持等功能。当输入信号消失后，触发器的状态能够保持不变。因此，触发器具有实现1位二值信号的记忆的功能。

触发器可以按照逻辑功能的不同，分为同步RS触发器、JK触发器、D触发器和T触发器等。其中同步RS触发器是学习其它触发器的基础，因此，下面将介绍如何用Matlab/Simulink仿真工具实现同步RS触发器的相关功能。

2.1 基本原理

由与非门组成的同步RS触发器的电路图如图1所示，其真值表如表1所示。

其中， 是约束条件，表示 和 不能同时为0。

2.2 仿真实现

由于同步RS触发器的功能和组合逻辑电路的学习相比差异较大，不易于学生的理解，因此，在课堂学习的过程中通过Simulink软件模拟同步RS触发器，从而强化学生对同步RS触发器功能的理解。同步RS触发器的仿真步骤如下：

首先，添加模块。在Matlab软件中运行Simulink模块，再打开模块浏览器，再采用Simulink模块库中的标准模块来构建同步RS触发器模型。鉴于激活模块需要放到Subsystem中的设计区域中，因此先将Connections模块库中的Subsystem功能模块复制到设计区域内，再进入Subsystem的设计区域进行设计。

具体而言，通过4个与非逻辑（NAND模块）组成。同时，还需要在反馈的位置加上两个加法器产生初始值。从而避免产生代数环的错误。另外，还在同步RS触发器的前端添加一个功能激活（enable）模块，使其成为具有时能端的同步RS触发器。

选用Simulink中的logical operator模块和pulse generator模块，并设置各个模块的参数，再将不同的模块通过信号线连接起来，建立同步RS触发器的Simulink仿真模型，其内部结构如图2所示。

输入端R和S接Constant模块，enable接pulse generator，输出数据被导入到Matlab的workspace空间，然后方便调用Matlab的函数显示相应的结果，时序仿真结果如图3所示。

在图3中，其中‘R input’和‘S input’分别表示R和S端的信号输入。‘enable’表示时钟脉冲，‘Q output’和‘Q-inverse output’分别表示输出信号 和 。

3. 结束语

综上所述，随着电子技术的高速发展，数字电路的形式日趋复杂化，仅依靠传统的课堂教学模式已经逐渐不能满足新技术人才的发展要求。故应利用多种新技术和传统的课堂教学方式相结合，本文采用Matlab/Simulink软件进行仿真：一方面可以弥补课堂教学的不足，加深学生对课堂所讲的概念与工作原理等理论知识的理解；另一方面，也可以克服通过电路元件搭建实验电路带来的不便，如实验室元器件品种、规模、数量的不足，仪器的陈旧老化，实验板电路的单调等问题，电路出现故障后难以调试等问题，不利于学生的创新设计。因此，利用Matlab/Simulink软件进行仿真在日常数字电路与逻辑设计课堂教学中发挥着越来越重要的作用。

参考文献

[1] 王毓银，沈明山. 数字电路逻辑设计[M]. 高等教育出版社， 2006.

[2] 张德丰，丁伟雄，雷晓平. MATLAB 程序设计与综合应用[M]. 清华大学出版社， 2012.

[3] 钟麟，王峰. MATLAB 仿真技术与应用教程[M]. 国防工业出版社， 2004.

数字化设计与仿真技术篇6

关键词： 数字电子技术 教材改革 工程应用

1.引言

《数字电子技术》是高等学校通信工程、电子信息工程、自动化、电气工程及自动化等专业的重要专业基础课程[1]。随着数字电子技术、数字系统的高速发展，以FPGA （Field Programmable Gate Array）和CPLD（Complex Programmable Logic Device）为代表的大规模可编程逻辑器件（Programmable Logic Device，PLD）的广泛应用，使传统“板上数字系统”被“片上数字系统”替代[2]。为适应数字电子技术的发展趋势，对传统《数字电子技术》教材内容进行了改革，在教材内容的安排和例题选用上，立足于应用型人才培养，以现代信息技术为依托，注重理论联系实际，取得较好的应用效果。

2.教材改革的基本思路

随着数字电子技术的快速发展，如何处理数字电子技术的经典内容与现代内容、传统分析设计方法与现代分析设计方法之间的关系，是教材内容改革的重点。教材以“基础知识器件原理器件应用器件仿真系统构建系统仿真”为主线，构建数字系统的知识框架。在教材内容组织上，将数字电子技术和数字系统有关知识融为一体，系统介绍数字电子技术与数字系统的基本分析方法和设计方法；在教材内容编写上，以培养学生的应用能力和实践能力为目的，采用案例式或项目式编写思路，将理论知识和实际应用相结合，把突出知识的应用性和实践性作为主要方向，做到理论和实践并重，既强调理论基础，又突出应用性。对于集成电路注重逻辑功能和使用方法介绍，增加EDA （Electronic Design Automation）技术基础知识[3]，利用Multisim 软件对部分电路进行功能仿真，并介绍VHDL语言、QuartusⅡ软件的基本使用方法，利用VHDL语言设计部分数字电路，利用QuartusⅡ软件进行仿真分析，适应现代电子技术飞速发展和应用的需要。

3.教材的主要特点

3.1 教材内容组织

按照教育部高等学校电子信息科学与电气信息类基础课程教学指导委员会对《数字电子技术基础》课程教学的基本要求，对《数字电子技术》教材内容进行重新组织，将教材内容分为十章[4]。第一章介绍逻辑代数的基础知识，主要包括各种数制、常用的编码规则、逻辑代数的基本定理、逻辑函数的表示方法和化简方法等。第二章介绍EDA技术的基础知识，包括Multisim、VHDL语言、QuartusⅡ的基础知识。第三章介绍分立门电路、集成门电路和可编程逻辑器件的特点，并介绍利用VHDL语言设计门电路的方法。第四章首先介绍组合逻辑电路的基础知识，然后讲解组合逻辑电路的应用，最后利用Multisim对组合逻辑电路进行功能仿真和设计分析，并介绍组合逻辑电路的VHDL语言设计方法。第五章介绍各种触发器的功能和应用，并利用Multisim对触发器进行功能仿真，介绍触发器的VHDL语言设计方法。第六章介绍时序逻辑电路的分析方法和设计方法，介绍常用时序逻辑电路的功能和应用，并分别利用VHDL语言和Multisim进行功能描述和仿真。第七章介绍脉冲波形的产生与整形电路，重点介绍集成电路的应用。第八章介绍半导体存储器的特点和应用。第九章介绍A/D转换和D/A转换的工作原理和主要技术指标，对集成DAC和ADC的基础知识及应用进行简单介绍，并利用Multisim对基本转换电路进行功能仿真。第十章介绍数字系统设计的基本流程，通过3个实例介绍数字系统的不同设计方法。

3.2强调基础理论

随着数字电子技术的发展，数字电子技术已逐渐渗透到各个行业，《数字电子技术》课程作为高校电类专业的基础课程，是学生走向数字化时代的第一门课程，也是某些高校相关专业的考研课程，其重要性不言而喻。教材编写强调《数字电子技术》基础知识的系统性、完整性，将逻辑代数基础、组合逻辑电路分析与设计、时序逻辑电路的分析与设计等基础知识作为教材核心内容，并结合部分高校相关专业《数字电子技术》研究生考试大纲的要求，增加部分教学内容。例如，在第六章“时序逻辑电路”中增加利用观察法和隐含表法进行状态化简的内容，使学生能够更容易掌握时序逻辑电路的传统设计方法。

在教材内容编排上，反复训练基础理论知识，使学生更好地学习并掌握基础理论知识，为进一步学习打下坚实的基础。例如，第四章“组合逻辑电路”首先介绍组合逻辑电路的分析方法和设计方法，然后介绍常用集成组合逻辑电路的原理和应用，其中译码器、数值比较器按照组合逻辑电路的分析方法进行阐述，编码器、数据选择器、加法器按照组合逻辑电路的设计方法阐述，使教材内容循序渐进、深入浅出，适用于学生自学，有利于培养学生自主学习能力。

3.3突出实践应用

在教材编写过程中，注重学生对知识应用能力培养的需要，强调具体操作过程中学习理论基础，将知识应用能力培养贯穿整本教材，突出教材知识的实践应用性。在介绍集成电路时，删除集成电路内部电路的分析，强调集成电路的逻辑功能和使用方法[5]，例如，介绍555定时器时，在简单介绍555定时器的电路结构和工作原理的基础上，以“触摸式定时控制开关电路”、“双音门铃电路”等应用电路介绍555定时器的使用方法。

在第九章“数/模和模/数转换器”中，以DAC0808、DAC 0832、AD7543为例介绍常用集成数/模转换器的工作原理和使用方法，并分别给出DAC0832、AD7543与单片机AT89C51的接口电路，既加强与后续课程单片机、微机原理等的联系[6]，又突出教材内容的应用性。

3.4增加EDA技术知识

EDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，是从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。教材第二章EDA技术基础知识介绍了Multisim和QuartusⅡ两种EDA工具的操作界面和使用方法，并介绍了VHDL语言的基本结构、数据对象、数据结构、操作符和基本语句结构，使学生借助EDA工具进行电路分析和设计。教材给出了74LS138、74LS153、74LS194、74LS160等常用集成电路的Multisim仿真电路和VHDL描述方法，并在第十章“数字系统设计”中，以“计数报警器”、“简易交通灯控制器”、“函数信号发生器”为例，结合Multisim和QuartusⅡ软件，详细介绍简单数字系统的设计过程，丰富教材内容。

4.结语

《数字电子技术》教材改革是一项长期工程，随着数字电子技术的发展，必将对教材内容产生深刻影响。本教材于2012年10月由北京大学出版社作为“21世纪全国本科院校电气信息类创新型应用人才培养规划教材”出版，2013年12月被评为河南省“十二五”普通高等教育规划教材。教材经过3年多的使用，得到了广大师生的关注，收集了各方面建议和意见。为了更好地适应现代数字电子技术的发展和应用，需要对教材内容进行进一步改革。

参考文献：

[1]陆冰，魏芸，闾燕，等.“数字电子技术”课程教学改革的实践[J].电气电子教学学，2013，35（4）：46-47.

[2]宁改娣，杜亚利.教材：《数字电子技术》教材改革探索[J].教育教学论坛，2012（8）：98-99.

[3]黎艺华，谢兰清.高职数字电子技术项目课程教材建设探索[J].教育与职业，2011（15）：131-132.

[4]秦长海，张天鹏，翟亚芳.数字电子技术[M].北京大学出版社，2012.

[5]王国新，张桂凤，宋婀娜.“数字电子技术”课程教学改革探究[J].中国电力教育，2014（12）：73-74.

数字化设计与仿真技术篇7

关键词：数字化造船；绿色造船；中小型船厂；效益

1 数字化船舶建造技术简述

数字化船舶建造技术就是利用计算机系统和多媒体对船舶详细设计进行三维建模辅助、完成生产设计图纸并具有可施工性、可修改性的一种造船技术。这种技术是船舶生产设计优化、缩短建造周期、节约能源及材料、沿着“绿色造船”方向发展的重要措施。它是现代数字化造船模式体系―数字化船舶设计、数字化工程管理、数字化船舶建造三大项目中发展得最快、最关键的一项技术。

本文所述的是应用于国内中小型船厂具有船舶建造仿真、综合放样、自动生成零件生产图纸和船用材料信息功能的数字化船舶建造技术。下面就我厂运用此技术建造的船舶项目分析探究其实现价值。

2 传统船舶生产技术概述

过去，国内中小型船厂因设备使用、科技信息管理、生产流程都处于一种习惯性的模式，生产设备也不及大型船厂，使船舶建造周期规划、材料损耗控制、成本核算都处于较为落后的阶段。本文以广州市番禺灵山造船厂有限公司为例叙述其过去十年船舶生产技术的方式和改变。我公司早期的生产设计主要使用手工绘图，以详细设计图纸直接作为生产图纸，型线放样采用1：1实体放样，管路和电缆没有进行整船放样，而是直接在建造中的船体结构上进行具体布置。随着造船业务的拓展，所造海洋船舶不断增加，排水量增大，结构相对复杂，检验标准更严格，采用传统生产技术将面临零件加工速度慢，船台占用周期长，整船管路电缆综合放样难度大等问题。船厂为解决这些问题而更新了硬件设施，如等离子数控切割机、液压曲板辊弯机、大型压力机和起重机等，而施工图纸采用CAD绘图，这些措施相对解决了零件加工和分段建造速度问题，但生产图纸设计方面仍然相对落后，与各硬件设施的软件系统数据连接不佳。下面列举生产设计与生产设备结合方面仍然存在的一些弊端：

（1）复杂曲面放样困难，放样精度也取决于生产工人的技术水平，往往增加施工过程的修改，产生程度不同的返工现象，从而造成生产周期加长等不良后果。

（2）数控切割零件的利用率低。数控机切割的零件图形是在CAD里绘制并进行人工排列，在排列时需要计算零件的尺寸，这种套料方式效率低，板材利用率也低。

（3）分段建造及合拢技术未达到最优化。分段大小受起重能力和船台空间制约，重量重心采用人手计算，工作量大。

（4）船舶下水压力分布计算，重量重心计算主要使用经验公式。

3 应用数字化船舶建造仿真技术

随着造船业务不断发展及商务运作需要，订购商要求建造周期大为缩短，为适应市场需要，我厂在2008年购买了一套加拿大SSI公司的船舶建造设计软件-Shipconstructor2008。该系统在发挥硬件设备最大效益、生产数据的统筹、缩短建造周期以及节约建造成本方面取得较为满意的成效，但软件系统仍然存在一定的局限性，尤其管路设计中零件投影效果不理想、图纸修改比较困难等问题比较突出。

我们在使用该软件系统的两年时间内，把软件系统与船厂生产的各个环节完全结合，下面就在建和已建船舶项目的数字化技术应用上概要介绍，供同业参考。数字化仿真生产设计从退审图开始，其生产设计流程如图1所示。

下面以我厂去年下水的一首56米海洋供应船为例，介绍该技术的实际应用。

3.1 船舶总体型线放样及光顺、有限元模型的生成技术

过去船舶的造型设计只通过平面图纸表达，感染力不强。采用三维技术进行船舶放样，能把设计师的设计思想完整表达出来，增强设计的真实感及制作效果图展示给客户，如图2所示。

我们还针对复杂结构舾装件与船体结构的接合及其工艺安装过程进行三维可视化图形制作，优化复杂船体结构的设计，提高放样精度减少现场返工。某些复杂加强结构需要作局部强度计算，而使用这些已经建好的三维模型则可直接用SAT格式导入所有有限元分析软件中使用，这样可以避免重复绘图（见图3）。型线的光顺和放样源于同一个软件系统，使性能计算及舱容计算与实船误差大大减少，而且同样可以避免重复绘制型线。

图2 56米海供船3D效果图

图3 56米海供船载货区甲板骨架有限元分析云图

3.2　生产设计及施工设计数字化

生产设计使用三维技术及共用数据库，施工图纸采用分段半立体显示及零件加工装配数字化是我厂船舶生产的一大改革，也是SC2008软件系统的核心功能，我们利用该软件系统的功能结合自身生产技术、工艺习惯及设备条件设计出一套完整、具实用价值的生产方法。

下面按过去和现在的船舶生产设计及施工技术对比，介绍数字化仿真技术的应用情况及实现的价值：

（1）型线及外壳板放样

（2）结构零件放样及加工

（3）分段装配图

（4）综合放样

在未使用数字化船舶建造仿真技术之前，船体结构的建造以船台正装、散装为主，就算采用分段建造形式，也仅限边水舱以独立分段建造，分段合拢方案主要依靠施工经验。零件的拼装依靠详细设计平面图纸，因此需要通过文字描述零件的安装位置和安装工艺。零件余量及合拢缝余量未经过严格计算，加放量比较大。由于建造精度未得到严格控制，返工情况比较多。这种施工方式会消耗大量的工时，浪费材料较多，导致增加建造成本。针对以上问题，我们现在使用新技术手段进行优化，具体措施如下：

（1）在结构零件放样时取消全部内部构件余量，而把三维建模做到最仔细，仅限在外板及主甲板分段合拢处增设余量，而且小于50　mm。纵向零件尺寸按比例增设焊接收缩补偿量，曲面结构需要计算弯曲伸张量，按伸张量安排补偿量加放位置，严格控制外板余量的加放，主要为取消一部分外板的纵向接缝余量。胎架按反变形理论设计。

（2）尽可能把所有零件使用数控机切割，这样可使零件尺寸和仿真模型一致。套料过程在计算机里完成，利用人机结合方式优化套料过程，保证材料利用率达到理想目标。

（3）从套料图、零件加工图到分段装配图使用同一套完整的零件编码，零件名称编采用数字化编制，能表达零件的装配位置及工艺。而这些编码是人工设计，计算机自动生成。零件装配编码原则文件里，零件名命名方式为：　项目号-分段号-结构平面号-拼装顺序号-工艺要求号，使工人安装思路清晰，材料分类堆放次序分明，提高堆场面积利用率，从而增加加工装配场地并提高装配效率。

（4）分段划分过程使用电脑模型进行三维可视化划分，根据船台起重能力及空间大小合理设计分段的重量重心，并进行合拢过程模拟，对分段合拢过程分析做到最精确，提高分段建造的安全性。分段装配一改以往平面图形显示形式，采用半立体图形显示，结合数字化编码运用，一般均可满足施工要求，只有在精细结构装配才会再拆分成平面图形。

（5）以分段设计船体结构并制作分段电脑模型另一个重要作用是为舾装、管路、电气综合放样作基础平台，使管路零件走向、电缆走向及其他设备附件综合显现在船体分段模型上，从而很直观显示布置效果，防止以往施工中相互矛盾及位置重叠等现象。

图4为按分段设计的生产图纸。

图4 56米海供船升高甲板分片装配图

以往我厂的舾装、管路及电缆是各专业生产车间根据原理图和布置图在船台直接进行其具体布置设计和零件放样，导致各专业同时放样会出现相互干涉情况较多，返工次数增加。为改善这些不良现象，我厂决定研发综合放样技术，让各专业技术人员使用同一个数字化建造仿真系统，合理制定工作流程和区域划分，在电脑里完整绘制舾装立体图、完整的管路系统、电缆托架图及电缆走向图。在船体结构模型绘制完毕并且部分分段开始建造的时候其他专业可开始进行布置和放样，在设计时期进行多次有必要的个专业零件布置协调会议，确保舱内空间利用率最大化。数字化船舶建造仿真技术能极大减少管子余量、活动管数目、电缆材料浪费、舱室装修的影响及各种施工耗时。另外，使用此技术绘制的起锚机、拖缆机、收缆机等舾装设备的安装示意图均以立体形式显示，能使安装步骤方法更为清晰，从而提高安装速度。

3.3 生产进度及材料成本优化

经过数字化船舶建造仿真技术进行生产设计后，图纸的速度和质量得到一定提高并且通过减少结构余量，提高钢料利用率，减少返工数量及电算化材料配额清单节省成本。响应“数字化造船”和“绿色造船”两大主题。通过56米海供船的母型船（其母型船未使用数字化技术生产）建造进度和材料用量对比总结，56米海供船在劳动力投入、建造工时、能耗及材料用量上共节省成本约15%。

4 数字化造船对安全生产的效应

数字化船舶建造系统由于能得到精确的全船各分段重量、重心位置数据，从而可以根据船厂起重设备布置、起重工艺技术的特点优化分段设计、指导吊装作业，大大降低吊装作业的危险性。

数字化船舶建造仿真技术也为船舶下水计算提供了更有力的理论依据，在船舶下水时，其完工量仅为部分完工，而且各船下水时重量分布情况也有差异，以至于使用母型船换算法也难以得到足够准确的数据，使用手工计算对这种船舶个分段完工量程度不一、重量分布不规则的船舶下水过程重量、重心及压力计算长期困扰着技术力量相对薄弱的中小型船厂。鉴此，使用数字化船舶建造仿真系统进行船舶下水计算是最佳的技术手段，这是由于船舶建造仿真系统本身就能按建造进度拆分船体分段及局部结构，而且计算速度快、准确度高。下水重量、重心及压力分布计算数据也对整个船舶下水安全性分析起关键性作用，从而大大提高船舶下水的安全性。

由于数字化分段综合放样的实现，为分段舾装、管路、电缆混合安装提供基础条件，大大减少船体结构分段成型后多种专业项目的交叉作业量，从而减少生产安全隐患，提高机、电设备安装作业环境的安全性。

5 今后设想

（1）发展工程现场数字化系统，把技术部的三维电脑模型直接作为施工文件直接在工（下转第页）（上接第页）程现场使用，并可在工程现场利用计算机即时查取所需的施工数据，减少工程现场交谈次数，并进一步缩短生产周期及节约能源。

（2）组建工程管理信息集成系统（ERP系统），整合仓库管理、供应采购、成本核算、工程管理的数据信息库，逐步实现船舶生产管理数字化。

（3）继续完善已有的数字化船舶建造仿真技术，软件系统需要根据实际情况进行升级或改用其他功能更好更适合我厂的软件系统。

6 结束语

以上仅为本厂在实施数字化船舶建造仿真技术过程的简介，虽然取得一定的成效，但还未完全达到理想效果，今后仍需按上述的设想进一步深化和完善，使其提升到更高的技术平台。本文仅介绍针对本厂实际情况而编制的流程和措施，但愿能为其他中小型船厂提供参考，从而达到抛砖引玉的目的。

参考文献

数字化设计与仿真技术篇8

关键词：全宇宙，最优探索方法，物质系统反设计，并行-云-系统仿真工程，有止境的科学探索

中图分类号：N3文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（a）-0000-00

1. 引言

人类自然科学探索研究的最终目标是占领控制全部宇宙多维空间，并完全自由地应用全部宇宙物质[1-4]。为此，人类祖先与人类一直在探索宇宙物质中的无穷无尽的未知现象、无数的未解之谜，等等。所谓科学研究，是基于当时的物质环境、生存与发展条件与科学技术基础，研究者采用全部可能的各种科技手段，来探索宇宙物质世界的全部未知的各种客观现象及规律，希望探索出新发现，并且该新发现能够经过各个学科在不同环境条件下的长期实践检验，以及广泛实际工程应用等，以确认新发现的正确性[2-3]。从人类科学技术研究发展史可以看到[5-14]，人类祖先对未知物质及特性的探索从零开始，不断发展，自近代以来，人类的科学技术研究有了突飞猛进的、爆炸式的发展，但新的“未来科学问题”不断呈现[10]。值得指出：人类的祖先（如原始人、猴子、.....、微生物、.....）一直在进行科学探索研究，否则，人类不可能可以不断地生存、发展壮大而进化成今天的人类。科学探索研究并非（但包括）只是在实验室中由科技工作者进行......。

值得注意：对全宇宙系统，人类最优的科学探索方法是什么？人类通过什么科学探索研究的技术方法，可以付出最小的代价并最尽快地实现人类自然探索的最终目标？

基于宇宙物质原始自然运行的统一数值算法与数值仿真过程[1]，考虑到在人类的潜意识中对宇宙物质的科学探索研究的最终目标，本文提出人类科学探索研究的最优科学探索技术方法是基于系统数值仿真而对全宇宙物质系统的反设计；同时文中分析了该全宇宙物质的系统反设计方法，结论是该系统反设计可以尽快实现人类科学探索研究的最终目标：占领、控制与自由地使用全部的多维宇宙空间与全部的各种物质；而人类传统的自然探索研究方法需要人类付出无比巨大的代价、付出太长太长的时间才有可能（但不一定可以）实现人类科学探索研究的最终目标。因此，本文提出的科学探索全宇宙的最优的方法，可以回避掉人类传统自然探索科学的严重缺陷。

2. 科学探索全宇宙系统的最优化方法问题的描述

在人类生存的多维空间与现有科技储备条件下，现代人类对全宇宙系统的科学探索，需要寻找最优的探索方法 ，使得科学探索研究的成果与代价比 达到最大：

（1）

式中， --- 科学探索研究的成果； ---科学探索研究的代价比，包括付出的探索研究时间，人类生存的多位空间的损失； --- 科学探索研究的方法； 依次是时间、3维几何空间，NS是指空间的维数（NS>4）。

同时，需要满足以下约束条件：即人类的多维生存空间

（2）

即人类必须有足够大的NS维生存空间，使人类不仅保持生存状态，而且可以不断进行相关的科学探索研究而发展壮大自己。

， 如果 （3）

式中， 是宇宙物质系统的根基底（即全宇宙物质构成及其运行过程与特性，该多维宇宙空间与物质的内部参数， ），是人类科学探索的最终目标； 是人类寻找宇宙物质系统的根基底过程中系统仿真（第k次迭代）产生的物质现象； 是（数字化的）人类积累的知识库； 是可以接受的系统仿真误差。

3. 全宇宙物质构成及运行过程与特性的数学模型

人类科学探索研究的对象是：完全彻底系统地、准确可靠地、高精度地掌握充满在全宇宙多维空间中的物质构成及其运行过程与特性，该多维宇宙空间与物质的内部参数， 。因此，需要可以对全宇宙物质进行系统数值仿真，关于系统数值仿真的数学模型，即宇宙物质的构成、物质运行的统一基理及其运行过程的普适性数值算法[1]，现介绍如下：

3.1 宇宙物质的构成与运行过程

宇宙空间S是一个NS维的空间，其大小为： ，其中， Ai（i=1，2， ， NS）是第i维空间的大小（A1为时间，A2， A3， A4为三维几何物理空间，…）。宇宙由一系列（共NMax种）物质基素（物质最底层的基本元素）及其转变成的物质组合体构成，这些各物质基素单元与（各层次级别的各类）物质组合体之间，以及各层次级别的各类物质组合体之间，是在NS维空间中作不停的运动，并且相互不停地（分解与组合）转变，该相互转变如图1所示，各层次级别的各类物质组合体的NS维运动过程如图2所示，多维运动过程中物质体的逻辑关系如图3所示，前面的众多种类的大量现象是后面一个现象的条件，后面的一个现象是前面众多个种类的大量现象共同协同对抗产生的结果。

宇宙物质的NS维对抗运行过程与形成的构成，遵循宇宙物质运行的统一基理，详细运行过程的结果可由宇宙物质运行过程的普适性数值算法作数值仿真获得。

3.2 宇宙物质运行过程的普适性数值算法

基于宇宙物质运行统一基理体系[2][3]，在一个NS维空间区域 中，宇宙物质运行统一的普适性数值算法 Universal为：

（4）

式中，宇宙物质普适性算法 Universal具有以下功能：输入宇宙空间维数与大小以及充满在其中的物质的基底参数，以及指定的一个宇宙子空间，等；经过 Universal的运行（即：全部宇宙物质的NS维对抗运行）。全部宇宙物质基素单元的NS维运动之后，输出在NS维全宇宙空间中，表现为无穷无尽（巨大数量）的、奥妙无穷的、无奇不有的、……现象。

宇宙物质运行统一的普适性数值算法 Universal的具体详细的数学描述，数值仿真的数学表达，全程计算步骤，数值仿真计算流程图，等等，参见文献[1]。

具体的输入如下：

（1） 宇宙空间的维数为NS维。

（2） 各维宇宙空间大小：A1为时间，A2， A3， A4为三维几何空间，…，第NS维空间，构成NS维空间S。

（3） 宇宙物质基素信息：①在NS维空间全区域中，存在NMax种类（系列）的宇宙物质基素单元，各类具有不同的特征功能与数量，如第k类物质基素存在Nk，Max个单元（k=1，2， …， NMax）；②在宇宙空间全区域中总共存在 种类基素，全部种类基素单元总数 ；③内部参数： 是物质基素单元 的内部参数；④约束条件：各种类物质基素单元的内部参数约束函数 ；⑤各种类物质基素单元的功能运动方程 ，第k类物质基素，k=1，2， …， BMax，第i个物质基素单元；⑥物质基素控制量 ；⑦基素单元的性能指标 为追求掌控最大的NS维空间（及充满在其中的全部物质）。

（4） 指定一个NS维子空间区域 。

具体的输出如下（在全宇宙 维空间中）：

（1） 全部物质体的总体信息：①全部物质组合体级别的总数 。②全部物质组合体级别各种类的总数 。③全部各级别种类物质组合体的总数 。

（2） 各种物质体（基素单元与物质组合体）的详细信息：①全部各种类物质基素单元的状态 ，全部各级别种类物质组合体的状态 [在NS维空间中的参数，如时间、三维空间、…，（包括相互之间的导数，即速度，等等）]。② 物质组合体运动方程。③（所导出的）该物质体的一序列的概念及概念性参数【如：约束条件（物质基素单元或组合体的状态变量约束函数 、控制对策约束函数 、性能指标约束函数 ），运动方程，子性能指标，…】。④各种物质基素的不同单元、与各层次各种类的不同物质组合体的性能指标P= ，如物质体所占据的NS维空间，如（人类在不同条件下可以观测到的）物质体形状随着NS维空间的变化，以及这形状在不同条件下观测到的结果不一样，等等。⑤各种物质基素单元与物质组合体的控制量 。⑥ 是物质相互作用特性方程， 是（在该物质系统所在的 维宇宙空间 区域内）各级别各种类物质组合体对周围物质（如对物质基素单元 ）的作用特性现象，如物质体的各种特性：各种作用力，如“万有”引力、磁场力、电作用力、等等；物质体的形状；…。⑦各物质体所在更高级别的一些物质组合体，以及该物质体的组成（由较低级别物质体，…，物质基素单元）。⑧各物质体在 维运动过程中的分解与重新组合。⑨不同级别层次、不同种类的众多物质组合体分别采用各自的对策 追求各自的性能指标 达最优。

（3） 针对一个指定的 维子空间区域 ，存在的物质体，可观察的现象信息：①总共存在 种类（系列）宇宙物质基素，各种基素分别存在 个单元；②在该子空间 中，所存在的物质组合体级别的总数 ，物质组合体级别各种类的总数 ，各级别种类物质组合体的总数 ，各种类物质基素单元的状态 ，各级别种类物质组合体的状态 ，等等。

4. 人类科学探索全宇宙物质系统的最优方法是：基于超大系统-云-并行数字仿真的系统反设计

科学探索研究的方法 起源于人类祖先发源的地球及其附近的多维空间，“优化计算”到现在， 的选取是非常规的、“非科学的无稽之谈”，主要技术方法是超大系统数值仿真，最后获得宇宙物质最底层的基素时，再进行实物物理实验作验证，宇宙物质反设计的流程如图4所示。

人类探索到宇宙物质的最底层的基素及其各种特性，可以直接接近基素单元法：宇宙物质基底的系统反设计数值仿真方案，宇宙物质的系统反设计数值仿真优化计算方法与步骤是：

第0步：整理人类长期探索宇宙物质所积累的巨大的、全部各种类学科领域中所知的全部现象、概念、原理等知识库 ，将该巨大知识库 全面系统地整理成数字化表达；

第1步：猜想而设立宇宙物质基素单元及其内部特性参数、运动方程等的初始方案 ，（k=0）；

第2步：采用 与宇宙物质的数学模型，进行超大系统-云-并行数值仿真，生成不同层次、不同种类、数量巨大的物质及其运动现象，该仿真结果 以数字化形式表达；

第3步：将仿真结果 与巨大知识库 进行比较，并计算比较误差，如果比较误差很大（不可接受），则进入以下第4步，否则（即仿真计算误差可以接受）进入以下第5步，这里指出，采用系统数值仿真方法进行宇宙物质系统的反设计仿真，如图3中从宇宙物质基底人类可以理解的现象的过程中，反设计仿真不考虑中间仿真结果（即物质结构及其运行的现象等）是否正确，而只考虑人类已经积累的膨大的知识库（即与该知识库作与比较，如图4所示）；

第4步：基于系统仿真结果误差，迭代修改物质基素单元及其运动方程的方案 ，再转入第2步；

第5步：已经获得最优的宇宙物质的系统反设计数值仿真结果 ，进行物理实验，作最终的验证。

基于本文提出的宇宙物质基素、宇宙物质运行的统一基理与物质自然运行的普适性数值算法，以及人类长期探索宇宙物质所积累的巨大的学科原理等知识库（这些即是宇宙物质的系统数值仿真反设计的条件），采用图4所示的宇宙物质反设计方法，经过超大规模系统并行-云-仿真计算，直接探索发现宇宙物质的最底层的基素及其内部特性参数、运动方程等。最后进行物理实验，验证在反设计过程中生成的且人类无法想象猜测的物质现象：物质的组成结构、在宇宙的分布、各种物质形式、层次种类、各种类物质运动现象及其规律，等等，进行最终的验证。

5. 超大系统数字仿真进行全宇宙物质系统反设计的优点

宇宙物质的反设计的系统并行-云仿真研究方案与人类传统的传统自然探索科学方法相比，人类传统的自然探索科学方法不是探索全宇宙系统基底的最优科学探索方法[1-4]，而采用超大系统数字仿真避免了历时上亿年的人类传统自然探索科学方法的缺陷，是现在最优的方案，体现在：

5.1 全局大范围进行宇宙物质的寻根探索，所付出的成本代价很小，探索研究的速度很快

宇宙物质系统基底探索所需付出的代价很小，主要需要数以千计万计的计算机进行超大系统-云-并行数字仿真，以及各个专业的研发人员等将人类积累的知识库数值化；如果采用传统科学探索方法，只是从人类自身生存环境出发，“摸着石头过河”，想尽一切办法“获得一个历史性惊人重大突破的新发现，再更深入探索多步”地靠近宇宙物质系统基底，所付出的成本代价太大太大……太大。

显然，“一步一批物理实验室”将付出巨大巨大的代价，付出太长太长的时间，即 太大；而采用全宇宙物质系统的全局最高精度数值仿真反设计，需要成千上万台计算机与各个专业的研发者，这些成本代价是很微小，系统数值仿真几年就可能出一些结果，探索研究的速度是“快的离谱”，即 。避免了“人类沿着传统科学研究路径进行下去，人类可能不能满足约束条件（2）式”。

另外，由宇宙物质系统仿真产生的因果关系逻辑图（如文献[1]中图3）可知，采用物质反设计系统数值仿真方法可以“胡思乱想地”、“答非所问地”、……“不符合逻辑地”、“偷换概念地”假设宇宙物质的最底层根基 ，存在一定的可能性探索到全宇宙物质基底。

5.2 全局大范围进行宇宙物质的寻根探索，效率极高，探索不是无止境的，可行性很强：人类已经到了结束宇宙无穷无尽探索的冲刺阶段

传统自然探索科学寻找宇宙物质基底过程中，付出无比巨大的多维代价，经过“无穷无尽的”探索，取得了大量的“历史性、惊人的重大新发现”等时，才探索向前走了一小步，并且大量的“一小步”在全局中都可能是无效的。与人类传统自然探索科学方法相比，宇宙物质的反设计系统仿真过程中将出现“无穷无尽的”、“无奇不有的”、“不符合科学原理的”、“不合逻辑的”、“不可思议不可想象的”、……、“可以想象的”、“符合科学原理的”现象，因此，这个超大规模系统-云-并行数字仿真是效率极高的，探索不是无止境的；同时实现该宇宙物质的反设计，所需的人力、物力等并不多，是可行性很强的，因此，全局大范围进行宇宙物质的寻根探索，宇宙物质的反设计系统仿真研究方案是一个可行的方案。

因此，基于超大规模系统-云-并行数字仿真的宇宙物质反设计系统仿真研究方法，是全局大范围进行宇宙物质的寻根探索的全局最优的方法 ，将获得最优效果 ，并能够容易满足约束条件（2）与（3）式。

总之，基于现代人类计算机技术，人类积累的知识库以及宇宙物质的反设计方法，人类现在已经到了寻找到宇宙物质基底的时候了，即人类已经到了结束宇宙无穷无尽探索的冲刺阶段。

6. 采用超大系统数字仿真进行科学探索全宇宙系统时存在的问题

6.1 可能还需要更多的宇宙物质的反设计的标本，有可能得出的一些结果，现代科学不能解释

在宇宙物质的反设计系统仿真过程中将出现“无穷无尽的”、“无奇不有的”、……、“符合科学原理的”现象 ，在这些无数的多维现象中，如果可以寻找到一群现象与人类积累的知识库 完全重合，这就可能是反设计的系统仿真成功（即满足约束条件（3）式）；如果可以寻找到一群现象 与人类积累的知识库 基本重合，即一些是完全重合，另一些是现代科学不能解释，这可能是反设计的系统仿真成功吗？是否一定要等待现代科学探索到这些不能解释现象与规律，才能说明反设计的系统仿真成功了，而现代科学探索到这些现象与规律，是要付出太长的时间与太大的代价 等。

6.2 宇宙物质的反设计是超大系统-云-并行数字仿真，数字仿真量太大-太大-…-太大

宇宙物质的反设计是超大系统-云-并行数字仿真，一个系统仿真反设计组就需要成千上万台计算机来进行，即使是很多系统仿真反设计组同时来进行宇宙物质系统的反设计，也不一定会很快反设计成功，数字仿真量太大-太大-…-太大，但在这个宇宙物质的反设计的超大系统-云-并行数字仿真过程中，探索是有止境的，有待我们去尝试。

7. 结论

基于人类科学研究的历史与现状，以及宇宙物质结构组成及其运行的统一基理，基于超大规模系统-云-并行数字仿真，本文给出了全宇宙物质系统反设计的数值仿真算法（包括仿真步骤以及流程图），通过与人类自然探索科学发展历史与现状的比较分析，认为该基于并行-云-数字系统仿真的全宇宙物质系统反设计数值仿真算法是科学探索全宇宙物质系统基底的最优方法，是全宇宙中第一优工程。

该基于超大规模系统-云-并行数字仿真而进行全宇宙物质系统基底反设计，其优越性主要体现在：①探索速度很快，超大规模系统-云-并行数字仿真几年内就可以获得一些不太正确的（临时迭代）宇宙物质系统基底仿真结果，以供系统仿真反设计迭代；②宇宙物质系统基底的探索效率很高，科学探索不是无止境的，虽然反设计迭代过程中的临时迭代结果不对，但人类无法想象与猜测的、现代最先进设备无法观测的物质也可能被仿真出来，避免了人类上亿年形成的人类特色自然探索方法的缺陷；③宇宙物质系统基底探索所需付出的代价很小，主要需要数以千计万计的计算机，以及各个专业的研发人员等，明显优越于人类传统自然科学探索方法，即可以想象到的就可不择手段地探索，并且“一步一批实验室”，因而，全宇宙物质反设计是探索全宇宙系统基底的最优科学探索方法。

因此，未来人类科学探索研究的发展方向，是进行宇宙物质基底系统反设计的云-并行数字仿真。建议人类未来的科学探索研究的技术与方法是：基于我们人类长期科学研究取得并积累的巨大而临时有效的因果关系知识库，以及宇宙物质构造组成及其原始物质运行的普适性数值算法，进行宇宙物质基底的系统反设计，寻找到宇宙物质的最根基要素，即实现人类科学探索研究的最终目标：占领、控制与自由地使用全部的多维宇宙空间与全部各种物质；不需要任何科学探索，不需要任何科技创新。

人类已经到了结束在宇宙中进行无穷无尽探索的冲刺阶段，该宇宙探索的冲刺阶段是全宇宙物质系统反设计，这是人类针对全宇宙的第一优工程。

参考文献

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