数字化仿真技术范文

时间:2023-11-17 11:26:25

数字化仿真技术

数字化仿真技术范文第1篇

关键词:模拟信号;提高;分析

1 引言

随着通信技术的发展,数字通信成为主流技术。那模拟信源提供的模拟信号如何在数字通信系统中传输呢?模拟信号要想在数字通信系统进行传输,首先需要在发送端把模拟信号数字化,即进行模数转换,然后在数字通信系统进行传输;在接收端需把数字信号还原成模拟信号,即进行数模变换。一般模数转换常采用脉冲编码调制(pcm)、差分脉冲编码调制等。

1.1 脉冲编码调制

脉冲编码调制(pulse code modulation——pcm)是典型的编码方式,通常把从模拟信号抽样、量化、直到变为二进制符号的基本过程称为pcm。

1.2 差分脉冲编码调制

pcm体制需要用64kb的速率传输1路数字信号,而传输一路模拟电话仅占用4khz带宽。相比之下,采用pcm,则数码率太高,传输pcm信号占用更大带宽。例如,对于频带为1mhz的可视电话信号进行编码,根据采样定理,采样速率 ,若每样值采用8位编码,则数码率为16mbit/s。对于电视信号,图像信号宽带为6mhz,若也采用8位编码,则数码率将达100mbit/s。为了降低数字电话信号的比特率,改进方法之一是采用预测编码方法。预测编码方法有多种,差分脉冲编码调制,简称差分脉码调制dpcm,是其中广泛应用的一种基本预测方法。

2 dpcm的simulink仿真

simulink模块库中提供了dpcm编码模块“dpcm encoder”、解码模块“dpcm decoder”等,利用这些模块构建dpcm串行传输仿真模型,如图1所示。

信号源输出200hz正弦波,经放大、dpcm编码输出,再经过并串转换得到二进制码流送入二进制对称信道。解码端信道输出经串并转换送入dpcm解码,之后输出解码结果并显示波形。改变信道错误比特率,以观察信道误码对dpcm传输的影响。当信道错误比特率为0.02时仿真结果和波形如图2所示。

由图2可知,对应于信道产生误码的位置,解码输出波形中出现的干扰脉冲,干扰脉冲的大小取决于信道中错误比特位于一个dpcm编码字串中的位置,位于高位时将导致解码值极性错误,这时引起的干扰最大,而位于低位的误码引起的干扰最轻微。

3 信道误码对语音质量影响的仿真分析

以一语音文件gdgvoice8000.wav为信号源,基于前面最佳预测器的理论来进行仿真分析。先计算一段采样率为8000hz的语音信号(文件名cdgvoice8000.wav)的最佳预测器抽头系数。给定预测器的阶数p=5。首先估计出语音信号的归一化自相关函数值rj,j=1,…,5,常用的估计方法是: 代入归一化自相关函数然后列出方程并求解即可。

3.1 构建测试模型及仿真

基于上面的原理构建一个dpcm编解码仿真系统。其中预测器为5阶fir滤波器,抽头系数设置为实例1的计算结果,被编码信号为语音文件“gdgvoice8000.wav”,量化器采用均匀量化方式,将[-1,1]上的归一化信号样值量化为n=4比特编码序列。

simulink通信库中提供了dpcm编码解码模块“dpcm encoder”和“dpcm decoder”。 dpcm解码模块的设置参数要和编码模块相对应。其输出为解码恢复信号以及量化预测误差。

dpcm编码模块的输入为被编码的样值序列,输出为量化电平序号以及相应的量化信号值,设置参数如下:预测器滤波分子分母系数响亮,一般采用fir滤波器,分母系数设置为1,分子系数可由实例所示的有话方法进行确定;量化分割电平集合;量化输出电平集合;当给定被量化的样本信号时,可以通过函数dpcmopt来计算最优化的预测器抽头系数,最佳量化分割电平以及最佳量化输出电平。

dpcm解码模块的设置参数要和编码模块相对应。其输出为解码恢复信号以及量化预测误差。dpcm编解码模块的构成细节可以通过选中模块以鼠标右键打开内部子系统来观察,其 dpcm传输误码与解码话音质量仿真模型。

设置bsc信道的误码率分别为0.1、0.01、0.001、0.0001等,执行仿真,从听到的输出音质中,发现将误码率设置在0.1,话音基本可懂,但解码输出信

中“咯咯”的噪声很严重;误码率在0.01数量级上解码噪声仍比较明显,但音质已经大为改善;误码率在0.001数量级上,解码噪声就不明显了。在dpcm电话系统中,对话音解码通常要求误码率在10-3或10-4以下,本仿真验证了该指标的合理性。但对于数据通信,对误码率要求更加严格,如果信道误码率不能满足要求,可采用纠错编码来进一步降低传输误码率。

3.2 与pcm话音解码对比分析

使用simulink中的dsp模块库的音频输入输出模块可以对真实的音频信号(文件名“gdgvoice8000.wav”)进行处理,并基于pcm编解码模块构建pcm传输误码与解码话音质量仿真模型。同样,设置bsc信道的误码率分别为0.1、0.01、0.001、0.0001等,执行仿真,从听到的输出音质中,发现将误码率设置在0.1,输出为纯噪声,相当于通信中断。若将误码率设置在0.01,解码输出信号中“咯咯”的噪声虽很严重但话音基本可懂,误码率在0.001数量级上解码噪声仍比较明显,但音质已经大为改善;误码率在0.0001数量级上,解码噪声就不明显了。

通过与前面dpcm话音进行对比,说明dpcm的抗噪声能力比pcm强。所以,尽管在无误码传输中dpcm的解码音质不如pcm强,但dpcm的抗噪声能力比pcm强,因此得到广泛应用。

4 结论

数字化仿真技术范文第2篇

关键词:数字化仿真;卓越计划;机械原理;创新能力

作者简介:李杰(1979-),男,河北石家庄人,石家庄铁道大学机械工程学院,讲师;范晓珂(1972-),女,河北石家庄人,石家庄铁道大学机械工程学院,副教授。(河北 石家庄 050043)

中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1007-0079(2014)05-0083-02

“卓越工程师教育培养计划”(简称“卓越计划”)是高等院校贯彻落实《国家中长期教育改革和发展规划纲要(2010-2020年)》和《国家中长期人才发展规划纲要(2010-2020年)》的一项重大改革项目,其目的在于培养造就一大批具有较强创新能力、适应经济社会发展需要的高质量各类型工程技术人才,为国家工业的转型升级、建设创新型国家和人才强国战略服务。该项目的实施将促进高等教育面向社会需求培养人才,对全面提高工程教育人才培养质量具有十分重要的示范和引导作用。[1]2011年,石家庄铁道大学被教育部批准成为第二批133所“卓越工程师教育培养计划”培养高校之一。“机械原理”课程作为机械工程类的专业基础课程,是石家庄铁道大学(以下简称“我校”)机械设计制造及其自动化专业、车辆工程专业、“茅以升”试验班和“卓越”班的必修课程,占有重要的地位。由于学生人数的增加和新课程的开设,“机械原理”计划学时不断被压缩,而教学内容却不断补充,传统的教学模式很难满足“卓越计划”的要求,很难培养具有创新意识、创新能力的高素质人才。[2]因此,利用数字化仿真技术改善“机械原理”以往传统的教学与实验存在的问题,提高学生的创新能力,培养学生成为具有工程思维的实用型与创新型人才,适应“卓越计划”的发展具有重要的意义。

一、课程教学内容与安排

“机械原理”的课程内容主要有:机械的结构分析、机构的运动和力分析、机械的效率、自锁与平衡、各种常用机构的设计和机械系统的方案设计等内容,共64学时,讲授54课时,实验8学时,“机械原理”课程设计1周。讲授的内容中,主要重点介绍机械的结构分析、机构的运动和力分析、机械的效率、自锁与平衡、常用机构的特点及其设计,其中包括连杆机构、凸轮机构、齿轮机构、轮系和其他的常用机构等;[3]机械系统的方案设计内容结合课程设计时完成;实验安排主要针对一些机构的验证、设计与综合,旨在提高学生的动手能力和对机构进行创新设计的能力。但是,由于课时限制,该课程所设置的实验只能完成4个,很难满足“卓越计划”的要求,不利于培养学生的实践能力和创新能力。

二、教学方式的改革

数字化仿真技术是近几年发展起来的一种先进的机械设计方法,它是指将计算机仿真技术应用于产品设计领域,利用计算机分析软件通过建模可对该机构进行运动模拟,对机构及整机进行运动仿真。数字化仿真技术在“机械原理”教学中的应用,不仅可以使得学生对机械原理中的各种机构有感性的认识,而且通过对各种机构的仿真模拟可以使得学生对各种机构的运动与动力特性有直观的了解,有利于培养学生的创新能力。[4]笔者将数字化仿真技术引入到“机械原理”教学中,下面以连杆机构为例,介绍在连杆机构教学中应用数字化仿真技术的一些体会。

1.理论教学的改革

在连杆机构的教学中,连杆机构的基本形式为铰链四杆机构,其三种基本形式分别为曲柄摇杆机构、双曲柄机构和双摇杆机构,当一个铰链四杆机构为曲柄摇杆机构时,通过机构的倒置则可以得到双曲柄机构和双摇杆机构。

在教学过程中,利用数字化仿真软件建立曲柄摇杆机构的数字化模型,按照要求对各相关参数进行设置,其中包括:各杆长度、质量、电机转速、力矩大小等。如图1所示,在四杆机构中各杆分别以转动副相连,分别为A、B、C、D;各杆杆长分别为280mm、520mm、500mm、720mm,然后对杆4固定,杆1为曲柄,在转动副A上加力矩,其数字化模型如图1所示。通过运动仿真对曲柄摇杆机构进行相应的运动分析。[5]曲柄摇杆机构的运动分析如图2所示。

在教学过程中,图1能够清晰演示四杆机构的运动画面,其中曲柄以等角速度转动,摇杆则在一定角度范围内摆动。从图2的角速度图中可以看出曲柄转速为30°/S,而摇杆的摆角为0°~30°。

在曲柄摇杆机构中其他参数保持不变的前提下,只改变曲柄摇杆机构的机架,取原来的杆件1为机架,杆件2为曲柄,对机构进行运动仿真,可以看出,通过改变机架后,原来的曲柄摇杆机构变为了双曲柄机构。双曲柄机构的运动分析如图3所示。

在教学过程中,利用数字化仿真技术学生能够直观看出此时两个曲柄都在做整周的回转运动。从图3中的角速度图中可以看出主动曲柄转速为30°/S,而从动曲柄的转速为不等速连续回转,范围在15°/S~65°/S之间。

最后,在曲柄摇杆机构中,取原来的摇杆3为机架,杆4为曲柄,在其他参数保持不变的前提下对机构进行运动仿真,可以看出,通过改变机架后,原来的曲柄摇杆机构变为了双摇杆机构。双曲柄机构的运动分析如图4所示。

图4的动画演示中能够看出,两个摇杆都不能在整周范围内转动,都在一定范围内做往复摆动,从图4中的角速度图中可以看出主动曲柄摇杆转速为30°/S,而从动摇杆的转速为不等速摆动,范围在0°/S~35°/S之间。

在课堂教学过程中,通过四杆机构的数字化仿真能够使学生在较短的时间内对机构的倒置有清晰的认识,同时提高了学生对计算机应用的兴趣和创新能力。

2.实验教学的改革

由于课时的限制,“机械原理”课程实验共有四次,具体安排如表1所示。

由表1看出:“卓越”班的实验教学比较少,不能够满足学生创新能力和实践能力培养的需求。在实验教学过程中,可以利用数字化仿真技术进行有效的弥补,同时也可以对以上实验进行虚拟验证。在实验2机构运动方案创新设计实验教学过程中,可以先让学生根据实验台搭建不同的机构,分析机构的运动过程,并绘制机构的运动简图,课下让学生通过计算机根据所绘制的机构运动简图建立所搭建的机构模型,进行数字化仿真模拟,直观形象地模拟实际搭建机构的运动过程。而对于实验3机构运动参数测量与分析实验,事先让学生在计算机上对机构进行数字化仿真,测量出机构的位移、速度和加速度曲线,然后再与实验测量的曲线进行相应的比较。对于实验中没有的内容,也可以通过对机构的数字化仿真来培养学生的计算机应用能力和机械创新设计的能力。

三、教学效果

通过数字化仿真技术在“机械原理”课程中的应用,在理论教学过程中对所讲授知识可以实时地进行虚拟仿真,有效改变传统理论教学加实验教学的方法,节省课时。在实验教学中,通过数字化仿真技术和实验相结合大大提高了学生对实验的兴趣,提高了学生的计算机应用能力,同时也培养了学生的机械创新设计意识。

四、结束语

通过教学实践表明,将数字化仿真技术引入到“机械原理”教学中具有较大的新颖性,促进了学生对“机械原理”课程基本理论的理解,实现了教学方法的创新。

新的教学方法能够调动学生学习的积极性,在教学过程中学生能够变被动接受为主动思考,通过对不同的方案进行实时仿真,能够激发学生的创新意识,提高分析问题、解决问题的能力。

数字化仿真技术在本门课程中的应用锻炼了学生将理论知识与实际应用相结合的能力,同时也提高了学生的创新能力。这种教学模式的探索为其他工程类专业基础课程适应“卓越工程师培养计划”的教学改革提供了借鉴经验。

参考文献:

[1]毛娅.适应“卓越工程师培养计划”的机械原理双语教学探索与实践[J].探索与践,2006,4(13):191-192.

[2]卢梅,李威,邱丽芳.虚拟仿真实验技术在机械原理实验教学中的应用研究[J].仪器仪表用户,2006,4(13):25-26.

[3]孙桓,陈作模,葛文杰.机械原理(第七版)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4]袁爱霞,高中庸,李宝灵.机械原理与机构创新设计[J].高教论坛,2007,6(12):78-80.

数字化仿真技术范文第3篇

关键词: 城市规划;城市仿真技术;虚拟现实

Abstract: In this paper, from the change of city planning under the background of the digital city, introduces the characteristics and the key technology of city simulation technology, describes its plays in the city planning work in the role and significance of.

Key words: city planning; city simulation technology; virtual reality

中图分类号:TU984文献标识码:A 文章编号:2095-2104(2013)

1 引言

随着城市社会科技的迅猛发展,社会对城市规划、建设和管理要求越来越高,这是由城市规划在城市发展中的战略地位所决定的。然而过去传统的城市规划中,主要以感性规划为主,存在自上而下命令式、强制控制等级式的管理体制,缺乏相应的客观性、独立性和权威性,公众参与的缺失,也影响了规划设计方案的科学性、前瞻性,影响了政府决策的宏观和全局性的把握。

随着计算机及网络技术的飞速发展和数字化潮流的掀起,基于数字城市平台上的虚拟学校、虚拟影院等应运而生。如何利用先进的计算机技术实现现代城市本身的数字化,是城市管理者、规划部门、公众所共同关心的问题,而城市仿真技术作为数字城市的支撑技术之一,也成为了当前各个领域所研究的热点。

2 数字城市背景下城市规划的变化

2.1城市规划设计理念的转变

随着数字化、信息化概念的不断深入,数字城市建设的不断发展,传统的城市规划理念也受到了强烈的冲击。传统老式的静态规划面临着向多阶段过程转化为一系列单阶段问题逐个求解的动态规划转变,从简单考虑资源配置的物质规划向全面考虑社会经济文化发展需要的精神规划转变,从集中式的由规划设计专家评审到规划设计人员、决策者和社会大众三者共同参与的协作式规划模式转变,从行政管理到法制化管理的转变。

数字城市的建立为城市规划提供了数字平台与技术基础。它一方面使城市规划所需要的一切信息通过数字技术表现出来,城市规划和管理人员能够从整体上了解和掌握城市各类信息,从更大和更广的范围研究和探讨城市发展的一般规律。另 一 方面,通过数字城市提供的多种分析手段和模型,对城市现象进行更多的定量分析,从而进一步提高规划的科学性、可操作性和前瞻性。规划和管理工作者的观念和逻辑思维也随之发生重大变化,从工业社会的物质生产方式转向信息社会和数字化社会的知识生产方式,思维从单一化转向了多元化。

2.2城市规划技术方法的转变

(1)获取信息的手段发生转变。数字城市具备了海量数据存储设备,高速宽带的信息传输系统和高效智能的处理系统,规划设计所需的大量数据也由传统的现场踏勘方式转变为室内数据处理方式,实现了城市规划的现代化。

(2)规划设计方案决策和表现方式发生转变。数字城市的建立,使得规划设计及规划成果的表现由原来的二维平面转变为可视化、动态化、形象化,使规划人员可以利用多种分析手段和模型对城市发展现象、过程、趋势进行量化分析和预测,使得规划方案更加科学、合理、准确。

(3)公众参与度发生转变。对于城市规划成果,利用可视化技术,通过网络展现虚拟城市景观,公众可以实时、在线参与城市规划,提出自己的意见和设想,在充分展现群众的参与权和监督权的同时,充分体现出了规划工作的公平、公正和客观性。

3 城市仿真技术

3.1 概念及特征

通俗地讲,城市仿真(Urban Simulation)就是将“虚拟现实”技术应用在城市规划、建筑设计等领域。而“虚拟现实”(Virtual Reality)又称为灵境技术,是一种用来构建和体验虚拟世界的计算机技术。它具有实时的三维空间表现能力,自然的人机交互式操作系统并能给人类带来身临其境的感受。虚拟现实技术广泛应用在军事模拟、视景仿真、虚拟制造等方面。

城市仿真具备三个特点:(1)良好的交互性。提供了任意角度、速度的漫游方式,可以快速替换不同的建筑;(2)形象直观,为专业人士和非专业人士之间提供了沟通的渠道;(3)利用数字化的手段,使得数据更新和维护变得非常容易。

3.2 关键技术

(1)3D建模技术

为了实现基于Web的三维虚拟城市,必须建立大量相应的3D模型和2D纹理素材。常用的建模方式有:常规的语言编写3D模型、3DS建模输出3D模型、规划成果经过格式转换生成3D模型、根据2D信息进行3D模型重建等等。

(2)真实感图形的实时绘制技术

场景造型是构造虚拟现实系统的第一步,不同于传统真实感图形绘制算法,它追求的是图形的真实感和高质量,我们往往需要通过一些算法在“真实”和“实时”之间寻求一种平衡,常用的包括光亮度计算、纹理映射技术和实时消隐技术等,以满足我们的需要。

(3)立体声合成和立体显示技术

在虚拟现实系统中,如何消除声音的方向与用户头部运动的相关性已成为声学专家们研究的热点;同时,虽然三维图形生成和立体图形生成技术已经较为成熟,但复杂场景的实时显示一直是计算机图形学的重要研究内容。

(4)交互技术

交互性能的高低是衡量虚拟现实技术水平的重要标志。虚拟现实中的人机交互远远超出了键盘和鼠标的传统模式,三维交互技术、触觉反馈是虚拟现实技术的难点。此外,语音识别与语音输入也是虚拟现实系统的一种重要人机交互手段。

4 城市仿真技术在城市规划中的应用

城市仿真技术应用于城市规划,可以为城市规划提供辅助设计、查询分析、成果展示、模型更新等技术手段。人们可以将城市设计方案放入虚拟世界,考虑这些规划方案对现实环境的影响,观察方案是否合理、与周边环境是否和谐,实现设计方案的推敲对比、评审,甚至实时地进行方案修改,同时结合城市规划、城市建设进程,通过进行方案评审和成果入库,动态更新城市模型,从而避免实际建造所消耗的资本和时间,对提高城市规划和生态环境,降低城市合理规划的成本,缩短城市合理规划的时间有着非常重要的意义。

(1)规划审批工作更具科学性。虚拟现实可视化,结合3D、GIS技术,具备了规划方案的多方案比较、对照分析、通视分析、空间信息分析服务,地下管网及城市网线布局控制显示功能,实现城市多维、多源、多尺度时态和动态数据的维护与更新管理,能解决规划审批工作中的诸多难题。

(2)多部门协同工作更具共享性。城市仿真应用系统可实现三维数据库动态应用与一体化管理,能为多部门提供便捷的城市立体空间数据信息共享,在根本上实现城市数字一体化管理进度。

(3)领导决策更具可依性。通过将具体项目在真实场景中进行多方案比较分析,提高了项目的可行性,也为领导层提供了直观、真实、科学的空间综合数据决策依据,提高了项目方案配比合理化水平。

(4) 规划建设更具民主性。虚拟现实可视化,能够实现网络与市民公示。市民通过在线浏览共享和查询分析,参与评论和投票,从而增加项目的民意性参与,树立良好的市政形象。

(5)城市在线宣传更具推广性。虚拟现实可视化,可以对特定场所进行高精度渲染,可以预设待开发项目的规划效果,为今后城市的在线宣传与投资政策起到了巨大的直观推动作用。

5 结束语

城市仿真技术作为信息技术中的一种新兴技术,正在逐渐成为帮助城市规划和管理的重要手段,它对于城市规划的影响不仅表现在对城市规划所需信息的采集、处理和利用方面,更为重要的是它改变了城市规划内部信息流程和规划部门与社会的信息交流与反馈机制,进而对城市规划管理体制产生深远的影响。随着网络技术和计算机软硬件的发展,城市仿真技术在城市规划管理中的应用将会更加广泛,同时,城市仿真技术还可以拓展到如市政管理、公共交通、环境保护、地产开发、公安消防等其他领域的应用,可以实现各种道路系统设计的三维立体仿真,包括高速公路线路选择、立交体系的仿真、城市交通仿真等,前景令人期待。

参考文献:

[1] 黄丽娜,庞前聪,费立凡.基于GIS的城市规划仿真系统开发与实现[J]. 国土资源科技管理,2006.

[2] 姜峰.数字规划中的虚拟现实技术[J]. 武汉大学学报(工学版),2004,37(6).

[3] 石教英.虚拟现实基础及实用算法[M]. 北京:科学出版社,2002.

数字化仿真技术范文第4篇

关键词:数字化设计;仿真;虚拟样机技术

中图分类号:TP 文献标识码:A 文章编号:1672-3198(2010)11-0298-02

我国工业信息化经历了多年的发展,从过去的产品设计、工艺设计、生产管理等所使用的文件都是纸张式发展到现在计算机产品数据管理(PDM),CAD/CAPP/CAM/MRP/ERP等数字化技术已经在企业中广泛应用,产品信息化正积极推动着工业化的发展。产品数字化设计和仿真能大幅提高企业的产品开发能力、缩短产品研制周期、降低开发成本等,大大提高了企业的竞争力。

数字化设计与仿真技术集成了现代设计制造过程中的多项先进技术,包括三维建模、装配分析、优化设计、系统集成、产品信息管理、虚拟设计制造与仿真、多媒体和网络通讯等,是一项多学科的综合技术,在网络和计算机辅助下通过产品数据模型,全面模拟产品的设计、分析、装配、制造等过程。

1 数字化设计技术的发展历程

(1)CAx工具的广泛应用。各种CAD/CAM工具自20世纪50年代开始出现,并逐步应用到制造业中,制造业已经开始利用现代信息技术来改进传统的产品设计,这标志着数字化设计的开始。

(2)并行工程思想的提出与推行。并行工程作为一种新的产品开发的理念,在20世纪80年代后期提出,它吸收了计算机技术、信息技术的成果,成为产品数字设计的重要手段,是在现代信息技术作为背景支持下对传统的产品开发方式的一种根本性改进。PDM(产品数据管理)技术及DFx(如DFM、DFA等)技术是并行工程思想在产品设计阶段的具体体现。

(3)虚拟样机技术的应用。随着技术的不断进步,仿真在产品设计过程中的应用变得越来越广泛而深刻,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)。虚拟样机技术正是这一发展趋势的典型代表。虚拟样机也被称为数字化功能样机,同时虚拟样机技术也是一门综合学科的技术,以机械系统运动学、多体动力学、有限元分析和控制理论为核心,运用计算机技术将产品的设计分析集成起来,建立机械系统的数字模型。运用虚拟样机技术可以快速建立包含控制系统、液压系统、气动系统在内的多体动力学虚拟样机,并对产品的多种设计方案进行测试、评估,在设计中不断发现问题、解决问题、优化整体设计。美国的波音777客机便是世界上首个以无图方式研发和制造的飞机,虚拟样机技术在整个设计、生产、装配、评估环节发挥着及其重要的作用,并确保产品最终一次拼接成功。

2 数字化设计及仿真技术的应用

目前已经有很多成熟的商业CAD、CAE软件在航空航天、机械电子、汽车制造、工程机械、造船、铁路等各个领域广泛应用,如在产品结构三维CAD设计方面有Pro/Engi―neer、UG、SolidWorks、SolidEdge等;结构分析软件有AN―SYS、PATRAN、NASTRAN、MARC等;运动学和动力学仿真软件有ADAMS等软件;控制系统仿真软件有MATH―WORKS公司的MATLAB等软件。这些成熟的商业软件都有着非常广阔的市场和非常庞大的客户群,同时市场需求也促使这些CAD、CAE软件之间数据转换相互兼容,我们可以在三维CAD软件中进行产品结构模型设计,然后传人结构、运动学和动力学仿真软件中进行分析,然后将变量数据传输到控制系统仿真软件中对控制系统进行仿真。这样我们就可以不断对设计方案进行评估、优化和完善,而这一切都是在计算机数字化下完成,为企业节约了大量时间和缩减了大幅开发成本。而这又让数字化设计在减少设计过程中实物模型的制造和易于实现设计的并行化的两大优点在企业的产品开发设计中完美体现。

数字化设计推动信息进程向前发展,而仿真则是验证设计结果的有效手段。仿真作为工业社会由纯机械化向信息化时代前进过程中的产物,在航空、航天、国防、其他工业的复杂产品设计开发过程中,计算机仿真技术在减少损失、节约经费、缩短产品设计开发周期、提高产品之类方面发挥出巨大的潜力,促使仿真技术的迅速发展,历程大概可分为以下几个阶段:

(1)发展阶段:二次大战末期,火炮控制与飞行控制动力学系统的研究促进了仿真技术的发展,20世纪40年代研制成功第一台通用电子模拟计算机。50年代末期到60年代,导弹和宇宙飞船的姿态及轨道动力学的研究、仿真技术在阿渡罗登月计划及核电站的广泛应用、以及50年代末第一台混合计算机系统用于洲际导弹的仿真,促进了仿真技术的发展。

(2)成熟阶段:70年代中期,在军事需求推动下,仿真技术得到迅速发展,并从军事领域向其他领域扩展。在这个时期出现了用于培训民航客机驾驶员和军用飞机飞行员的飞行训练模拟器和培训复杂工业系统操作人员的仿真系统等产品,相继出现了一些从事仿真设备和仿真系统生产的专业化公司,例如美国的GSE公司、E&s公司、ABB公司、Dyneties公司等,使仿真技术形成产业化。

(3)高级阶段:20世纪80年代初以美国国防高级研究计划局(DARPA)和美国陆军共同制定和执行的SIMNET(Simulation Networking)研究计划和美国三军建立先进的半实物仿真试验室为标志,仿真技术发展到了一个新的高级阶段。

3 中国仿真技术上市场的特点的现状

经过一个多世纪的发展革新,仿真技术已经形成一门独立的科学体系,包括:由仿真建模理论、仿真系统理论和仿真应用理论构成的理论体系;由系统、模型、应用领域知识综合而成的理论基础;由基于相似原理的仿真建模,基于整体论的仿真系统构建和全系统、全生命周期、全方位的仿真应用综合而成的方法论。那么我国仿真产业发展状况如何?2007中国(上海)国际仿真工业展览会组委会曾历时两年做过一次“中国仿真产业发展现状”的市场调查,调查显示中国仿真市场存在如下特点:

(1)科技含量高、市场潜力大、学术性强是目前中国仿真市场的主要特点。

(2)仿真属于高科技领域,企业主要集中在国内大中型城市。

(3)中国仿真软件目前主要销售市场仍然集中在国内。

(4)中国仿真企业普遍年轻,其中以1990~2000年及2004年后为主。

(5)从事仿真技术的企业普遍乐观,对仿真行业市场有很大信心,行业竞争相对较小。

计算机仿真在制造业中具体应用主要体现在以下几个方面:

(1)面向产品的仿真。包括产品的静态、动态性能分析,可制造性分析,可装配性分析。

(2)面向装配工艺和装备的仿真。

(3)面向生产管理的仿真。我国研发的有南开大学的JobShop调度仿真软件,清华大学与航天部204所等单位联合开发的FASE,以及在此基础上开发的智能规则调度系统等。

(4)面向制造企业其他环节的仿真。

数字化仿真技术范文第5篇

【关键词】传统教学,虚拟仿真技术

科技发展带动着教育方式的更新。传统课堂教学方式已经远远不能满足现代教学发展的需求。多媒体虚拟仿真技术逐渐应用到现代课堂教学中。

一、传统教学的弊端

首先,传统课堂教学方式重理论讲授,实践操作没有提升到同等高度。但实际上,知识本身就是具有生动的、丰富的实际内容,而作为他的表述性的语言文字、符号图表等等则是抽象和简约的。学生在课堂上学习的教材只是由汉字和语法汇集成的书本知识,这就要求学生不论学习什么知识,都要透过语言文字、符号图表把它们所代表的实际内容想清楚,以至想"活"起来,按照教育心理学的观点,这样的学习才是有意义的学习,即理解性的学习。

其次,传统课堂教学方式重理性认识、轻感性认识。在传统课堂教学中,感性认识被认为是只能提供认识的具体材料,唯有理性认识才能把握事物的本质。这种感性认识与理性认识之间被人为地设置一道鸿沟。这种重理性、轻感性的理念会影响教学追求理论化、抽象化,不利于学生对知识的掌握。教育心理学研究表明,学生掌握知识的过程是一个感性认识和理性认识相结合的过程。如果学生的感性认识丰富,表象清晰,想象生动,形成理性认识及理解书本知识就比较容易。反之,要掌握书本上的概念、公式、原理等就比较困难。

从心理学的角度看,感性是指人的感知、想象、情感、灵感、直觉等心理机制与功能;理性是指人运用概念进行推理、判断的心理机制与功能。传统课堂教学缺乏对人的感性因素的刺激和满足,从而也使其自身丧失了应有的感染力和召唤力。再次,传统课堂教学方式重视结论,轻视过程。在很多学科的学习过程中结论与过程的关系是学生求知过程中的一个十分重要的关系。重结论、轻过程正是传统静态知识观的反映和体现。重结论、轻过程的教学只是一种形式上走捷径的教学,把形成结论的生动过程变成了单调刻板的条文背诵,它从源头上剥离了知识与智力的内在联系。就认识活动而言,它主要是学生自主阅读独立思考的过程。现代教育心理学研究指出,学生的学习过程和科学家的探索过程在本质上是一样的,都是一个发现问题、分析问题、解决问题的过程。这个过程一方面是暴露学生各种疑问、思维、障碍和矛盾的过程,另一方面是展示学生聪明才智、独特个性、创新成果的过程。

重理论、轻实践,重理性、轻感性,重结论、轻过程,使以书本知识为本位的课堂教学丧失了素质教育的功能。改革课堂教学首先要进行价值本位的转移,即由以知识为本位,转向以发展为本位。以发展为本位并非不要传授书本知识,而是要把传授书本知识服从、服务于学生的发展。为此必须着眼于更新知识观和学习现。知识的直观化、形象化、情感化、个性化、活动化、智慧化是通往素质的必经之路,是教学通向发展的必经之路。

二、现代教学方式进步

现代教学方法有了很大的进步与发展,无论从形式还是内容都较传统教学有所提高。随着计算机技术,多媒体技术和网络技术的深入发展,虚拟技术逐渐由商业环境走向现代的教育教学领域。无论是幼儿园、小学、初中、高中、大学,还是各种各样的培训机构,都涉及到现代多媒体虚拟仿真技术的产物。大众对虚拟教学仪器环境和人类文明的认知不能仅仅局限于一般的浏览,在试验、教学仪器、管理、校园生活等因素基础上三维立体仿真教育系统应运而生。一个完整的虚拟校园教育体系真实、交互的特点正好是虚拟仿真技术的精髓和魅力所在,也将会对教育方式的变革起到极大推动作用,将会为教育事业增添强大的生命力。

当今社会已经步入数字科技信息时代。加快虚拟仿真技术在现代教育领域开发应用。如虚拟仿真实训平台、网络课程、虚拟仿真动画(工作过程模拟软件)、通用素材库等多种形式的教育数字化信息资源。

三、现代的教育数字化发展

虚拟仿真技术周期短、安全性高、真实感强等特点 ,已逐渐成为现代教育领域不可缺少的组成部分。原来老师黑板写,学生底下记的时代已近过去。各种层出不穷的虚拟仿真实训平台、虚拟仿真动画、网络课程,提升了现代教育的实力,改变了现代教育的理念,升华了现代教育的层次。一系列计算机虚拟仿真技术在现代教育的应用发挥着不可取代的作用。

现代教育数字化研究和开发是迎合科技发展,将仿真技术应用到教育教学中,提高现代教育数字化信息化进程,完善了现代教育的结构。虚拟仿真技术的发展影响着现代教育。一个具备高素质的教育平台,不单单是对硬件的需求,教育软实力的发展程度同样制约着该教育平台的高度。现代教育机构的竞争、学习、发展,在多方面体现在多媒体虚拟技术的发展程度。做好现在教育领域多媒体仿真技术的研究与应用,是对当代教育领域新的发展空间的拓展,具有划时代的意义。

多媒体仿真技术在现代高校教学过程中虚拟平台的搭建,如虚拟仿真动画的设计与制作。特别是针对“课堂上无法实际操作”高难度教学内容,例如:建筑外立面效果替换、某生产工艺的生产流程、某建筑的建造流程展示、某仪器设备的使用、维护、保养。提高教学质量,真正实现《教育部关于加快推进职业教育信息化发展的意见》中,加快开发现代课堂教育数字化优质信息资源。

通过多媒体虚拟仿真技术形象化模型信息的特点,针对实际课程有的放矢。依据课程特点设计合理有效的多媒体仿真平台,针对教育教学方法提出实际改革方法。(促进教育教学观念转变,引领教学内容和教学方法改革; 推动多媒体仿真技术在现代高校数字信息化进程。

虚拟仿真技术的交互性、逼真性、虚拟性、沉浸性在现代课堂教学中,充分发挥其特色,有效的辅助教师现代课堂教学。切实推进现代教育广泛、深入、有效地应用数字信息技术,不断提升现代高校虚拟仿真平台、虚拟仿真动画、网络课程、虚拟环境的建设,全面加强数字信息技术支撑现代课堂教学改革发展的能力,以先进的现代教育数字信息技术改造传统教育教学模式,以信息化促进现代该等教育现代化的进程。

参考文献:

[1]姜大源,关于职业教育课程体系的思考[J].中国职业技术教育,2003(5).

[2]何向彤.高等职业教育实践教学管理特质初探[J].教育与职业,2007(17).

数字化仿真技术范文第6篇

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).

数字化仿真技术范文第7篇

关 键 词:榫卯结构 数字化仿真 有束腰凳

一、前言

传统榫卯工艺是传统文化中的瑰宝[1],在现代家具设计中迫切需要对其进行深入学习与研究。但是由于榫卯工艺结构复杂,在教学中此类物理教具制作困难,不能进行批量的机械化生产。并且内部榫卯结构不能通过物理教具直接观察到,学习者不能直观的理解其结构,这造成学习榫卯结构的过程非常困难[2]。针对榫卯工艺在研究过程中存在的此类问题,本文提出引入数字化设计中的新方法、新技术,将数字化仿真设计与榫卯工艺相结合,以“有束腰方凳”为例,进行虚拟仿真设计。利用仿真技术对榫卯结构进行数字化模型的构建,并利用虚拟装配技术对其进行装配和构建。这样避免了物理教具的批量制造,降低教学成本,提升了教学效率,为榫卯结构的教学研究提供了一条新的思路,本文主要研究的是通过仿真模拟技术对传统榫卯工艺进行研究及其数据库的建立。

二、数字化仿真构建方法

1、数字化仿真技术含义

数字化仿真技术是以虚拟现实和仿真技术为基础,对产品的设计过程统一建模,在计算机上实现产品从设计、加工和装配、检验、整个生命周期的模拟和仿真。这样可以在产品的设计阶段就模拟出产品及其性能和制造过程,以此来优化产品的设计质量和制造过程。与传统的工业设计相比,数字化设计技术在设计方法、设计过程、设计质量和效率等各方面都发生了质的变化,数字化工业设计将主要包括数字化建模,数字化装配,数字化评价,数字化制造,以及数字化信息交换等几方面。

2、数字化仿真设计流程

在现实家具榫卯工艺研究的方法是:把已有的家具进行拆解,对拆解后的榫卯结构进行测量、记录与学习。而在Pro/E系统中,学习研究榫卯结构的方法是:首先通过对榫卯家具进行拆解,并对其结构进行精细测量;然后通过数字化设计技术,并采用数字化样机来代替原来的物理原型,在数字状态下进行仿真分析,对原设计进行装配重组。这样不需要实物原型,就可以让更多的设计人员在不同时间不同的地点在计算机上进行榫卯结构的学习和研究。

三、数字化仿真实例

首先是建模平台的选取,考虑到数据格式的通用性、三维模型建设的便捷性,以及数据管理方式的先进性,最终选用了软件Pro/E作为三维建模平台。对结构件和零件用软件Pro/E进行建模来更直观的展示传统结构,以此来系统阐述榫卯结构制图和模型制作的现代工艺流程。由于凳子是明清家具中最基本的单品,其结构也是桌、案、几等家具的本源。本文将具有榫卯结构的束腰凳进行拆解,并对拆解后的结构进行仿真模拟。

1、定义初步产品结构

在进行详细设计之前要对产品进行初步结构分析:首先采用自顶向下设计方法规划出束腰凳的整体造型结构关系,即产品结构包含了一系列的子装配件,以及它们所继承的设计意图。产品结构由各层次装配和元件清单组成,在定义设计意图时,有许多子装配是预先确定下来的:比如对本例束腰凳进行结构分析,可以看到本例凳子一共使用了攒边打槽装板、抱肩榫、格肩榫这三种榫卯装配结构。

2、数字化样机详细设计

在明确了设计意图并定义了“有束腰凳”产品基本结构和框架前提下,将围绕设计意图和基本框架展开零件和子装配的详细设计。首先是子装配件的确定,通过对基本框架的研究分析得出产品共分为三个子装配体:攒边打槽装板结构子装配体、抱肩榫结构子装配体、格肩榫子装配体。当子装配体确定下来,设计基准传递下去之后,可以进行单个的零件设计。

2.1凳面榫卯结构仿真

从拆解图二可以看出,凳面采用的是攒边打槽装板连接方式。我们将攒边打槽装板连接方式定义为子装配件,在子装配件下进行板心及边框的详细设计。趱边打槽装板的装配结构是首先将板心装纳在四根边框之中,然后将装板的边框装配起来[3]。这种装配结构的优点在于边框伸缩性不大,使得整个家具的结构不至由于面板的胀缩而受影响,起到了稳定坚实的作用。

趱边打槽装板装配结构定义完之后开始进行零部件的详细设计,由图四可以看出此装配零部件由凳面的带榫头的两根大边和两条带榫眼的抹头组成。这四根木框两根长而出榫的叫“大边”,两根短而凿眼的叫“抹头”。经过以上分析,在Pro/E环境中建立这四根带有榫卯结构的木框零部件。

2.2腿足的抱肩榫结构仿真

从图三可以看出,凳面与腿足及其束腰采用的是抱肩榫连接方式,将抱肩榫连接方式定义为子装配件,抱肩榫是束腰家具的腿足与束腰、牙条相结合时使用的榫卯结构。首先通过测绘获得各种数据为基础,在获得详细的数据基础上,通过三维仿真建模技术,对抱肩榫结构进行子装配件的建立。之后在子装配件下进行牙条与腿足的详细设计。通过对三维仿真模型的拆解可以看出来,抱肩榫子装配件的详细结构是在腿足上挖出肩,将牙条插挂在上面来固定四方的框架。同时挂销进一步定位横材和竖材,将面受到的压力均匀传递到四足上,腿足上端的长短榫通过抹头的插接固定了承重面。

2.3.脚档的格肩榫模型仿真

通过下图对束腰凳的拆解可以看出,数字化模型中脚档与腿足的连接方式为格肩榫,将格肩榫装配方式定义为子装配体,然后分析其详细零部件。本实例束腰凳的腿足是方形竖材,此家具用的是大格肩榫结构,肩部为尖角,格肩部分和长方形的阳榫贴实在一起的,为不带夹皮的格肩榫,又叫“实肩”。详细零部件构成为:格肩榫榫头在中间,两边为榫肩,格肩部分和长方形的阳榫贴实在一起的,为不带夹皮的格肩榫,又叫“实肩”。 齐头碰在形式上有透榫。

3、数字化样机虚拟装配

假如在榫卯结构的物理教具装配演示过程中,需要将装配的各个零部件拿到装配现场进行装配[4]。而在Pro/E虚拟系统中,只需要在计算机屏幕上装配零部件,查看和分析零件的配合情况,这样可减少对物理样机的依赖。

具体的虚拟装配的方法是:首先是装配建模体系结构的建立,根据有束腰凳装配给定的功能要求和设计约束,先确定产品的大致组成和形状,确定各组成零部件之间的装配关系和约束关系。然后再把束腰凳分解成若干个零部件,在总体装配关系的约束下,同步根据装配关系对这些零部件进行设计。

其次是装配体层次关系的定义,束腰凳的装配体分解成不同层次的子装配体,子装配体又可分解成若干子装配体和各个零件。通常将零件、子装配体、装配体之间的这种层次关系直观地表示成装配树,树的根节点是装配体,子节点是组成装配体的各个零件,中间节点则是子装配体。装配树的的关系体现了实际形成装配体的装配顺序,同时也表达了装配体、子装配体及零件之间的父、子从属关系。图6是有束腰凳的仿真装配结果。

四、 结语

传统榫卯结构是我国宝贵的传统工艺非物质文化遗产,同时明式家具榫卯结构工艺也是当今学习榫卯结构的难点,所以有必要对传统榫卯结构进行三维数字模型的仿真研究,使学习和掌握榫卯结构的过程更快捷。通过三维模型的仿真研究和实践,探索出一套学习榫卯工艺的学习方法,为当今家具设计提供有益的参考,同时也促进了明式家具的深入研究,有助于传统文化的广泛传播和发展。

本文为天津市高等学校人文社会科学研究一般项目资助 课题号:20112303

参考文献

[1] 胡中艳,曹阳.中国古代家具设计的继承与发展[J].包装工程,2009,30(1)158-160

[2] 杨静,余隋怀,杨刚俊.明式家具榫卯结构的参数化设计系统构建与应用[J].西北林业学院学报,2009,24(3):163-166

[3] 王世襄.明式家具研究[M].北京:三联书店,2008.

数字化仿真技术范文第8篇

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

数字化仿真技术范文第9篇

关键词:数字化;施工;信息资源

建设工程施工是一个高度动态的过程,施工不仅复杂而且施工时期较长,如何应用先进的技术手段进行安全而有序的管理,使施工体系达到现代化水平的目标已成为施工管理人员的共识。随着数字技术的飞速发展和互联网的日益普及,以互联网技术为基础,借助于系统仿真技术以及数字化的概念,实现工程项目的透明化、传播化和智能化施工管理,已成为工程项目施工管理的一个重要研究课题与发展方向。

一、数字化施工的概念以及核心思想

数字化施工是在“数字地球”这一大课题背景下提出的。美国于 1998 年率先提出了“数字地球”(Digital Earth)的概念,数字地球的概念不是一成不变的,而是随着社会的发展而不断进步的。 “数字化施工”就是将施工过程数字化,其核心思想是用数字化手段的整体性去解决工程施工问题并最大限度地利用信息资源,使得在施工质量得到保障的同时可以达到高效的施工。它不仅仅指由计算机代替传统的手工制作报表,而且应用在多项事件及职能上,可以对施工进行全面性的控制。

空间信息是数字化施工管理的必须品,它包括施工场地的地形地貌的现场勘测与记录、建筑物的区位信息以及施工项目的安排等一切空间的信息,是对特定空间内的全面操控。空间信息技术是全面而宏观的空间处理技术,它主要包括遥感技术、地理信息系统和全球定位系统,即 3S认证技术。其中,地理信息系统在建设工程施工中具有重要作用,地理信息系统是一门新兴学科,它介于地球信息与信息科学之间,以存储,采集,分析,管理,描述和应用相关资源为导向的数据系统。地理信息技术可以对施工区域持续的进行监控与管理,可以随时发现施工的问题以及运算相关的施工数据。

二、数字化系统的仿真运算

系统仿真技术是随着计算机技术的发展逐步形成的一门新兴技术,它以相似性原理、系统工程方法、信息技术及应用领域相关专业技术为基础,以计算机等设备为工具,利用系统模型对真实的、或设想的系统进行动态研究的一门多学科的综合技术。例如在我国体育场(馆)建设中,就是通过前期不断的仿真运算来推测体育场(馆)建成之后的型貌,并在施工过程中随时通过仿真运算的结果显示来更改施工措施及方案,使得工程进度与仿真情况形成了对比,更有利于施工单位明确自己的施工体系,从而完善施工过程。随着仿真技术的发展,现代仿真技术已经成为工程单位的常规科技手段。仿真技术可以通过架设的方式让施工单位看到施工完成后的大概情况,然后根据施工完成的情况优劣而决定施工中的方案调整,简单的说就是一种反推理的过程,为复杂的工程以及运算提供了不可缺少的分析、研究、设计、评价、决策和训练的重要手段。

三、虚拟现实

所谓虚拟现实(Virtual Reality,简称 VR),就是采用以计算机技术为核心的现代高新科技生成逼真的模拟环境,该环境中包含了视觉、听觉、触觉与嗅觉为一体的特定环境,通过多种传感设备(如头盔显示器、立体眼镜、数据手套、数据衣等)使用户以自然的方式与模拟环境中的物体进行相互交融,从而产生身临其境的感受和体验。虚拟现实有重要的 3 I特性:

(1)Immersion(沉浸度)。VR 系统不再像传统的计算机接口技术一样,它强调用户与计算机的自然接触,就像现实中人与人之间的交流或者人与自然的融汇一样。

(2)Interaction(交互性)。VR 系统区别于传统三维动画的特征是用户不再被动地接受计算机所给予的信息,或者是旁观者,而是主动的参与到三维动画之中,能够使用交互输入设备来操纵虚拟物体,以改变虚拟世界的。

(3)Imagination(想象性)。用户利用 VR 系统可以从定性和定量综合集成的环境中获得感性和理性的认识,从而更深刻的认识环境、相应区位的情况及变化,从而深化概念和萌发新意。

四、智能施工

智能体(Agent)是一种完全创新的非人工技术,是指为了实现自己的设计目标或任务而独立自主的运行,能适应自身所处的环境,并能不断地从环境中获取知识以提高自身能力的具有学习和推理功能的智能实体。多智能体技术具有自主性、分布性、协调性,并具有自组织能力、学习能力和推理能力并完全不需要人工操作。目前多智能体的建模软件主要有 JAVA、Visual C++、VisualBasic、SQL Server、Delphi、PowerBuilder 中的 CLIPS 等。随着国民经济的发展和新技术、新材料、新工艺的不断出现,工程项目规模不断扩大、形式日益复杂,工程建设过程涉及的单位和个人也越来越多,因而对建设工程管理的统筹性、协调性、时效性提出的要求就越来越高。对于这样一个复杂的系统,应用多智能体技术来保证工程建设任务的顺利进行是非常合适的。

五、结语

将来随着数字化施工的普及,我国的场地施工质量和效率必将有显著性的提高,而通过更合理的改造及加工,我们的信息模块也可以在短时期内发展到较为完整的水平。只是我国如今的施工项目对于数字化施工的利用率还不高,有些施工项目的施工成本较低和对数字化施工的优势利用认识不清导致数字化施工无用武之地。这就需要我们的管理者首先要明确数字化对施工效率的促进作用及在施工管理过程中的优势,加大对数字化人员的培训力度,使数字化技术在缩短工程周期、强化工程质量和节省资源方面发挥更大的作用,以促进数字化技术在施工过程中的利用率达到更高的水平。

参考文献:

[1] 李景茹, 胡程顺. 数字化施工浅议[J].建筑管理现代化,2004年,第五期.

[2] 朱学清. 浅谈数字化施工管理要点的分析[J].建筑工程,2011年.第七期.

数字化仿真技术范文第10篇

【关键词】船舶制造;数字化设计;信息一体化

一、引言

数字化造船是以造船过程的知识融合为基础,以数字化建模仿真与优化为特征,将信息技术全面应用于船舶的产品开发、设计、制造、管理、经营和决策的全过程,最终达到快速设计、快速建造、快速检测、快速响应和快速重组的目的。数字化造船技术涵盖的范围非常广泛。本文就目前较为流行的部分数字化技术进行简要分析。

二、行业背景

在经济全球化的今天,国际造船业已发展成为全球一体化市场,世界各国造船企业在全球范围内展开了技术、性能、质量和服务等全方位的角逐。随着全球船舶市场占有率的竞争日趋激烈,世界造船业在技术、体制上发生了重大改革,其中造船技术的发展尤为突出,从最初的焊接技术到大型生产流水线等新技术的成功应用,到现阶段信息集成系统、并行工程、敏捷造船、先进制造模式等先进技术或理念在船舶制造业中广泛应用,使船舶行业凸显成为信息密集、技术密集和资金密集的现代新型产业。

自二十世纪七十年代开始,我国造船业开始快速发展,至今已经历了特征鲜明的三个阶段。从最初的打开国门走向世界,到规模不断壮大超越日韩,我国造船业在几经沉浮后实现了蜕变,造船技术的发展也实现了飞跃。尤其是数字化造船技术的发展,完成了船舶设计、制造、管理手段的革新。

中国船舶工业发展历程

三、技术分析及应用

数字化造船要求以数据处理、虚拟现实、数据库、网络通讯等数字化技术为基础,将数字化技术全面应用于船舶的开发、设计、制造、管理的全过程中。数字化技术所包含的内容非常广泛,如何将船舶设计、生产、管理的相关理论和方法与特定数字化技术相融合将是数字化技术应用的关键所在。下面列举部分船舶行业中应用的重点/难点技术,并结合NACKS的现状进行了简要的分析。

(一)虚拟仿真技术

船舶建造虚拟仿真技术作为一种新型技术,旨在利用数字模型替代物理原型,对船舶的设计、制造及生产系统等进行仿真,以提高设计水平、建造质量,缩短产品研制周期。船舶建造虚拟仿真技术是基于计算机和信息技术的一种新的先进造船技术,是船舶数字化建造的具体体现,对船舶产业的科技发展具有重要意义。

造船发达国家纷纷利用信息技术给造船业带来的各种机遇,积极开展船舶虚拟设计和建造仿真技术的研究。韩国和日本的造船业,虚拟设计与制造仿真技术研究开展得比较早,并取得较好的研究成果。对于首制高附加值船舶和船舶的设计和建造,在实际建造之前都要利用虚拟仿真技术对设计结果、建造工艺和建造流程进行预先仿真,能够及时发现并纠正设计中存在的问题。由于虚拟现实技术可将仍处于概念阶段的设计方案以逼近于现实的形式呈现出来,从而可以及早发现并纠正设计问题。

虚拟仿真在船舶行业的应用范畴,主要包含四部分内容:船舶虚拟设计评估与优化技术、船舶建造工艺仿真与优化技术、船厂物流仿真与能力评估技术与作业、运行保障仿真技术。国内船舶行业在前三个方向都开展了一些工作,基本突破了常用异构系统数据转换、船舶产品虚拟评估技术、船舶工艺自动建造技术、船舶焊接工艺智能设计与统计技术等关键技术,并开展多型船舶的建造工艺仿真,船厂建造资源能力评估等工作。然后,在建造工艺深化应用、船厂物流仿真、运行保障领域的应用较少,深度也较浅,将是未来发展重点。

(二)物联网技术

物联网技术即通过射频识别(RFID)、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信息传感设备,按约定的协议,把任何物品与互联网连接起来,进行信息交换和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网技术是在近十年开速发展的一项网络技术,在不知不觉间已经充斥在我们身边每一个角落,比如打卡考勤系统和条形码扫描系统。

船舶行业属于劳动力密集型、多品种、小批量、按订单生产的离线制造行业,因其行业信息化量大、管理复杂,物联网技术的快速发展给船舶行业注入了新鲜的血液。通过物联网技术的应用,可在生产建造、物流、设备管理、能源控制、安全管理、质量管理等多领域实现信息的实时采集、统计分析,实现过程控制、状态跟踪、统计分析、平衡优化的目的。

物联网技术在最近几年发展迅速,但其在船舶行业的普及还存在一定难度,首先最重要的一点就是成本问题。电子标签、读写设备价格较高,在没有大规模应用的情况下,收益预期与投入难以平衡。其次,物联网的应用还存在一定的技术难点:技术标准还存在较多不统一的部分;数据采集频繁,信息安全需重点考虑;物联网的协议栈需要统一;IPV4资源存在耗尽风险。另外,造船现场的条件较差,这对物联网的应用提出了挑战,潮湿、高温、电磁屏蔽等也是阻碍物联网普及的障碍物。

(三)企业信息集成技术

在船舶企业中,由于作业内容的不同,往往有多个异构的、运行在不同的软硬件平台上的信息系统同时运行,这些系统的数据源彼此独立、相互封闭,使得数据难以在系统之间交流、共享和融合,从而形成了"信息孤岛"。随着数字化应用的不断深入,企业内部、企业与外部信息交互的需求日益强烈,急切需要对已有的信息进行整合,联通“信息孤岛”,共享信息。

企业信息集成是指企业在不同应用系统之间实现数据共享,即实现数据在不同格式和存储方式之间的转化,来源不同、形态不一、内容不等的信息资源进行系统分析、辨清正误、消除冗余、合并同类,进而产生具有统一数据形式的有价值信息的过程。

对船舶企业而言,企业的信息集成可实现各部门、各应用系统之间的协调运作,实现业务流程的定制、改造和优化,为企业的各种应用和系统提供一个统一的运行协作平台,实现流程协作和信息共享。信息的共享又会间接的降低企业的运营成本。

(四)CAD/CAE一体化技术

船舶设计是一个涉及多个专业、多个系统、规模庞大的协同工作过程。其周期较长、过程较复杂,且在船舶设计过程中,不同专业使用不同的计算机辅助设计(CAD)及计算机辅助分析(CAE)软件,从而造成缺乏一体化、集成化的设计系统,信息交流不通畅,存在“信息孤岛”问题。CAD/CAE技术的相互融合、相互渗透已成为了一种自发的有效需求,在CAD/CAE一体化技术的帮助下,船舶研发、设计将实现从经验设计到计算机辅助设计的转变,可大大缩短产品周期,提高产品质量。

通过对比可以看出,CAD注重产品的外形特征,以提供图形图像、数字化模型为主,而CAE更注重的是产品物理特征问题。在实际作业中,将研发和设计相互割裂开来会产生重复性投入,同时会降低作业流程的效率。

FEM与TRIBON建立的船体模型对比

四、结束语

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