三維仿真
關(guān)注創(chuàng)建者：DTAS棣拓尺寸公差分析及尺寸鏈計(jì)算 創(chuàng)建時(shí)間：2023-09-13
三維仿真的視頻教程
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3DCS三維尺寸公差仿真分析
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三維仿真的實(shí)例教程
3 分油機(jī)三維仿真軟件設(shè)計(jì)
分油機(jī)模擬軟件開發(fā)應(yīng)用的工具有MATLAB、Visual Studio 2015、3dsMAX和Unity3D。數(shù)學(xué)建模工具為MATLAB，在MATLAB中建立分油機(jī)控制系統(tǒng)和管路的數(shù)學(xué)模型，并對模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，在驗(yàn)證正確性之后在Visual Studio 2015中應(yīng)用C#建立仿真系統(tǒng)的模型端。分油機(jī)三維仿真軟件的系統(tǒng)采用3dsMAX進(jìn)行三維建模，并在Unity3D中進(jìn)行系統(tǒng)合成與交互，形成基于Unity3D引擎的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，分油機(jī)三維虛擬仿真軟件系統(tǒng)框架如圖3所示。
圖3 分油機(jī)三維虛擬仿真系統(tǒng)框架
分油機(jī)三維虛擬仿真軟件系統(tǒng)主要包括了三維模型模塊和數(shù)學(xué)模型模塊。三維模型模塊由分油機(jī)三維場景數(shù)據(jù)庫、三維圖形渲染和三維圖形交互，三維場景數(shù)據(jù)庫主要用于存儲(chǔ)分油機(jī)、管路、控制箱等的三維模型與貼圖素材，三維圖形渲染采用Unity3D內(nèi)置的渲染引擎，對顯示效果進(jìn)行優(yōu)化，三維圖形交互是用于用戶與三維場景中的交互，實(shí)現(xiàn)漫游功能、碰撞檢測功能和三維拾取功能等。用戶通過鼠標(biāo)鍵盤等外部輸入設(shè)備，對分油機(jī)三維場景中的閥件、按鈕等進(jìn)行操作，這些操作通過通信協(xié)議傳輸?shù)綌?shù)學(xué)模型模塊中，數(shù)學(xué)模型模塊對這些操作進(jìn)行計(jì)算并做出響應(yīng)，輸出的響應(yīng)同時(shí)作用于三維虛擬軟件界面和半實(shí)物控制箱，這些輸出結(jié)果使得三維軟件和半實(shí)物控制柜的指示燈、儀表實(shí)現(xiàn)狀態(tài)更新，同樣用戶對實(shí)物控制柜的操作也是通過網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)綌?shù)學(xué)模型模塊，并在三維虛擬仿真軟件界面上實(shí)時(shí)更新顯示。圖4為分油機(jī)EPC－50三維仿真界面，圖5為船舶分油機(jī)間三維仿真界面。
展開 圖4為一型發(fā)動(dòng)機(jī)全加力狀態(tài)下整機(jī)全三維仿真結(jié)果，通過與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比表明，加力燃燒室出口溫度評估精度得到大幅提高，并準(zhǔn)確獲取了發(fā)動(dòng)機(jī)最大狀態(tài)下的性能參數(shù)。
圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)全加力狀態(tài)高精度氣動(dòng)與燃燒耦合仿真
發(fā)動(dòng)機(jī)主流與空氣系統(tǒng)次流耦合仿真
為了認(rèn)識(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)主流路、容腔流路和盤腔流路相互干擾作用下的內(nèi)部流動(dòng)特征，精準(zhǔn)評估發(fā)動(dòng)機(jī)軸向力、空氣系統(tǒng)流路詳細(xì)分配，進(jìn)一步提高發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維仿真精度，需開展考慮主次流影響的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維仿真研究[4]。考慮到整機(jī)主次流全三維模型復(fù)雜、網(wǎng)格量大、計(jì)算時(shí)間長等問題，為減小技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，采用由簡到繁、由易到難的研究方法。首先開展了考慮主次流影響的風(fēng)扇、壓氣機(jī)、渦輪等單部件仿真技術(shù)研究，獲取單部件主次流耦合流動(dòng)規(guī)律及仿真方法，隨后將各部件網(wǎng)格模型進(jìn)行組裝并通過賦值初場方式進(jìn)行計(jì)算求解，獲得了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維主次流耦合仿真結(jié)果。通過與試驗(yàn)結(jié)果對比，考慮了主次流耦合的整機(jī)全三維仿真結(jié)果精度更高，同時(shí)還可以精準(zhǔn)獲取發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸向力與整機(jī)空氣系統(tǒng)流量分配，軸向力評估精度高達(dá)5%，空氣流量分配精度為2%，這為發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)提供了良好的數(shù)據(jù)支撐作用。
整機(jī)仿真精度驗(yàn)證
為驗(yàn)證整機(jī)仿真精度，提高整機(jī)仿真方法的工程適用性，開展了基于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理及分析工作，實(shí)現(xiàn)了對整機(jī)全三維仿真方法的校核與精度的驗(yàn)證，發(fā)展一套高精度的整機(jī)性能預(yù)測方法。
展開 對于汽車行業(yè)的CFDer來說，一維仿真與三維仿真是我們工作中經(jīng)常用到的仿真方法。也許很多人會(huì)困惑，什么是一維仿真，什么是三維仿真？為什么要CFD仿真要分成一維和三維，他們各有什么特點(diǎn)？對于菜鳥入門來說哪個(gè)更好？實(shí)際研發(fā)中哪個(gè)作用更大？本周我們就來聊聊CFD的一維與三維仿真。
首先解釋下什么是一維與三維的CFD仿真。一維仿真，代表變量只沿著一個(gè)空間方向變化，而在與這個(gè)方向垂直的面上均認(rèn)為相等。三維仿真，則是變量在空間三個(gè)方向上都會(huì)發(fā)生變化。以一根直管道為例，認(rèn)為管道每個(gè)橫截面上流速均相等，只考慮流速隨管道長度方向的變化就是一維仿真，同時(shí)考慮流速隨長度方向以及橫截面上各個(gè)半徑方向都發(fā)生變化，則是三維仿真。
從現(xiàn)在比較流行的V模型開發(fā)流程中可以比較容易看出一維與三維CFD仿真之間的關(guān)系。 在V流程左邊是虛擬開發(fā)階段，V流程右邊是試驗(yàn)驗(yàn)證階段，而一維和三維仿真則主要是在虛擬開發(fā)階段發(fā)揮作用。一維仿真側(cè)重于系統(tǒng)級分析，對應(yīng)于V流程中的整車級分析，系統(tǒng)以及子系統(tǒng)分析，重點(diǎn)在于性能分析，進(jìn)行關(guān)鍵零部件的選型與匹配，在項(xiàng)目前期，將整車目標(biāo)分解至各個(gè)零部件，對關(guān)鍵零部件提出具體的性能要求。而三維仿真則側(cè)重于零部件級別詳細(xì)的開發(fā)，側(cè)重于流場詳細(xì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。
上面講起來有些抽象，舉幾個(gè)比較實(shí)際的例子吧。
（1）整車?yán)鋮s系統(tǒng)仿真。一維仿真側(cè)重于冷卻系統(tǒng)各個(gè)部件之間的匹配，會(huì)在一維模型中搭建冷卻系統(tǒng)回路的各個(gè)部件模型，分析散熱器的散熱能力是否滿足要求，格柵風(fēng)量是否足夠，冷卻風(fēng)扇是否匹配，冷卻水泵是否滿足要求，最終關(guān)注冷卻水溫是否滿足開發(fā)要求，若不滿足要求，則從系統(tǒng)層面提供優(yōu)化方案。另外也可以對冷卻系統(tǒng)的控制策略提供一些優(yōu)化意見，比如風(fēng)扇和水泵的控制等等。
展開 3 分油機(jī)三維仿真軟件設(shè)計(jì)
分油機(jī)模擬軟件開發(fā)應(yīng)用的工具有MATLAB、Visual Studio 2015、3dsMAX和Unity3D。數(shù)學(xué)建模工具為MATLAB，在MATLAB中建立分油機(jī)控制系統(tǒng)和管路的數(shù)學(xué)模型，并對模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，在驗(yàn)證正確性之后在Visual Studio 2015中應(yīng)用C#建立仿真系統(tǒng)的模型端。分油機(jī)三維仿真軟件的系統(tǒng)采用3dsMAX進(jìn)行三維建模，并在Unity3D中進(jìn)行系統(tǒng)合成與交互，形成基于Unity3D引擎的虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，分油機(jī)三維虛擬仿真軟件系統(tǒng)框架如圖3所示。
圖3 分油機(jī)三維虛擬仿真系統(tǒng)框架
分油機(jī)三維虛擬仿真軟件系統(tǒng)主要包括了三維模型模塊和數(shù)學(xué)模型模塊。三維模型模塊由分油機(jī)三維場景數(shù)據(jù)庫、三維圖形渲染和三維圖形交互，三維場景數(shù)據(jù)庫主要用于存儲(chǔ)分油機(jī)、管路、控制箱等的三維模型與貼圖素材，三維圖形渲染采用Unity3D內(nèi)置的渲染引擎，對顯示效果進(jìn)行優(yōu)化，三維圖形交互是用于用戶與三維場景中的交互，實(shí)現(xiàn)漫游功能、碰撞檢測功能和三維拾取功能等。用戶通過鼠標(biāo)鍵盤等外部輸入設(shè)備，對分油機(jī)三維場景中的閥件、按鈕等進(jìn)行操作，這些操作通過通信協(xié)議傳輸?shù)綌?shù)學(xué)模型模塊中，數(shù)學(xué)模型模塊對這些操作進(jìn)行計(jì)算并做出響應(yīng)，輸出的響應(yīng)同時(shí)作用于三維虛擬軟件界面和半實(shí)物控制箱，這些輸出結(jié)果使得三維軟件和半實(shí)物控制柜的指示燈、儀表實(shí)現(xiàn)狀態(tài)更新，同樣用戶對實(shí)物控制柜的操作也是通過網(wǎng)絡(luò)通信傳輸?shù)綌?shù)學(xué)模型模塊，并在三維虛擬仿真軟件界面上實(shí)時(shí)更新顯示。圖4為分油機(jī)EPC－50三維仿真界面，圖5為船舶分油機(jī)間三維仿真界面。
展開 整機(jī)全三維仿真技術(shù)作為加快航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的數(shù)字引擎，可在虛擬數(shù)字空間實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維性能高精度快速預(yù)測，解決發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)匹配問題，縮短研發(fā)周期、降低研制風(fēng)險(xiǎn)和成本，實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)設(shè)計(jì)到預(yù)測設(shè)計(jì)的模式轉(zhuǎn)變，加速航空發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)進(jìn)程。
圖1 項(xiàng)目研究方案
傳統(tǒng)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制采用的是“設(shè)計(jì)、試驗(yàn)驗(yàn)證、修改設(shè)計(jì)、再試驗(yàn)”反復(fù)迭代的串行研制模式，特別是整機(jī)性能更是需要通過大量的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，這將導(dǎo)致驗(yàn)證周期長、試驗(yàn)成本和風(fēng)險(xiǎn)高，無法滿足當(dāng)前航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速研制的需求[1,2]。目前，整機(jī)性能評估方法主要停留在一維階段，各個(gè)部件之間的參數(shù)傳遞精度、維度都比較低，極大地影響了發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)性能參數(shù)的準(zhǔn)確評估[3]。隨著計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)和信息技術(shù)的快速發(fā)展，發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)全三維仿真已經(jīng)成為可能，該技術(shù)可預(yù)測發(fā)動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)條件下的整機(jī)性能、預(yù)估部件之間匹配工作狀態(tài)、指導(dǎo)部件之間一體化設(shè)計(jì)、為部件設(shè)計(jì)提供技術(shù)依據(jù)。同時(shí)，整機(jī)仿真工作有助于促進(jìn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)研發(fā)從一維向三維設(shè)計(jì)發(fā)展，極大地提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)精度和水平，進(jìn)一步完善航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)體系。
研究方案
為快速形成整機(jī)全三維仿真能力，加快推進(jìn)整機(jī)仿真技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)工程研制中的轉(zhuǎn)化運(yùn)用，急需做到提高仿真精度和加快仿真進(jìn)度。為此，創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)按照航空發(fā)動(dòng)機(jī)正向研發(fā)的思路，提出了航空發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)CFD仿真方法研究方案，如圖1所示。一方面，為提高整機(jī)仿真精度，通過開展整機(jī)復(fù)雜模型建模方法、網(wǎng)格生成技術(shù)、高精度求解算法等方法研究，形成一套適合工程使用的整機(jī)仿真方法與工具；另一方面，為加快仿真進(jìn)度、縮短整機(jī)仿真周期，開發(fā)了一套標(biāo)準(zhǔn)化的整機(jī)仿真平臺(tái)，優(yōu)化仿真流程、集成核心算法、固化仿真經(jīng)驗(yàn)，最終建立整機(jī)全三維仿真設(shè)計(jì)體系，以支持航空發(fā)動(dòng)機(jī)快速研制。
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其中Ansys Speos作為系統(tǒng)級仿真核心工具，可實(shí)現(xiàn)多軟件數(shù)據(jù)無縫對接、三維環(huán)境光學(xué)仿真、人眼視覺感知評估，為車載AR HUD光學(xué)性能優(yōu)化、成像質(zhì)量校驗(yàn)、雜散光抑制提供專業(yè)仿真支撐。本文基于Ansys官方衍射波導(dǎo)AR風(fēng)擋HUD仿真案例，全面解析Speos在AR HUD研發(fā)中的應(yīng)用價(jià)值、仿真流程、核心參數(shù)及結(jié)果分析，為車載光學(xué)行業(yè)研發(fā)人員提供參考。
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4月9日 | Ansys HFSS 軟件入門培訓(xùn)-網(wǎng)格與求解
簡介： Ansys HFSS 作為一款三維電磁仿真軟件，能夠精確計(jì)算電磁場在復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)中的分布，可用于設(shè)計(jì)和仿真多種高頻電子產(chǎn)品，如天線、射頻或微波元件、高速互連、連接器、IC 封裝和印刷電路板等，能幫助工程師們高效地設(shè)計(jì)各種高頻結(jié)構(gòu)，解決電磁兼容（EMC）等問題。
心臟形變控制：
電流密度大小計(jì)算：
靈敏度矩陣構(gòu)建（偽代碼）：
function S = JacobianEIT3D(Ex, Ey, Ez)
S = compute_field_divergence(Ex, Ey, Ez); % 對每一電場方向計(jì)算散度
end
電壓響應(yīng)差分向量：
四、總結(jié)與擴(kuò)展
總結(jié)：
建立了一個(gè)具有生理收縮模擬能力的三維心臟電阻抗仿真平臺(tái)
