模擬仿真技術的案例
汽車四化系列論壇——第三屆數字化,網聯化與自動駕駛模擬仿真技術高峰論壇
第三屆
汽車四化系列論壇
數字化,網聯化與自動駕駛模擬仿真技術高峰論壇
2020年12月11-12日 上海嘉定藍宮大酒店
伴隨著智能汽車的浪潮，軟件在汽車中的占比和重要性提升，推動者網聯化、智能化、電動化和共享化等技術創新，“軟件定義汽車”深入人心。
“離散元數值模擬仿真技術與應用”系列專題
關于舉辦“離散元數值模擬仿真技術與應用”系列專題培訓的通知
一、培訓背景：
3DEC是非連續巖石力學與結構問題的首選分析程序，從巖石邊坡失穩的發展研究到地下工程挖掘和巖石地基工程中節理巖體、斷層、層理等結構影響的模擬估算，3DEC在復雜行業問題研究有很大優勢。
PFC離散元計算方法在巖體的動態、非線性過程的數值計算方面較傳統的連續元有獨特的優勢和進步，在PFC計算中無需給定材料的宏觀本構關系和對應的參數，這些傳統的參數和力學特性在程序中可以自動得到。
離散元數值模擬試驗的方法可以解決傳統試驗造價高、操作繁瑣、材料模型復雜等難題，并且可以精確化數值，在科研工作中發揮了非常重要的作用。應新老客戶培訓需求，北京軟研國際信息技術研究院舉辦“離散元數值模擬仿真技術與應用“系列專題培訓班，本次培訓由互動派（北京）教育科技有限公司具體承辦。具體事宜通知如下：
二、培訓目標：
1、本次課程分為2個專題，每個專題分別授課4天，分兩階段授課，均提供無限次回放視頻。課程對知識進行由淺入深系統講解，配合案例解析邊講邊練；課堂上連麥答疑，并發送全部案例模型文件，建立永不解散的課程群，長期互動答疑。
2、3DEC課程系統學習巖土工程數值模擬方法，包括3DEC實體建模、內置FISH語言編寫程序來擴展3DEC的有效性、3DEC節理/接觸面/結構單元、靜力學分析、流固耦合、非線性動力模擬、3DEC后處理。每個知識點都帶有案例實操鞏固練習，將知識點滲透融會貫通。
3、PFC課程詳細介紹軟件的計算控制、離散元數值試樣的生成方法、接觸模型選擇、參數標定、模型邊界條件施加方法、PFC3D與FLAC3D耦合、離散—連續耦合模擬分析、PFC與CFD耦合、流固耦合框架等多個知識點，全面掌握PFC離散元整套的仿真應用框架。
4、每個專題都涵蓋多個工程實例模擬分析。
展開 基于InteWeld的焊接模擬仿真
摘 要：主要研究了基于InteWeld的焊接模擬仿真技術。首先，采用合理的焊接工藝及措施，對石油鉆機自動化設備中的支撐臂進行焊接。其次，以設置相同的焊接工藝和控制措施為前提，使用軟件InteWeld對支撐臂進行焊接虛擬仿真，獲得零件的整體變形結果。最后，對比實際生產測量值與軟件仿真計算結果，驗證使用InteWeld進行焊接模擬仿真所獲結果的準確性，為后續該項技術的推廣提供依據。
關鍵詞：支撐臂;焊接仿真;網格劃分;焊接變形;
0 引言
焊接技術是目前應用最廣泛的材料連接方式之一，同時也是歷史非常悠久的制造工藝[1]。隨著時代的發展，工程師們逐漸意識到焊接質量的好壞關乎鋼結構產品制造的成敗[2]。如何高效地提升焊接質量是工藝工程師們追求解決的核心。
而現階段，隨著計算機技術的發展，焊接模擬仿真技術應運而生，它的發展對生產制造具有十分重要的意義[3]。焊接三維仿真技術在我公司有廣泛的應用空間，隨著我公司各類新產品的增加，對結構件焊接的應力、變形、強度提出更高的要求。目前，已經多次遇到相關問題，按照以往的工藝設計經驗生產效率低下，因此需要采用先進的分析軟件加強工藝設計手段，縮短產品的研發制造周期[4]。
本文選取石油鉆機自動化設備中的支撐臂進行焊接和模擬仿真對比分析。由于其結構特點為長桿型，焊接時熱量集中，結構具有一定的拘束度，且板厚較薄，焊后易變形，因此需要采用合理的焊接工藝及措施控制焊接變形。本文對支撐臂進行三維建模、有限元網格劃分，并利用軟件InteWeld進行焊接模擬仿真。將仿真計算結果與實際焊接變形量進行對比，驗證仿真結果的可靠性，可為后續使用此項技術研究焊接變形提供重要的依據和可靠的數據支撐。
1 支撐臂的焊接
以石油鉆機自動化設備中的支撐臂作為焊接生產實例。支撐臂是典型的長桿結構，其三維模型如圖1所示。
展開 數字雙胞胎利用HPC和仿真模擬技術推進制造業的發展
關注微信公眾號：HPC365云服務，回復【邀請碼】即可注冊，并獲得獲得365元的驚喜代金券，開啟一鍵仿真之旅。
隨著智能制造的推進，數字雙胞胎（Digital Twin）一詞曝光頻繁，已成為邁向工業4.0進程中極為重要的關鍵技術，更是目前炙手可熱的投資主題。
Gartner預測，到2021年，全球至少超過50％的大型工業公司將使用數字雙胞胎技術。如果企業想要在競爭中保持領先地位，就需要考慮實施數字雙胞胎的可行性。
對傳統企業的價值
數字化雙胞胎，也稱為數字孿生，維基百科對其解釋為：指在信息化平臺內模擬物理實體、流程或者系統，類似實體系統在信息化平臺中的雙胞胎。簡單來說就是物理模型的數字仿真復制品。
它可以將人工智能、機器學習和軟件分析與數據相結合，創建了生動的數字仿真模型，隨著物理對應物的變化而更新和更改。
在各種工業領域，雙胞胎正被用于優化物理原型，系統和制造過程的運營和維護，使企業能夠在問題成為問題之前進行反復試驗，大幅度降低企業的生產研發成本，加速生產周期。
高性能計算（HPC）、物聯網、降階建模（ROM）等模擬方法以及其他技術的進步推動了數字孿生的轉變，還迎來了“第二代數字化雙胞胎”，其將仿真的重點從設計“更好的”產品延伸到“更有效”，在復雜、高價值產品制造領域影響越來越大。
HPC迎來了新一代數字孿生
“第二代數字化雙胞胎”代表了仿真模擬技術新時代的來臨。它是一個集成的系統仿真，能夠連接虛擬的原型復制品，以及展示產品在其整個生命周期內相關的歷史和其他數據，實現連續模擬。
如此長時間仿真模擬也意味著計算機需要處理大量的數據，甚至需要長時間執行大規模仿真。超級計算機的發展縮近了企業和高性能計算之間的距離。
展開 
ANSYS輻射仿真模擬
借助于溫度場數值模擬仿真技術，可以了解研究熱輻射規律，對于爐內傳熱的合理設計十分重要，對于高溫爐操作工的勞動保護也有積極意義。
本文基于大型有限元軟件ANSYS對輻射傳熱過程溫度場模擬仿真，隨著ANSYS版本不斷更新，核心技術不斷完善，其穩態瞬態熱分析、輻射熱分析、相變分析、熱應力分析和流體熱分析功能不斷強大，更能顯示其計算精度與計算速度的良好兼顧性。
1 、輻射傳熱過程溫度場模擬仿真
1.1研究對象
本文研究的同軸圓柱體尺寸如圖所示：
圖1 研究模型
1.2基本假設
在復雜的輻射傳熱過程實際條件下，抓住主要方面模擬實驗情況，做一些合理化的假設，但同時又能保證其結果的準確性。本文做如下假設：
1）由于兩個圓柱體足夠長，將問題簡化為平面問題；
2）考慮到整個輻射傳熱過程為封閉系統，不需設置空間節點。
1.3初始條件
假設圓柱體是瞬時傳熱的。圓柱體為已知初始均勻溫度場，即:
T(x,y,z,t=0)=T
T為圓柱體溫度，即100°C.
1.4 邊界條件
傳熱是在圓柱體內徑行的的，所以把外圓柱體當做邊界條件。
外圓柱體的初始溫度:100°C
輻射率:1
兩圓柱體的輻射傳熱用Newton冷卻定律描述:
式中:α為對流換熱系數，α=65 W/m2·℃;Tf為液態金屬的特征溫度;Tw為砂型邊界溫度。
輻射傳熱后，兩圓柱體之間的導熱主要以不穩定導熱方式進行。三維不穩定熱傳導方程為:
式中:ρ為密度，kg/m3;c為定壓比熱容，J/(kg·℃);t為溫度，℃;T為時間，s;λ為熱導率，W/(m·℃);Q為內熱源密度(此處為金屬液凝固時釋放的潛熱)，W/m3。
因為整個輻射傳熱過程為封閉系統，所以不必考慮兩圓柱體與外界的傳熱。
展開 設計仿真 | 直播預告-借助CFD仿真技術高效模擬城市熱島效應
熱島效應的數值模擬具有現實意義，但其模擬尺度較大，影響因素復雜，涉及到對流，換熱，植被蒸騰，太陽輻射等因素，無法輕易實現。Cradle CFD 軟件因其獨特的高魯棒性像素網格和基于結構化網格的高速求解技術，能對城市熱島效應進行快速、高保真模擬仿真，并能借助CFD仿真技術高效設計建筑環境、暖通空調與潔凈系統來指導改善熱島效應。
本期海克斯康直播講堂請到了CFD仿真工程師吳昌講師，他將為大家帶來“借助CFD仿真技術高效模擬城市熱島效應”為主題的專題直播，通過對行業痛點、技術難點及具體案例的深入解析，全面闡述城市熱島效應的模擬仿真解決方案。
展開 世界第一滑板運動員的取勝武器——利用模擬仿真優化滑板和滑行姿勢
選手利用仿真優化動作
除了設計制作合適的滑板之外，選手的動作對比賽成績影響也至關重要。
Pete Connolly（以下簡稱“皮特”）是世上滑板速降速度最快的保持者。為了獲得最佳的成績，他多次利用風洞測試來優化他的運動服、頭盔和身體擺放姿勢等。
皮特正在進行風洞測試
空氣阻力的大小取決于駕駛員的速度，并隨著速度的增加而與正面區域呈線性關系。風洞數據用于確定阻力和空氣阻力產生負面影響的位置。
團隊決定將他們的風洞測試工作與在線模擬仿真相結合，以確定最佳滑行位置，以優化這一方面的功能。通過利用CFD分析、風洞和空氣動力學測試三部分來提高滑行速度。
皮特滑行姿勢的完整3D掃描
皮特滑行速度仿真
在瞬態模擬仿真中通過后處理在各個平面上的速度和壓力圖的結果發現了皮特身上的再循環區域。
皮特側面的速度仿真圖
模擬仿真技術逐步成為體育界不可或缺的一部分。
展開 仿真科普｜翱翔長空，探索宇宙：CAE仿真技術引領打造航空航天新紀元
圖片來源：網絡
02 CAE仿真技術在航空航天中的應用
1.飛行器設計與優化
在飛行器的設計過程中，CAE仿真技術扮演著至關重要的角色，它可以幫助工程師們進行飛行器外形設計、氣動性能分析、結構強度驗證等一系列重要任務。通過數值模擬和虛擬試驗，工程師們可以在計算機環境下進行快速、準確的仿真優化，確保飛行器設計能夠達到最佳性能。
圖片來源：網絡
2.飛行器飛行控制
飛行控制是保證飛行器安全飛行的關鍵要素之一。CAE仿真技術可以幫助研發人員進行飛行控制算法的開發和測試。通過在計算機環境中建立精確的模型，模擬各種飛行環境和異常情況，幫助改進飛行控制系統的魯棒性和可靠性。
3.空中交通管理
隨著航空交通量的增加，有效的空中交通管理顯得尤為重要。仿真模擬技術可以幫助分析和優化空中交通管制系統，通過建立虛擬的航空交通網絡，模擬各種交通流量情況，提供合理的航線規劃和交通流調度，以提高空中交通的效率和安全性。
圖片來源：網絡
4.天氣和環境影響分析
天氣和環境條件對于飛行器的安全性和性能有著重要影響。仿真模擬技術可以幫助分析氣象因素對飛行器的影響，預測惡劣天氣下的飛行性能和操作限制。同時，還可以模擬各種環境條件，如空氣密度等，以準確評估飛行器在各種環境下的性能。
03 神工坊?在航空航天領域的應用案例
仿真技術作為航空航天工業創新研發的重要支撐，是實施數字化轉型的核心。未來，在高性能計算、人工智能等先進計算技術的加持下，航空航天仿真技術將朝著“快速高效、精準映射、全面覆蓋、動態預測”方向發展。
展開 ESI與ATE合作 中國CAE市場面臨重新洗牌
而ESI集團的虛擬樣機技術是可以充分考慮到制造過程的影響，利用領先的鑄造、焊接、熱處理、鈑金沖壓和非金屬成型等虛擬制造技術，將加工過程的影響帶入虛擬樣機測試（如一般結構分析、碰撞性能分析等等）中，這將更真實反映實際產品的性能，從而為完全代替物理樣機鋪平道路。另外，VTOS方案是一個開放的CAE集成開發平臺，能夠實現在一個框架下各種設計、分析、工藝仿真等工具的集成，使其具有統一外觀，并加速數據交換，將設計分析過程和報告生成自動化，并與PDM和PLM系統無縫集成。
中國是一個制造業大國，但不是制造業的強國。因而中央審時度勢提出大力加強并扶持企業自主創新能力，因為只有自主創新才能給企業帶來核心競爭力，才能不受制于人。而現代數值模擬仿真技術已經發展得很成熟，在發達國家及工業化國家企業產品研制、設計中有廣泛而深入的應用，是企業加速產品研制周期，提高產品質量，降低成本的有力工具。
數值模擬仿真技術在國內的應用雖然有了很大的發展，應用的深度和發揮的效益還很不盡如人意。主要有三個方面的原因，一是企業還沒有找到真正先進適用的產品；另一方面是企業自身重視不夠；再有就是很多軟件企業的技術支持能力和開發服務水平較差，不能滿足用戶的多方面需求。這種情況下急需面向工業產品研發的先進模擬仿真產品和方案，以及能夠提供強有力技術支持和具有開發能力的軟件業巨擎的出現。
ESI集團與ATE的戰略合作可謂意義深遠，對ESI集團和ATE及國內從事產品研發、制造的企業來說都是一個難得的機遇，尤其是那些需要通過模擬仿真技術提升自主創新能力的企業更是如此。這次合作對于國內的CAE市場來說也是一個有力的沖擊，因為ESI集團的理念是真實物理模擬，基于模擬的設計和多向價值鏈。
展開 DEFORM感應淬火模擬仿真技術及新功能
電磁感應淬火是廣泛采用的表面強化技術之一。電磁感應淬火工藝過程涉及多種物理場的復雜耦合，包括電磁場、溫度場、組織場和應力應變場等。電磁感應淬火工藝方案設計需要綜合運用多學科理論與知識，難度非常大，而且對于新產品的感應淬火問題，往往需要進行反反復復的試驗，周期長、成本高，大大影響了電磁感應淬火工藝應用的綜合效果。
DEFORM是一款專業金屬成形及熱處理工藝仿真軟件，三十多年來的工業實踐證明了軟件的準確性和穩定性。DEFORM軟件領先行業同類軟件，率先具備感應淬火和電阻加熱等高級分析功能，真正實現了同一平臺下多種物理場的耦合計算，幫助設計人員進一步認識和了解感應淬火工藝過程，優化工藝方案。
大咖慧網絡培訓
2023年3月29日-31日，安世亞太推出工藝仿真專題仿真免費線上培訓，專題講座包含：Deform感應淬火、旋轉加工成形仿真和Tribo-x摩擦潤滑仿真，不容錯過。
展開 《電磁兼容問題的計算機模擬與仿真技術》
前言
第一章 電磁兼容原理與建模
1.1電磁兼容基本概念
1.1.1定義及定量單位
1.1.2電磁干擾源、干擾性質、干擾途徑和敏感設備
1.1.2.1干擾源
1.1.2.2敏感設備
1.1.2.3干擾的耦合方式
1.1.2.4電磁干擾的模式
1.1.2.5干擾的耦合途徑
1.1.3干擾信號的時一頻域特性及轉換
1.1.3.1周期性函數的傅里葉變換
1.1.3.2非周期性干擾信號的頻譜分析
1.1.3.3脈沖信號的傅里葉積分
1.1.3.4脈沖信號的快速時頻域轉換
1.2電磁兼容問題中的場的概念
1.2.1場的分類及特性
1.2.1.1靜電場與恒定磁場
1.2.1.2準靜態電場和磁場
1.2.1.3電大與電小
1.2.1.4準靜態電流場(渦流場)
1.2.1.5平面電磁波
1.2.2輻射場的近區與遠區
1.2.2.1偶極子源
1.2.2.2高頻偶極子的近場與遠場
1.3 EMC問題的建模技術
1.3.1明確EM(：模擬的目的
1.3.2正確把握問題所屬的電磁場性質
1.3.2.1準靜態場技術
1.3.2.2擴散場技術
1.3.2.3全時域波技術
1.3.2.4諧波平衡技術
1.3.3嚴格剖析問題的空間維數
1.3.3.1一維模型
1.3.3.2二維模型
1.3.3.3三維模型
1.3.4計算方法的選擇
1.3.4.1時域有限差分法
1.3.4.2有限元法
1.3.4.3矩量法
1.3.5 EMC模型中的元素
1.3.5.1干擾源
1.3.5.2耦合路徑的模擬
1.3.5.3受干擾對象
1.3.5.4試驗的配合
1.3.6 EMC模型的實現
1.3.6.1模型的幾何問題
1.3.6.2模型的完整空間的問題
1.4有關商用軟件包的介紹
第二章 電磁兼容問題的計算高模擬技術
2.1數值分析的基本原則
……
展開 
模擬仿真助力4D打印技術
例如2016年在Nature Materials 上面發表的一篇論文就介紹了仿生4D打印技術。研究者們發現，植物某些器官，如卷須、苞葉、葉子和花會響應環境刺激（像濕度、光或接觸）而改變內部不同地方細胞的膨脹，這導致了被各個組織和顯微結構下各向異性的細胞壁所支配的動力學過程。受這個啟發，他們制作了一種可編程的復合水凝膠結構，它的編碼具有局域性和各向異性的膨脹行為。他們在浸入水中后會產生復雜的三維形態。圖1是部分成品的效果 。
圖 1 （圖片源于NATURE MATERIALS DOI: 10.1038/NMAT4544）
另外2018年在Nature Communications上研究人員還發表了一篇關于編程人工水凝膠的文章。他們研究出一種方法，用該方法編碼具有時空控制生長（膨脹和收縮）的二維水凝膠，以創建具有編程形態和運動的三維結構。這種方法使用溫度響應水凝膠，局部可編程水凝膠的膨脹程度和收縮率。成品如圖2 。
圖2 （圖片源于NATURE COMMUNICATIONS (2018) 9:3705）
如何預測材料在受到外界條件刺激下的形狀變化是4D材料的關鍵。類似于以上文章中提到的吸水膨脹以及其他的4D打印問題，我們都可以利用COMSOL Multiphysics這款仿真模擬軟件來實現。該款大型的高級數值仿真軟件可以在一個模型中添加多個物理場，能方便實現材料得外場刺激的響應的模擬。利用該軟件對研究材料進行建模，可以得到不同含水量的情況下不同時間后材料的形變情況、材料某處水的濃度變化以及材料中的應力分布等等。
展開 漫談基于有限體積法鑄造模擬仿真技術
近幾十年計算機科學和數值計算方法的飛速發展為計算機仿真技術的發展提供了廣闊的前景，科研人員將計算機發展技術應用到材料科學領域，鑄造工藝過程仿真技術便是其中一種應用。鑄造工藝過程仿真技術成為改造傳統鑄造產業的必由之路。
目前，世界上主流的鑄造工藝仿真計算算法主要有有限體積法、有限差分法和有限元法等。NovaCast軟件采用的是先進的有限體積算法，在歐美市場占據有了大量的用戶群體數量。有限體積算法的代表是NovaCast軟件，相比其他兩種計算算法，NovaCast軟件在網格處理、計算速度和計算精度方面都有非常明顯的優勢。
1、網格處理
NovaCast軟件率先將有限體積網格處理方法（CVM）應用于鑄造工藝仿真，并使用體積分數準確描述幾何形狀。而傳統有限差分法是基于六面體網格，模型表面是不均勻的，幾何描述精度不如有限體積法。NovaCast軟件結合了有限差分法和有限體積法等兩者的優勢。NovaCast軟件使得網格處理更加簡單、高效，離散化后的模型邊界非常光順，同時保持著非常高的計算精度。
有限體積法描述三維模型邊界和鑄件截面尺寸精度非常高，因此能夠獲得更加精準的計算精度，使得模擬結果更加接近真實情況。同等計算精度的情況下，有限體積法所需網格數量更加少，所以有限體積法計算速度更快。相比其他兩種算法，有限體積法計算精度更高，可以達到95%及以上。
有限體積法和有限差分法網格處理技術對比如圖1所示：
有限體積法（網格尺寸10mm）
有限差分法（網格尺寸10mm）
有限差分法（網格尺寸3.6mm）
圖1 網格處理技術對比
2、計算速度
同等計算精度的情況下，有限體積法相比其他兩種算法所需網格數量更加少，所以有限體積法計算速度更快。
展開 利用三維模擬仿真技術修復魚梯
利用三維模擬仿真技術修復魚梯
戰機模擬器逼真的三維視景-飛行仿真技術研究所
飛行仿真小成本獲取大效益
對每臺模擬訓練器進行測試，確保送到部隊的產品100%合格。
上世紀80年代中期，外軍興起了第二次訓練革命，廣泛開展以計算機模擬為核心的模擬化訓練。從此，世界許多國家開始把模擬訓練納入軍事訓練體系，成為提高軍隊訓練質量和效益的重要途徑。
1974年，空軍某飛行學院仿真技術研究所成功研制出某型轟炸機儀表飛行模擬器，開創了我空軍飛行模擬訓練的先河。飛行是公認的高技術、高風險、高耗費的職業。一架飛機幾千萬甚至幾個億，訓練中稍有閃失就會機毀人亡。但模擬訓練不僅可以節約訓練成本，而且完全不受時間、地點和天氣的限制，安全系數較大、訓練效益高。
“仿真技術的發展對于飛行訓練的意義就是用最小的成本獲得最大的效益！”該院仿真技術研究所所長謝東來介紹說，近10年來，該所為陸海空部隊研制生產了涵蓋轟炸、運輸、殲擊、直升機等多種機型模擬器數十臺，覆蓋了三軍部隊80％的主戰機型，滿足了飛行部隊70％的模擬訓練需求。從2002年至今，已組織空軍飛行人員模擬訓練累計15000多個小時，節約了巨額經費。
模擬跨晝夜飛行，極大地提高了飛行員地面訓練的效果，為升空飛行奠定了良好的基礎。圖為飛行人員伴著“月亮”練習倒飛技術。（解放軍畫報圖片）
“實驗室”連著訓練場
“老謝，我們搞對抗完全是‘自己’打‘自己’，要研究你就研究真正的‘藍方’主戰飛機模擬器，這樣模擬訓練才能真正提高戰斗力！”在一次調研中，空軍航空兵某師師長的話讓謝東來眼前一亮。
3年臥薪嘗膽，該所終于研制成功某飛機飛行模擬器，為我軍飛行員戰術訓練中有針對性地進行戰術模擬對抗演練提供了可能。
隨著世界軍事變革步伐的加快，該所的科研人員認識到，大型聯網對抗系統雖然功能強大，逼真度高，但聯網對抗模擬系統需要數臺甚至數十臺模擬器組成，造價高、體積大，目前來講在航空兵團、飛行大隊難以普遍推廣。
展開 