上海交通大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院計算機(jī)仿真與計算機(jī)圖

形學(xué)

計算機(jī)圖形學(xué)小論文姓名：XXXXX學(xué)號：XXXXXX2011/4/9文章分三個部分，分別介紹了數(shù)值仿真技術(shù)、仿真技術(shù)相關(guān)的應(yīng)用軟件以及仿真技術(shù)與作者專業(yè)方向的關(guān)系及應(yīng)用。計算機(jī)仿真技術(shù)與計算機(jī)圖形學(xué)摘要：仿真技術(shù)集成了當(dāng)代科學(xué)技術(shù)中多種現(xiàn)代化頂尖手段，正在極大地擴(kuò)展著人類的視野、時限和能力，在科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域產(chǎn)生著日益重要的作用。隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)及其它輔助設(shè)施的快速發(fā)展，計算機(jī)仿真技術(shù)也取得了巨大進(jìn)步，無論是在應(yīng)用領(lǐng)域，還是在仿真對象、仿真框架、仿真目的及仿真軟件等方面都發(fā)生了十分重大的轉(zhuǎn)變，計算機(jī)仿真已經(jīng)進(jìn)入了一個嶄新的發(fā)展階段，它的重要性與特殊功效已越來越突出。本文通過對計算機(jī)仿真技術(shù)的概念、發(fā)展過程及現(xiàn)狀、應(yīng)用及發(fā)展趨勢的介紹，闡述了作者對該項技術(shù)的認(rèn)識，同時，作者結(jié)合實際，詳細(xì)的闡述了該項技術(shù)在作者科學(xué)研究中的應(yīng)用。1、計算機(jī)仿真技術(shù)簡介基本概念關(guān)于計算機(jī)仿真技術(shù)的概念，有多種定義形式?？傮w認(rèn)為：計算機(jī)仿真技術(shù)是以計算機(jī)為工具，以相似原理、系統(tǒng)技術(shù)、控制理論、信息處理技術(shù)以及各種相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)為基礎(chǔ)，以計算機(jī)和其他專用的物理效應(yīng)設(shè)備為工具，根據(jù)系統(tǒng)實驗?zāi)康?，建立系統(tǒng)模型，并在不同的條件下，對模型進(jìn)行動態(tài)運行實驗的門綜合性技術(shù)。隨著計算機(jī)硬件性能的提高，軟件功能的日臻完善、離散數(shù)學(xué)算法穩(wěn)定性的改善以及各種仿真模型和驗證方法準(zhǔn)確性的提高，計算機(jī)仿真的有效性得到認(rèn)可，也使計算機(jī)仿真的廣度、深度和精度在社會領(lǐng)域獲得極大拓展。計算機(jī)仿真的實現(xiàn)計算機(jī)仿真是指通過建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型并在計算機(jī)上進(jìn)行解算的過程，即先對真實的或理論上的物理系統(tǒng)進(jìn)行建模，然后在數(shù)字計算機(jī)上運行該模型，最后再對所獲得的結(jié)果進(jìn)行分析。計算機(jī)仿真包括3個基本要素，即系統(tǒng)、模型與計算機(jī)。；聯(lián)系著它們的3項基本活動是：模型建立、模型試驗和結(jié)果分析。也就是說，計算機(jī)仿真的基本過程就是建立模型、運行模型和分析模型的過程。（一）模型的建立：對于所研究的對象或問題，首先需要根據(jù)仿真所要達(dá)到的目的抽象出一個確定的系統(tǒng)，并且要給出這個系統(tǒng)的邊界條件和約束條件。在這之后，需要利用各種相關(guān)學(xué)科的知識，把所抽象出來的系統(tǒng)用數(shù)學(xué)的表達(dá)式描述出來，描述的內(nèi)容，就是所謂的“數(shù)學(xué)模型”。這個模型是進(jìn)行計算機(jī)仿真的核心。系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型根據(jù)時間關(guān)系可劃分為靜態(tài)模型、連續(xù)時間動態(tài)模型、離散時間動態(tài)模型和混合時間動態(tài)模型；根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)描述和變化方式可劃分為連續(xù)變量系統(tǒng)模型和離散事件系統(tǒng)模型；（二）模型的仿真實驗：將上一步得到的仿真模型載入計算機(jī)，按照預(yù)先設(shè)置的實驗方案來運行仿真模型，得到一系列的仿真結(jié)果，這就是所謂的“模型的仿真實驗”；（三）對仿真實驗得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行去粗取精、去偽純真的科學(xué)分析，并根據(jù)分析結(jié)果正確的判斷和決策。計算機(jī)仿真過程的實現(xiàn)得益于相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，這包括：（一）計算機(jī)技術(shù)：計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展帶來了高性能的計算機(jī)系統(tǒng)，從而為計算機(jī)仿真的實現(xiàn)提供了最重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，沒有高性能的計算機(jī)系統(tǒng)，就不可能發(fā)展出高性能的計算機(jī)仿真技術(shù)；同時，諸如數(shù)據(jù)庫技術(shù)、軟件工程方法、面向?qū)ο蠹夹g(shù)等一系列新興計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展為計算機(jī)仿真系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)提供了科學(xué)的手段；（二）計算技術(shù)：由于仿真的對象多半是一些復(fù)雜的系統(tǒng)，而對于復(fù)雜系統(tǒng)是很難用解析表達(dá)式加以表達(dá)的，因此計算機(jī)仿真技術(shù)的核心是數(shù)值計算，而且通常是非常復(fù)雜的數(shù)值計算，因此數(shù)值計算的能力是計算機(jī)仿真的原動力。在數(shù)值計算方面取得了大量的研究成果，如各種各樣的數(shù)值計算方法：線性非線性方程組數(shù)值求解、矛盾方程組的數(shù)值求解、微分方程組的數(shù)值求解、微分一代數(shù)方程組的數(shù)值求解、工程中的矩陣計算等等；（三）圖形圖像技術(shù)：由于計算機(jī)仿真的主要目標(biāo)之一是為分析對象提供一個形象化的結(jié)果，而人們最習(xí)慣接受的信息是圖形信息，特別是三維的圖形圖像，因此二維、三維圖形表示成為計算機(jī)仿真的主要表示形式。如近二十年來計算機(jī)圖形學(xué)、實體造型技術(shù)、曲面造型技術(shù)和圖形消影技術(shù)等的迅速發(fā)展；（四）復(fù)雜系統(tǒng)建模技術(shù)：通常可以把仿真對象看成一個復(fù)雜系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部之間呈現(xiàn)一種復(fù)雜的相互關(guān)系，或稱之為一種藕合關(guān)系。例如社會系統(tǒng)中人際間的關(guān)系即為一種強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，機(jī)械系統(tǒng)中部件之間也呈一種復(fù)雜的藕合關(guān)系。顯然要分析這種復(fù)雜的系統(tǒng)，必須采取科學(xué)有效的方法。系統(tǒng)工程為復(fù)雜系統(tǒng)分析提供了理論基礎(chǔ)，該理論的最大特點是:采用各種有效的解耦方法，把復(fù)雜系統(tǒng)分解為一系列相對簡單的子系統(tǒng)，再分析各個子系統(tǒng)，最終來了解整個系統(tǒng)的特性。復(fù)雜系統(tǒng)建模技術(shù)即研究各種有效的系統(tǒng)解耦方法和系統(tǒng)求解理論，它是計算機(jī)仿真中的關(guān)鍵技術(shù)；（五）專業(yè)建模技術(shù):不同領(lǐng)域的仿真有不同的專業(yè)建模基礎(chǔ)，因為不同領(lǐng)域有不同的理論背景。例如,機(jī)械系統(tǒng)中的建模是基于牛頓力學(xué)或分析力學(xué)展開的，而社會系統(tǒng)中的建模則是根據(jù)完全的統(tǒng)計理論進(jìn)行的。在不同領(lǐng)域，廣泛開展了計算機(jī)建模技術(shù)的研究。計算機(jī)仿真技術(shù)的應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)在機(jī)械行業(yè)的應(yīng)用（一）計算機(jī)仿真在復(fù)雜機(jī)械加工過程研究方面的應(yīng)用：機(jī)械加工過程，是機(jī)械行業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)的基礎(chǔ)。利用計算機(jī)仿真，有助于發(fā)現(xiàn)其機(jī)理，為提高機(jī)械加工性能提供理論支持；（二）計算機(jī)仿真在汽車制造研究方面的應(yīng)用：汽車制造是機(jī)械行業(yè)的一個重要組成部分。它有很多實驗課題，難度大、實地成本高，計算機(jī)仿真技術(shù)的引入，有效的緩解了這一方面的問題。如發(fā)動機(jī)方面，裝甲兵工程學(xué)院機(jī)械系的畢小平教授等建立了多缸柴油機(jī)起動過程的計算機(jī)仿真模型，其仿真結(jié)果與實際測量值比較吻合，可用于多缸柴油機(jī)的起動性能仿真；（三）計算機(jī)仿真在齒輪設(shè)計方面的應(yīng)用：齒輪是機(jī)械產(chǎn)品的主要基礎(chǔ)部件，對其進(jìn)行仿真研究具有重要意義，很多的科研工作者在這方面做了相關(guān)的研究。如太原理工大學(xué)的龐桂兵等采用VisualLisp語言從兒何角度討論了任意端面齒形的齒輪建模及其傳動仿真；（四）計算機(jī)仿真在故障診斷方面的應(yīng)用：故障診斷是機(jī)械研究中的一個重要領(lǐng)域，以往的研究主要是對經(jīng)驗案例的匯集和小規(guī)模的工況模擬實驗，其局限性較大。計算機(jī)仿真技術(shù)的介入，使我們提高了故障機(jī)理研究、故障定量分析和對故障進(jìn)行預(yù)測和診斷的能力；（五）計算機(jī)仿真在疲勞壽命判斷方面的應(yīng)用：在機(jī)械的運行中，疲勞問題不可避免。為了研究疲勞問題，往往要做大量的疲勞實驗，這不僅耗時、耗費、需要大量的人力、物力，而且對于有些復(fù)雜的問題，目前還無法在試驗機(jī)上實現(xiàn)。計算機(jī)仿真技術(shù)為解決這一問題提供了新的疲勞試驗研究途徑。東北大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院的王雷博士等利用調(diào)質(zhì)45鋼的單軸試驗數(shù)據(jù)和正火45鋼的多軸拉扭試驗數(shù)據(jù)建立的仿真模型，能夠比較精確的預(yù)測單軸疲勞和多軸疲勞的壽命；（六）計算機(jī)仿真在機(jī)械制造其他領(lǐng)域中的應(yīng)用：除了上面所提到的，計算機(jī)仿真還在機(jī)械行業(yè)的其他領(lǐng)域之中有著廣泛的應(yīng)用。例如應(yīng)用于刀具設(shè)計、微鉆頭設(shè)計、滲碳層濃度分布、含間隙機(jī)構(gòu)、空調(diào)制冷系統(tǒng)的研制和包裝機(jī)械的開發(fā)等等。計算機(jī)仿真技術(shù)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用計算機(jī)仿真技術(shù)是美國在進(jìn)行曼哈頓計劃時首先發(fā)展起來的，但是計算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)被推廣到其它軍用與民用領(lǐng)域。軍事領(lǐng)域:例如航空母艦的作戰(zhàn)編隊,戰(zhàn)略導(dǎo)彈防御系統(tǒng)和空中交通指揮控制系統(tǒng)等，這些復(fù)雜系統(tǒng)的指揮、控制、操作、設(shè)計和試驗只可能通過先進(jìn)的計算機(jī)仿真技術(shù)來完成；氣象預(yù)測領(lǐng)域：這是一個典型的無法進(jìn)行物理模型試驗的領(lǐng)域，計算機(jī)仿真技術(shù)成為氣候變化回顧、氣候變化預(yù)測的唯一手段；社會系統(tǒng)仿真：人與自然的關(guān)系非常密切，只有采用計算機(jī)仿真技術(shù)來分析預(yù)測人口增加將對自然界產(chǎn)生什么樣的影響；航空航天領(lǐng)域：這是計算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用最為廣泛、深入的領(lǐng)域，對于火箭發(fā)射、衛(wèi)星釋放、太空行走、飛行姿態(tài)等都必須進(jìn)行計算機(jī)仿真試驗。計算機(jī)仿真技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢計算機(jī)仿真技術(shù)的現(xiàn)狀近年來，計算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)，無論是硬件方面的運行速度以及存儲容量，還是軟件方面的面向?qū)ο笤O(shè)計、可視化編程和圖形界面、開放式動態(tài)數(shù)據(jù)互連以及對象連接與嵌入式技術(shù)等皆取得重大進(jìn)展。這些技術(shù)對解決模塊可重用性，計算機(jī)輔助建模、動畫技術(shù)、圖形界面技術(shù)以及其他系統(tǒng)的集成性問題產(chǎn)生了廣泛而深刻的影響，具體包括以下兒個方面：（一）改善了建模仿真能力：20世紀(jì)五六十年代，工程系統(tǒng)建模方法是以時間為基準(zhǔn)的確定型的數(shù)學(xué)模型，主要運用微分方程或差分方程，20世紀(jì)七十年代出現(xiàn)了非工程系統(tǒng)，20世紀(jì)八十年代出現(xiàn)了智能建模方法。建模和仿真技術(shù)的發(fā)展，使模型由初期的對實體建模，已擴(kuò)展到今天對環(huán)境的建模和對人類自身行為的建模；（二）仿真計算機(jī)由初期的模擬計算機(jī)、混合計算機(jī)發(fā)展到分布、并行、智能連網(wǎng)，并建立了基于標(biāo)準(zhǔn)、軟總線的開放結(jié)構(gòu)；（三）并發(fā)仿真交互仿真模式：隨著高性能計算技術(shù)的發(fā)展，人們對開放、復(fù)雜、巨型系統(tǒng)進(jìn)行越來越多、越來越深入研究，強(qiáng)調(diào)建模、仿真、實驗、驗證生命周期各類活動的優(yōu)化管理，需要引入并行思想?，F(xiàn)在已經(jīng)證明，并行離散事件仿真能夠很好的適于許多大的離散事件仿真，諸如通信系統(tǒng)、交通系統(tǒng)、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以及計算機(jī)系統(tǒng)等；（四）可視化及動畫技術(shù)：系統(tǒng)仿真是一項技術(shù)難度較高的系統(tǒng)分析工作，可視化方法在仿真中的應(yīng)用，能夠提供更友好的用戶界面，促進(jìn)仿真建模以及處理輸入、輸出過程。計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)引起可視化概念在仿真技術(shù)中的廣泛應(yīng)用。仿真結(jié)果已能由打印數(shù)據(jù)、曲線，發(fā)展為能向用戶提供2D、3D圖形顯示，乃至于虛擬環(huán)境；（五）仿真模式由數(shù)學(xué)仿真和半實物仿真發(fā)展到能夠支持構(gòu)造仿真、虛擬仿真和實物仿真的綜合自然環(huán)境的分布交互仿真技術(shù)；（六）應(yīng)用集成：?般來說，仿真僅僅是商業(yè)服務(wù)、機(jī)械制造或者工程技術(shù)項目過程中的一個步驟，把仿真和其他應(yīng)用系統(tǒng)，諸如電子表、數(shù)據(jù)庫管理、計算機(jī)輔助制圖以及車間生產(chǎn)計劃與控制等系統(tǒng)等有機(jī)地結(jié)合起來，將會極大的提高該過程的有效性。數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢自從進(jìn)入計算機(jī)數(shù)字化仿真階段，仿真技術(shù)在解決科學(xué)研究、系統(tǒng)設(shè)計、生產(chǎn)控制和教學(xué)訓(xùn)練等方面發(fā)揮的作用相繼出現(xiàn)了重大的進(jìn)展。在科技全速發(fā)展的新世紀(jì)，仿真技術(shù)必將取得長足的進(jìn)步。這些進(jìn)步體現(xiàn)在以下幾個方面：（一）仿真的規(guī)模日益擴(kuò)大：20世紀(jì)80年代以來，大系統(tǒng)建模從理論研究走向了世紀(jì)應(yīng)用，這一進(jìn)展主要得益于計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。大系統(tǒng)仿真將在系統(tǒng)建模、仿真手段及仿真應(yīng)用等方面不斷得到提高，比如，開發(fā)能夠求解大規(guī)模動態(tài)數(shù)學(xué)模型的高效率、高穩(wěn)定性的計算方法；運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、人工智能以及復(fù)雜模型辨識技術(shù)的集成進(jìn)行大系統(tǒng)的仿真建模；進(jìn)一步開發(fā)高速度、大容量的仿真計算機(jī)，以便實時處理大系統(tǒng)中的各種信息；進(jìn)一步開發(fā)適合于大系統(tǒng)仿真的平臺和仿真語言，減少仿真語言編程的難度等。（二）仿真建模的手段趨于多樣化：機(jī)理建模是仿真建模中最為重要的一種方法，它不是憑空想象出來的數(shù)學(xué)表達(dá)式，而是通過對大量的實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和總結(jié)而得出的能夠反映事物客觀規(guī)律的數(shù)學(xué)描述。為了提高機(jī)理模型的精確度，必須對仿真對象的內(nèi)在關(guān)系進(jìn)行深入的研究，這就需要對仿真對象的活動全過程進(jìn)行監(jiān)控，收集實際系統(tǒng)的數(shù)據(jù)源，并將仿真數(shù)學(xué)模型所產(chǎn)生的行為數(shù)據(jù)與實際數(shù)據(jù)源進(jìn)行比較，找出其中的差別以便進(jìn)一步提高模型的精度。這就要求更加深入研究動態(tài)建模技術(shù)和理論方法，同時提高在線的檢測手段和檢測技術(shù)。當(dāng)前，仿真模型一般都具有專用性，只對當(dāng)前系統(tǒng)有效，如果對另一個有差別的系統(tǒng)進(jìn)行仿真，必須重新考慮仿真模型的建立，這樣就浪費了大量的人力、物力資源，于是仿真模型的可重用技術(shù)應(yīng)運而生。增強(qiáng)模型的可重用性可以通過規(guī)范模型數(shù)據(jù)的接口標(biāo)準(zhǔn)，開發(fā)基礎(chǔ)仿真模塊等方法解決。（三）仿真環(huán)境不斷改善：仿真環(huán)境可以分為仿真的硬件環(huán)境和軟件環(huán)境。仿真硬件環(huán)境的改善體現(xiàn)在超高速仿真計算機(jī)的出現(xiàn)、通信網(wǎng)絡(luò)的速度和容量進(jìn)一步提高、高分辨率的視頻顯示系統(tǒng)以及三維位置傳感器等。仿真軟件環(huán)境體現(xiàn)在：解決大規(guī)模復(fù)雜偏微分方程和離散隨機(jī)事件仿真的高效仿真算法、適應(yīng)并行計算機(jī)的高級并行仿真語言、適應(yīng)不同層次人員使用的仿真平臺以及友好界面、使用簡單的先進(jìn)編程軟件。（四）仿真應(yīng)用不斷擴(kuò)展：仿真計算是一種性價比較高的實驗方法，可以應(yīng)用在社會生活的各個方面。現(xiàn)在，無論在工業(yè)工程、自然研究還是生命工程，都有仿真研究的足跡。蘇格蘭科學(xué)家已成功地將整個宇宙濃縮在一臺超級計算機(jī)中，計算機(jī)模型已仿真出分布在150億光年范圍內(nèi)的10億個星系的狀況。英國若丁漢大學(xué)的礦產(chǎn)資源工程系的研究小組正在使用虛擬現(xiàn)實軟件重建黑暗的地下世界，以便為地下工作的礦工提供駕駛車輛或操作儀器的訓(xùn)練場所。日本科學(xué)技術(shù)廳決定對影響地球環(huán)境的大氣、海洋、地層和地殼運動進(jìn)行仿真。還有仿真核武器的性能以及破壞性的研究工作、仿真生物的發(fā)展趨勢工作以及對人類生命進(jìn)行的研究與仿真等。綜上所述，計算機(jī)仿真技術(shù)發(fā)展的突飛猛進(jìn)已表現(xiàn)出它的優(yōu)越性及潛在的效益。尤其是近年來在仿真方法研究、仿真技術(shù)研究、系統(tǒng)仿真應(yīng)用等方面取得顯著的成就。因此，計算機(jī)仿真技術(shù)在國防建設(shè)和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中將發(fā)展越來越重要的作用。2、數(shù)值仿真技術(shù)相關(guān)軟件久負(fù)盛名的仿真軟件有ADAMS、MATLAB等系統(tǒng)，它們都是通用系統(tǒng)，仿真功能很強(qiáng)，同時，根據(jù)一些特定的應(yīng)用場合，演化出許多專門的應(yīng)用系統(tǒng)，如汽車仿真專用系統(tǒng)等。ADAMS軟件機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)自動分析軟件ADAMS(AutomaticDynamicAnalysisofMechanicalSystems),是一種非常著名的虛擬樣機(jī)分析軟件。它是國際上20世紀(jì)80年代隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項計算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)。它的研究范圍主要是機(jī)械系統(tǒng)運動學(xué)和動力學(xué)分析，其核心是利用計算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)極其構(gòu)件在任意時刻的位置、速度和加速度；同時，通過求解代數(shù)方程組確定引起系統(tǒng)及其各構(gòu)件運動所需要的作用力和反作用力。利用ADAMS軟件進(jìn)行計算機(jī)動態(tài)仿真可以在設(shè)計階段就把樣機(jī)的性能模擬出來,大幅度提高了樣機(jī)試制的成功率。此軟件的應(yīng)用最突出的優(yōu)點就是不必為一個新的模型編寫程序，很復(fù)雜的模型也能很快開發(fā)出來并投入使用。MATLAB/SIMULINKMATLAB是一種數(shù)學(xué)計算軟件，它具有強(qiáng)大的數(shù)值計算功能和卓越的數(shù)據(jù)可視化能力。SIMULINK是MATLAB的重要工具箱之一，它是用來可視化實現(xiàn)系統(tǒng)級建模與動態(tài)仿真的有效工作平臺，可以用它來實現(xiàn)對工程問題的模型化和動態(tài)仿真。MATLAB/SIMULINK由于其強(qiáng)大的仿真計算功能，在機(jī)械系統(tǒng)研究中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。CAD軟件計算機(jī)輔助設(shè)計(ComputerAidedDesign,簡稱CAD)技術(shù)的發(fā)展，為人們的設(shè)計工作提供了極大的方便。CAD技術(shù)主要由計算機(jī)輔助建模和輔助分析兩部分組成。以內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)為例，輔助建模已經(jīng)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)復(fù)雜零部件的二維繪圖和三維造型、零部件CAD系統(tǒng)、發(fā)動機(jī)總體CAD以及零部件設(shè)計專家系統(tǒng)5個方面；還可利用CAD輔助設(shè)計軟件UG完成內(nèi)燃機(jī)中活塞、連桿、缸套等零部件的造型和裝配的仿真過程。有限元軟件有限元方法(FiniteElementMethod,縮寫FEM)是--種借助計算機(jī)進(jìn)行工程分析的離散化數(shù)值方法。隨著計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，有限元軟件在計算機(jī)輔助工程(CAE)中的數(shù)值仿真(NumericalSimulation)扮演了重要的角色，“有限元仿真”成為專業(yè)學(xué)術(shù)論文或討論會的專用術(shù)語。有限元軟件(如Ansys等)作為一種先進(jìn)的計算機(jī)仿真手段,其功能得到了不斷的完善，現(xiàn)有的一些有限元軟件已經(jīng)可以給用戶提供…定的可視化仿真分析環(huán)境。一體化制造系統(tǒng)仿真軟件(IMSS)它是用于制造車間設(shè)計與分析的建模與仿真軟件，其主要功能如下：(一)其有一個包括制造車間各種元素如：機(jī)床，緩沖站，立體倉庫，運輸車等，建模者可利用這些元素并通過鼠標(biāo)器在屏幕上構(gòu)造制造車間的靜態(tài)模型；(二)制造車間的生產(chǎn)計劃及工藝路徑可通過表格形式輸入，可手工輸入也可直接從生產(chǎn)計劃及工藝規(guī)劃模塊讀入；(三)該軟件能自動生成離散事件仿真模型并能對該模型進(jìn)行仿真；(四)有一套結(jié)果分析軟件，輸出結(jié)果可以是餅圖，直方圖或表格。加工過程仿真器(MPS)為了縮短產(chǎn)品的設(shè)計與開發(fā)周期，在CIMS中，特別強(qiáng)調(diào)計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)與計算機(jī)輔助制造(CAM)的集成，即要求從CAD輸出的產(chǎn)品設(shè)計信息能直接通過網(wǎng)絡(luò)傳送給計算機(jī)輔助加工工藝規(guī)劃系統(tǒng)(CAPP)使之產(chǎn)生刀位軌跡文件，然后再通過CAM形成數(shù)控加工中心所需要的數(shù)控(NC)代碼并按生產(chǎn)調(diào)度計劃加載到具體的數(shù)控加工中心。為了確保加工工藝的合理性及NC代碼的正確性，最好在對真實零件進(jìn)行切削加工前能進(jìn)行一次“試切削”，通常是采用木模來代替真實零件。顯然，這樣做不僅會延長開發(fā)周期，而且成本較高。加工過程仿真器(MPS)可為CAD/CAM的集成，特別是檢驗NC代碼的正確性及減少加工過程的碰撞干涉提供支持，因此可以用它部分地替代試切。具體功能包括：仿真加工設(shè)備及加工對象在加工過程中的運動及狀態(tài)；加工過程仿真的每一步均由NC代碼驅(qū)動；零件加工過程具有三維實時動畫功能，當(dāng)發(fā)現(xiàn)碰撞時，會發(fā)出報警。工廠調(diào)度仿真環(huán)境(FASE)制造系統(tǒng)的調(diào)度問題是CIMS中的重要一環(huán)，現(xiàn)代產(chǎn)品市場的發(fā)展對生產(chǎn)調(diào)度的快速反應(yīng)能力和精確性都提出了更高的要求，早期的調(diào)度方法大都基于運籌學(xué)、控制論等數(shù)學(xué)方法，由于生產(chǎn)車間調(diào)度問題的最優(yōu)解的求解時間隨著問題規(guī)模增大呈指數(shù)增長，因此無論多先進(jìn)的計算機(jī)都不可能在有限時間內(nèi)求出最優(yōu)解來。為解決這個問題，近年來，越來越多的人趨向于采用計算機(jī)仿真的方法來獲得調(diào)度問題的可行解。工廠仿真調(diào)度環(huán)境（FASE）的主要功能是提供給用戶一個一體化的仿真環(huán)境，用戶利用該環(huán)境可以描述車間模型，定義操作順序，給出輸入的訂單，經(jīng)過仿真,產(chǎn)生調(diào)度方案及性能分析報告。3、數(shù)值仿真技術(shù)在火災(zāi)模擬中的應(yīng)用近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，火災(zāi)數(shù)值模擬技術(shù)也得到了快速發(fā)展。目前，火災(zāi)數(shù)值模型主要有專家系統(tǒng)、區(qū)域模型、場模型、網(wǎng)絡(luò)模型和混合模型川。由于場模擬可以得到比較詳細(xì)的物理量的時空分布，能精細(xì)地體現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)象，加之高速、大容量計算機(jī)的發(fā)展，使得場模型得到了越來越廣泛的應(yīng)用。專家模型專家模型又稱為經(jīng)驗?zāi)Ｐ?，主要用于描述火源空間的一些特征物理參數(shù)，如煙氣溫度、濃度、熱流密度等隨時間的變化，因此經(jīng)常被稱為“本地模型”。相對于區(qū)域模型、網(wǎng)模型的簡化以及場模型對計算能力的要求，一些形式簡單、源于工程實踐的經(jīng)驗?zāi)Ｐ陀捎谄錅?zhǔn)確性高并對計算能力的要求較低，在許多典型工程環(huán)境下取得了廣泛的應(yīng)用。典型的專家模型包括:計算煙羽流溫度的Aplert模型［；計算火焰長度的Hasemi模型；計算羽流質(zhì)量流量的Zukoski羽流模型、Heskestad羽流模型、McCaffrey羽流模型；計算火焰平均高度的Thomas模型、Heskestad模型等。區(qū)域模型區(qū)域模型把所研究的受限空間劃分為不同的控制容積（即區(qū)域），并且假定各個控制容積內(nèi)的參數(shù)（如溫度、壓力、密度等）是均勻的，在每個區(qū)域內(nèi)分別運用質(zhì)量、能量和動量守恒的原理，用數(shù)學(xué)分析方法來描述火災(zāi)過程。區(qū)域模型主要用于研究較為封閉的空間中的火情的演變。美國在這方面的工作比較突出，開發(fā)出了多個數(shù)值模擬軟件，如：ASET,CFAST/FAST,C0MF2,FIRAC,FIRST,WPIFIRE等20余種。其他國家如，丹麥、新西蘭、日本、德國、法國、瑞典、澳大利亞、波蘭、加拿大、比利時、挪威等也都開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)值模擬軟件。CFAST/FAST模型是美國BFRL（建筑與火災(zāi)研究實驗室）的火災(zāi)研究分部研發(fā)的一種火焰生長和煙氣運動的綜合性模型。場模型場模擬的理論依據(jù)是自然界普遍成立的質(zhì)量守恒、動量守恒、能量守恒以及化學(xué)反應(yīng)定律等，且建立了火災(zāi)各主要分過程的理論模型，主要是受浮力影響的湍流模型、湍流燃燒模型和輻射換熱模型等，組成了一個封閉的基本方程組。然后將研究對象劃分為數(shù)以萬計的控制體，在控制體中通過數(shù)值求解這些方程組來獲取所求參數(shù)以了解火災(zāi)的發(fā)展過程。英美兩國在場模型數(shù)值模擬方面進(jìn)行了不少研究，開發(fā)了多種模擬軟件。如英國的CFX、JASMINE,PHOENICS,SMARTFIRE,SPLASH、STAR-CD,美國的ALOFT-FT、FDS、FLUENT、SOLVENT、DETACT-QS、DETACT-T2、JET、LAVENT、SPRINK、TDISXo澳大利亞、挪威、德國、葡萄牙、加拿大和日本也開發(fā)了場模型模擬軟件。網(wǎng)絡(luò)模型網(wǎng)絡(luò)模型把整個建筑物作為一個系統(tǒng)，而其中的每個房間為一個控制體（或稱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點），各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間通過各種空氣流通路徑相連，利用質(zhì)量、能量等守恒方程對整個建筑物內(nèi)的空氣流動、壓力分布和煙氣傳播情況進(jìn)行研究。典型的網(wǎng)絡(luò)模型輸人數(shù)據(jù)是氣象參數(shù)（空氣溫度、風(fēng)速）、建筑特點（高度、滲透面積、開口條件）、送風(fēng)量、火焰參數(shù)和室內(nèi)空氣溫度。這種模型充分考慮不同建筑特點、室內(nèi)外溫差引起的煙囪效應(yīng)、風(fēng)力、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、電梯的活塞效應(yīng)等因素對煙氣傳播造成的影響，可實現(xiàn)對建筑樓梯間加壓、前室加壓、區(qū)域排煙及幾種方式的不同組合使用的建筑防排煙系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)研究分析，對煙控系統(tǒng)效果及與人員疏散有關(guān)的火災(zāi)安全分析。網(wǎng)絡(luò)模型主要用來計算離著火房間較遠(yuǎn)處的煙氣流動、擴(kuò)散，不涉及火災(zāi)轟然時所產(chǎn)生的變化。美國、英國、加拿大、日本、荷蘭等國家對網(wǎng)絡(luò)模型的研究和開發(fā)起步較早,且己發(fā)展到較為成熟的階段，其中尤以美國標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局建筑火災(zāi)研究實驗室為代表。典型的網(wǎng)格模型有兩種，分別是ASCOS模型和CONTAM模型。ASCOS模型用于分析由煙控系統(tǒng)引起的恒定空氣流動。CONTAM用于多區(qū)域空氣流動模擬研究網(wǎng)，C0NTAM96曾用于分析紐約世貿(mào)中心煙控系統(tǒng)的改造方案。其它火災(zāi)模型包括探測器反應(yīng)模型(DETECTRESPONSEMODEL