第一章緒論凌靜秀2024-07-07建模與仿真技術(shù)是一門通用性強(qiáng)、跨學(xué)科、與計(jì)算機(jī)技術(shù)緊密結(jié)合且應(yīng)用面廣的綜合性技術(shù),已成功應(yīng)用于核能開發(fā)、海洋系統(tǒng)、航空航天、地震工程、材料、軍事、社會(huì)、經(jīng)濟(jì)等眾多領(lǐng)域。廣義而言,仿真就是采用建模的方法建立現(xiàn)實(shí)客觀物理現(xiàn)象的概念模型和數(shù)學(xué)模型,即對現(xiàn)實(shí)客觀物理現(xiàn)象進(jìn)行抽象、映射、描述及復(fù)現(xiàn),進(jìn)而應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)、軟件技術(shù)及信息技術(shù)，將概念模型轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)仿真模型,以模擬現(xiàn)實(shí)客觀物理現(xiàn)象。建模與仿真是一種利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)模擬和模型構(gòu)建的方法。它通過使用數(shù)學(xué)模型和數(shù)據(jù)來描述所研究對象的特征和行為，并利用計(jì)算機(jī)軟件對模型進(jìn)行操作和仿真，以獲取有關(guān)系統(tǒng)行為和性能的有用信息。目前，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，尤其是網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，建模與仿真技術(shù)正在向數(shù)字化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化及協(xié)同化快速發(fā)展。1建模與仿真概括1.1建模與仿真的定義和分類計(jì)算機(jī)仿真是指在研究中利用數(shù)學(xué)模型或物理模型來獲取系統(tǒng)的一些重要特性參數(shù)，這些數(shù)學(xué)模型或物理模型通常是由以時(shí)間為變量的常微分方程來描述，并用數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真求解的。隨著硬軟件技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)仿真可以對整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)及其過程進(jìn)行廣泛的研究，如連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)行、機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形或者結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。進(jìn)行系統(tǒng)仿真，一般具有以下特點(diǎn)：（1）它是一種對系統(tǒng)問題數(shù)值求解的計(jì)算技術(shù)。尤其當(dāng)系統(tǒng)無法通過建立數(shù)學(xué)模型求解時(shí),模型仿真技術(shù)能有效地處理。（2）仿真是一種人為的試驗(yàn)手段。它和現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的差別在于,仿真實(shí)驗(yàn)不是依據(jù)實(shí)際環(huán)境,而是在實(shí)際系統(tǒng)映像的系統(tǒng)模型以及相應(yīng)的“人造”環(huán)境下進(jìn)行的。這是仿真的主要功能。1建模與仿真概括1.1建模與仿真的定義和分類（3）仿真可以比較真實(shí)地描述系統(tǒng)的運(yùn)行、演變及其發(fā)展過程。仿真支撐系統(tǒng)是進(jìn)行仿真試驗(yàn)的軟件和硬件環(huán)境,是仿真的重要工具。相似理論是研究仿真支撐系統(tǒng)的理論依據(jù)和重要準(zhǔn)則之一,而計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)、圖像處理技術(shù)等許多相關(guān)領(lǐng)域飛速發(fā)展的新技術(shù)促進(jìn)了仿真支撐系統(tǒng)(環(huán)境)的技術(shù)飛躍。仿真是基于模型的活動(dòng)，模型建立、實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證、應(yīng)用是仿真過程不變的主題。隨著時(shí)代的發(fā)展，仿真模型包含的內(nèi)容大大擴(kuò)展，建模方法日益多樣，模型交互性和重用性變得越來越重要，模型的校核與驗(yàn)證的成為仿真中必要的步驟。模型、仿真的定義有各種表述。一種簡單的基本定義如圖1.1所示。1建模與仿真概括1.1建模與仿真的定義和分類圖1.1建模與仿真的關(guān)系模型（Model）——對系統(tǒng)、實(shí)體、現(xiàn)象、過程的數(shù)學(xué)物理或邏輯的描述。仿真（Simulation）——模型在計(jì)算機(jī)上隨時(shí)間運(yùn)行的手段和方法。1建模與仿真概括1.1建模與仿真的定義和分類計(jì)算機(jī)仿真是指在研究中利用數(shù)學(xué)模型或物理模型來獲取系統(tǒng)的一些重要特性參數(shù)，這些數(shù)學(xué)模型或物理模型通常是由以時(shí)間為變量的常微分方程來描述，并用數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真求解的。隨著硬軟件技術(shù)的發(fā)展，利用計(jì)算機(jī)仿真可以對整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)及其過程進(jìn)行廣泛的研究，如連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)行、機(jī)械結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變形或者結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。進(jìn)行系統(tǒng)仿真，一般具有以下特點(diǎn)：（1）它是一種對系統(tǒng)問題數(shù)值求解的計(jì)算技術(shù)。尤其當(dāng)系統(tǒng)無法通過建立數(shù)學(xué)模型求解時(shí),模型仿真技術(shù)能有效地處理。（2）仿真是一種人為的試驗(yàn)手段。它和現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的差別在于,仿真實(shí)驗(yàn)不是依據(jù)實(shí)際環(huán)境,而是在實(shí)際系統(tǒng)映像的系統(tǒng)模型以及相應(yīng)的“人造”環(huán)境下進(jìn)行的。這是仿真的主要功能。1建模與仿真概括1.1建模與仿真的定義和分類（3）仿真可以比較真實(shí)地描述系統(tǒng)的運(yùn)行、演變及其發(fā)展過程。仿真支撐系統(tǒng)是進(jìn)行仿真試驗(yàn)的軟件和硬件環(huán)境,是仿真的重要工具。相似理論是研究仿真支撐系統(tǒng)的理論依據(jù)和重要準(zhǔn)則之一,而計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)格技術(shù)、圖像處理技術(shù)等許多相關(guān)領(lǐng)域飛速發(fā)展的新技術(shù)促進(jìn)了仿真支撐系統(tǒng)(環(huán)境)的技術(shù)飛躍。在我國建模與仿真方法是隨著應(yīng)用需求的發(fā)展不斷的進(jìn)步，近十年來仿真技術(shù)發(fā)展是沿著以應(yīng)用需求牽引建模與仿真系統(tǒng)開發(fā)、以建模與仿真系統(tǒng)帶動(dòng)建模與仿真技術(shù)突破、以建模與仿真技術(shù)促進(jìn)建模與仿真系統(tǒng)發(fā)展、將建模與仿真系統(tǒng)又服務(wù)于應(yīng)用良性循環(huán)的道路向前發(fā)展。建模與仿真可以根據(jù)不同標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，以下是一些基本的分類方式：1建模與仿真概括1.1建模與仿真的定義和分類（1）按照應(yīng)用領(lǐng)域：可以分為工業(yè)仿真、醫(yī)學(xué)仿真、軍事仿真、教育仿真等。每個(gè)領(lǐng)域都有其特定的需求和模型，例如在軍事領(lǐng)域可能更關(guān)注戰(zhàn)術(shù)模擬和戰(zhàn)場環(huán)境仿真，而在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域則可能側(cè)重于生物體的生理過程模擬或者手術(shù)操作的虛擬實(shí)訓(xùn)。12（3）按照時(shí)間尺度：可以分為靜態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)仿真。靜態(tài)仿真不涉及時(shí)間變化，主要用于研究系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)行為；而動(dòng)態(tài)仿真則模擬系統(tǒng)隨時(shí)間的演變過程，適用于需要分析系統(tǒng)暫態(tài)或動(dòng)態(tài)響應(yīng)的情況。3（2）按照模型特性：可以分為確定性模型仿真和隨機(jī)模型仿真。確定性模型仿真指的是系統(tǒng)的行為完全由初始條件和輸入數(shù)據(jù)決定，而隨機(jī)模型仿真則涉及概率分布，用于模擬那些具有內(nèi)在不確定性的系統(tǒng)。1建模與仿真概括1.1建模與仿真的定義和分類（4）按照仿真工具：可以分為計(jì)算機(jī)仿真、物理效應(yīng)設(shè)備仿真等。計(jì)算機(jī)仿真主要依賴于計(jì)算機(jī)軟件來模擬系統(tǒng)行為，而物理效應(yīng)設(shè)備仿真則結(jié)合了計(jì)算機(jī)生成的環(huán)境與實(shí)物硬件，為用戶提供更為直觀的交互體驗(yàn)。01（5）按照目的：可以分為研究型仿真和應(yīng)用型仿真。研究型仿真旨在探索和理解特定現(xiàn)象或理論，通常用于科學(xué)和工程研究；應(yīng)用型仿真則是為了解決實(shí)際問題或優(yōu)化已有系統(tǒng)的性能，常見于工程設(shè)計(jì)、培訓(xùn)和教育等領(lǐng)域。02（6）按照復(fù)雜性：可以分為簡單系統(tǒng)仿真和復(fù)雜大系統(tǒng)仿真。簡單系統(tǒng)仿真通常涉及的變量和關(guān)系較少，容易理解和實(shí)現(xiàn)；而復(fù)雜大系統(tǒng)仿真則需要考慮大量的變量和復(fù)雜的相互作用，這通常要求更高級(jí)的建模技術(shù)和計(jì)算能力。031建模與仿真概括建模技術(shù)模型是仿真的基礎(chǔ)。數(shù)學(xué)模型是客觀事物的抽象描述,客觀事物包括實(shí)體、自然環(huán)境、人的行為。建模是對實(shí)體（飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦艇、車輛、電站、機(jī)器設(shè)備等）自然環(huán)境（地形、大氣、海洋、空間)、人的行為（個(gè)體、群體、組織）的抽象描述。各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域大多采用機(jī)理建模方法來描述客觀事物的特性和行為，包括連續(xù)系統(tǒng)建模（線性非線性、定常時(shí)變、集中參數(shù)分布參數(shù)、確定隨機(jī)）離散事件系統(tǒng)建模（面向事件、面向進(jìn)程、面向活動(dòng)）或混合系統(tǒng)建模。當(dāng)仿真對象的機(jī)理不清楚時(shí)可采用系統(tǒng)辨識(shí)方法和基于數(shù)據(jù)的建模技術(shù)建模。除上述定量建模理論和方法外，還有定性建模理論和方法，用于具有不確定性、模糊性、智能性的對象建模和仿真。定量與定性相結(jié)合的建模與仿真已在各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域獲得重視。1建模與仿真概括建模技術(shù)仿真對象是錯(cuò)綜復(fù)雜的，可以由多個(gè)系統(tǒng)和分系統(tǒng)組成，除建立描述系統(tǒng)內(nèi)部特性和行為的數(shù)學(xué)模型外，還要建立描述系統(tǒng)之間的相互關(guān)系的模型，因此需要更高層次統(tǒng)一建模語言和方法，如面向?qū)ο蠼！⒚嫦蚪M件建模、多智能體(multi-agent)建模、元建模、面向服務(wù)建模等。模型應(yīng)具有互操作性、可重用性、可組合性。模型、仿真結(jié)果是否可信是最根本的問題,它決定仿真結(jié)果有無價(jià)值,而可信度取決于精度和置信度,更與仿真目的和要求有密切關(guān)系。應(yīng)根據(jù)仿真目的和要求對模型和仿真系統(tǒng)進(jìn)行嚴(yán)格的校核、驗(yàn)證、確認(rèn)。校核是將建立的模型和仿真系統(tǒng)對照設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)要求、技術(shù)說明比較,驗(yàn)證是將仿真結(jié)果與實(shí)際系統(tǒng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較,確認(rèn)是權(quán)威機(jī)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用目的對模型和仿真系統(tǒng)進(jìn)行審批。2建模與仿真應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嵺`證明，建模與仿真所能應(yīng)用的領(lǐng)域，都極大的促進(jìn)了該領(lǐng)域的發(fā)展。所以人們就開始把其應(yīng)用于傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)中，從20世紀(jì)90年代至今，我國的研究人員對建模與仿真技術(shù)展開了研究，包括分布交互仿真、虛擬現(xiàn)實(shí)仿真、基于仿真的設(shè)計(jì)、虛擬樣機(jī)、建模與仿真的重用和互操作性，以及分布虛擬環(huán)境等。近幾年隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，新的建模與仿真技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，極大的推動(dòng)了機(jī)械行業(yè)的發(fā)展，提高了經(jīng)濟(jì)效益。建模與仿真是工程領(lǐng)域中一種廣泛應(yīng)用的技術(shù)，通過對系統(tǒng)或過程進(jìn)行模擬與模型構(gòu)建，能夠幫助工程師們更好地理解和掌握復(fù)雜的工程問題。本文將介紹建模與仿真在工程領(lǐng)域的應(yīng)用。2建模與仿真應(yīng)用領(lǐng)域01020304(1)軍事訓(xùn)練：在軍事領(lǐng)域，建模與仿真技術(shù)被用于訓(xùn)練和戰(zhàn)術(shù)分析。美國等國家將其作為提高軍隊(duì)?wèi)?zhàn)斗力的重要工具，通過建立作戰(zhàn)實(shí)驗(yàn)室和仿真系統(tǒng)，進(jìn)行戰(zhàn)略、戰(zhàn)役、戰(zhàn)術(shù)和技術(shù)層面的模擬訓(xùn)練。(3)軌道交通：在軌道交通裝備制造領(lǐng)域，仿真技術(shù)貫穿于軌道車輛產(chǎn)品的研發(fā)各個(gè)階段，從方案設(shè)計(jì)到技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、試制驗(yàn)證等，是研發(fā)過程中不可或缺的一環(huán)。(2)航天制造：在航天領(lǐng)域，仿真技術(shù)用于多學(xué)科專業(yè)的仿真分析，如機(jī)電液控等，以及半實(shí)物仿真、虛擬樣機(jī)系統(tǒng)仿真等。這些技術(shù)對于降低航天產(chǎn)品的研制成本和周期、提高質(zhì)量、確保飛行試驗(yàn)成功率等方面至關(guān)重要。(4)計(jì)算機(jī)科學(xué)：在計(jì)算機(jī)科學(xué)領(lǐng)域，模擬仿真技術(shù)可以用于測試和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能，模擬不同的硬件和軟件環(huán)境等。隨著技術(shù)的發(fā)展，仿真技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。2建模與仿真應(yīng)用領(lǐng)域1(5)科學(xué)研究：建模與仿真技術(shù)在科學(xué)研究中也占有重要地位，它們可以幫助科學(xué)家理解復(fù)雜的自然現(xiàn)象和工程問題，預(yù)測實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從而指導(dǎo)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論研究。2(6)工程設(shè)計(jì)：在工程領(lǐng)域，通過建立精確的數(shù)學(xué)模型來模擬物理系統(tǒng)的行為，工程師可以在不建造實(shí)際原型的情況下測試和驗(yàn)證新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。3(7)醫(yī)學(xué)教育：在醫(yī)學(xué)教育和培訓(xùn)中，仿真技術(shù)可以用來模擬人體解剖、手術(shù)過程等，幫助醫(yī)學(xué)生和醫(yī)生提高手術(shù)技能和診斷能力。4(8)應(yīng)急管理：在應(yīng)急管理和災(zāi)難預(yù)防領(lǐng)域，建模與仿真技術(shù)可以用來模擬自然災(zāi)害的發(fā)展過程，為制定應(yīng)急響應(yīng)計(jì)劃提供支持。5(9)能源管理：在能源行業(yè)，仿真技術(shù)用于電網(wǎng)的運(yùn)行分析、可再生能源資源的評(píng)估以及能效優(yōu)化等。2建模與仿真應(yīng)用領(lǐng)域(10)金融分析：在金融領(lǐng)域，建模與仿真技術(shù)用于風(fēng)險(xiǎn)管理、市場預(yù)測、資產(chǎn)組合優(yōu)化等。(11)游戲開發(fā)：在游戲產(chǎn)業(yè)，仿真技術(shù)用于創(chuàng)建逼真的游戲環(huán)境和角色行為，提升玩家的游戲體驗(yàn)。在目前全球經(jīng)濟(jì)競爭激烈的情況下，成功的企業(yè)必須快速反應(yīng)市場的需求變化趨向，快速設(shè)計(jì)和制造新的產(chǎn)品。其中產(chǎn)品設(shè)計(jì)占整個(gè)研發(fā)周期的大部時(shí)間,縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)間是最具競爭力的途徑。基于仿真的設(shè)計(jì)(SBD)或虛擬樣機(jī)(virtualprototyping)技術(shù)是現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的革命性手段。早期的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造（CAD/CAM)發(fā)展為基于仿真設(shè)計(jì)與制造(SBD/SBM)，目前又提出數(shù)字制造(digitalmanufacturing)或虛擬制造(virtualmanufacturing)。2建模與仿真應(yīng)用領(lǐng)域CAD模型（包括部件和組件）是初步設(shè)計(jì)階段對產(chǎn)品的簡單描述，采用仿真方法對運(yùn)動(dòng)空間的限制、強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析,在動(dòng)態(tài)載荷和受力情況下得到應(yīng)力應(yīng)變、位移、速度、加速度等參數(shù),以評(píng)估各種不同設(shè)計(jì)概念。基于仿真的設(shè)計(jì)與制造是一種現(xiàn)代工程技術(shù)方法，它通過使用計(jì)算機(jī)模擬來預(yù)測產(chǎn)品在真實(shí)世界中的性能。這種方法可以在產(chǎn)品實(shí)際制造出來之前，對其進(jìn)行詳盡的測試和驗(yàn)證。基于仿真設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法和流程兩者有很大區(qū)別，基于仿真設(shè)計(jì)可以在計(jì)算機(jī)上建立虛擬樣機(jī)，對產(chǎn)品的外形、結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度、動(dòng)力學(xué)進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，滿足技術(shù)要求后建立實(shí)物樣機(jī)或直接制造產(chǎn)品，可以大量縮短產(chǎn)品研制周期,降低成本?；诜抡嬖O(shè)計(jì)或虛擬樣機(jī)技術(shù)可以多學(xué)科綜合、系統(tǒng)集成,提高有效性。產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般劃分為以下幾個(gè)階段：方案論證階段、概念設(shè)計(jì)階段、技術(shù)設(shè)計(jì)階段、試驗(yàn)驗(yàn)證階段等。仿真在不同階段的用途不同，例如：2建模與仿真應(yīng)用領(lǐng)域方案論證階段——利用仿真進(jìn)行快速論證。此時(shí)我們往往追求仿真的快速，不追求精確；概念設(shè)計(jì)階段——利用仿真進(jìn)行方案的快速驗(yàn)證。系統(tǒng)仿真和多學(xué)科仿真是主要手段；技術(shù)設(shè)計(jì)階段——利用仿真完成關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)化與確定。此處實(shí)物仿真是重點(diǎn)手段；試驗(yàn)驗(yàn)證階段——盡管仿真的目的是替代試驗(yàn)，但在實(shí)踐中必要的試驗(yàn)還需要保留，特別是某些行業(yè)規(guī)范要求如此。利用仿真幫助規(guī)劃試驗(yàn)方案，準(zhǔn)確定位測試點(diǎn)，減少試錯(cuò)，精益地獲得數(shù)據(jù)，用較少的次數(shù)達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?，提升試?yàn)效率。相同零部件的同類仿真分析在不同設(shè)計(jì)階段的分析目的不同，因此，采用的技術(shù)、工具、仿真模型、網(wǎng)格的處理方式、結(jié)果的處理與評(píng)價(jià)等也各不相同。3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述機(jī)械系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)是利用數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法來描述和分析機(jī)械系統(tǒng)行為的方法。它將復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，并通過仿真計(jì)算來預(yù)測系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為和性能。近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和軟件工具的不斷推出，機(jī)械系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用和深入的研究。在機(jī)械系統(tǒng)建模方面，常用的方法包括物理模型、數(shù)學(xué)模型和仿真模型等。物理模型是通過物理實(shí)驗(yàn)和觀測來描述系統(tǒng)特性的模型，數(shù)學(xué)模型是通過數(shù)學(xué)方程來描述系統(tǒng)特性的模型，仿真模型是通過計(jì)算機(jī)算法和數(shù)值方法來模擬系統(tǒng)特性的模型。這些模型可以結(jié)合使用，以提高對機(jī)械系統(tǒng)行為的理解和預(yù)測能力。3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述在機(jī)械系統(tǒng)仿真方面，常用的軟件工具包括MATLAB、Simulink、ADAMS等。這些軟件提供了豐富的建模和仿真功能，可以方便地搭建機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并進(jìn)行系統(tǒng)行為和性能的仿真計(jì)算。此外，還有一些開源的仿真軟件，如OpenModelica、Dymola等，它們提供了更加靈活和可定制的建模和仿真功能，適用于不同類型的機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)在機(jī)械工程領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。一方面，它可以用于機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)和優(yōu)化。通過建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，可以評(píng)估和比較不同設(shè)計(jì)方案的性能，找到最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)和工藝流程。另一方面，它還可以用于機(jī)械設(shè)備的故障診斷和維修。通過建立機(jī)械系統(tǒng)的仿真模型，可以模擬和分析系統(tǒng)的故障行為，找到故障原因并提出修復(fù)方案。3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述除了機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)和維修，機(jī)械系統(tǒng)建模與仿真技術(shù)還在其他領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。例如，它可以用于工業(yè)生產(chǎn)過程的優(yōu)化和控制。通過建立工業(yè)系統(tǒng)的仿真模型，可以預(yù)測系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)和性能，進(jìn)而優(yōu)化生產(chǎn)計(jì)劃和控制策略。此外，它還可以用于交通運(yùn)輸系統(tǒng)的規(guī)劃和優(yōu)化。通過建立交通系統(tǒng)的仿真模型，可以模擬和評(píng)估不同交通策略的效果為城市規(guī)劃和交通管理提供決策依據(jù)。3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述3.1機(jī)械系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的范圍要根據(jù)研究對象來界定,一個(gè)完整的機(jī)器可以是一個(gè)系統(tǒng),機(jī)器的一個(gè)相對獨(dú)立的部分也可以看成一個(gè)子系統(tǒng)。一個(gè)完整的機(jī)器由動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、操縱系統(tǒng)/控制系統(tǒng)及支承部分組成。3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力系統(tǒng)包括動(dòng)力機(jī)及其配套裝置,它是機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力源，可以是電動(dòng)機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、液壓馬達(dá)等，它們提供必要的動(dòng)力以驅(qū)動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)工作。按能量轉(zhuǎn)換性質(zhì)的不同,有把自然界的能源(一次能源)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)械，如內(nèi)燃機(jī)、汽輪機(jī)、水輪機(jī)等動(dòng)力機(jī);有把二次能源(如電能、液能、氣能)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)械,如電動(dòng)機(jī)、液壓馬達(dá)、氣動(dòng)馬達(dá)等動(dòng)力機(jī)。動(dòng)力機(jī)輸出的運(yùn)動(dòng)通常為轉(zhuǎn)動(dòng),而且轉(zhuǎn)速較高。選擇動(dòng)力機(jī)時(shí),應(yīng)全面考慮執(zhí)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)和工作載荷、機(jī)械系統(tǒng)的使用環(huán)境和工況以及工作載荷的機(jī)械特性等要求,使系統(tǒng)既有良好的動(dòng)態(tài)性能,又有較好的經(jīng)濟(jì)性。3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述傳動(dòng)系統(tǒng)它的作用是將動(dòng)力系統(tǒng)中產(chǎn)生的動(dòng)力傳遞到執(zhí)行系統(tǒng)中去，并可實(shí)現(xiàn)速度和扭矩的轉(zhuǎn)換與調(diào)節(jié)。傳動(dòng)系統(tǒng)可能包括齒輪、皮帶、軸承等機(jī)械元件。傳動(dòng)裝置是把動(dòng)力機(jī)的動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)傳遞給執(zhí)行系統(tǒng)的中間裝置。傳動(dòng)裝置主要有以下幾項(xiàng)功能:①改變系統(tǒng)速度。動(dòng)力機(jī)的原始速度是不能滿足工作需要的,需要把動(dòng)力機(jī)的速度降低或提高,以適應(yīng)執(zhí)行系統(tǒng)工作的需要。有時(shí),系統(tǒng)還需要多個(gè)速度以適應(yīng)工作要求通過變速機(jī)構(gòu)來控制系統(tǒng)。②改變運(yùn)動(dòng)規(guī)律或形式。把動(dòng)力機(jī)輸出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)變?yōu)榘茨撤N需要的規(guī)律形式,如變化的旋轉(zhuǎn),非旋轉(zhuǎn)或者連續(xù)、間歇的運(yùn)動(dòng)形式等,以滿足執(zhí)行裝置的運(yùn)動(dòng)要求。③改變動(dòng)力大小。在動(dòng)力機(jī)功率恒定的情況下,變速機(jī)構(gòu)會(huì)將輸出的動(dòng)力按規(guī)律改變,然3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述傳動(dòng)系統(tǒng)后傳遞到執(zhí)行裝置,供給執(zhí)行裝置完成預(yù)定任務(wù)所需的轉(zhuǎn)矩或力。由于現(xiàn)代機(jī)電控制技術(shù)的發(fā)展,一些現(xiàn)代動(dòng)力機(jī)的速度與動(dòng)力要求完全符合執(zhí)行裝置的工作要求,此時(shí)則可以不再需要中間的傳動(dòng)裝置,而將動(dòng)力機(jī)與執(zhí)行裝置直接連接。3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述執(zhí)行系統(tǒng)執(zhí)行系統(tǒng)是直接完成機(jī)械功的部分，如機(jī)床的刀具、汽車的車輪等，它們通過傳動(dòng)系統(tǒng)獲得動(dòng)力并進(jìn)行工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)是完成機(jī)械最終功能的執(zhí)行部分,有的機(jī)械設(shè)備包含一套單獨(dú)的機(jī)械系統(tǒng),以完成整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的功能。不同的功能要求對運(yùn)動(dòng)和工作載荷的機(jī)械特性要求也不相同,因而各種機(jī)械系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)也不相同。執(zhí)行機(jī)構(gòu)通常處在機(jī)械系統(tǒng)的末端,直接與作業(yè)對象接觸,是機(jī)械系統(tǒng)的輸出系統(tǒng)。因此，執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作性能的好壞將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。執(zhí)行機(jī)構(gòu)除應(yīng)滿足強(qiáng)度、剛度、壽命等要求外,還應(yīng)滿足運(yùn)動(dòng)精度和動(dòng)力學(xué)特性等要求。3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述操縱控制系統(tǒng)這部分包括用于控制機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)行的各種控制器、傳感器和操縱裝置。在現(xiàn)代機(jī)械系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)往往涉及到復(fù)雜的信息處理和機(jī)電一體化技術(shù)。操縱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)都是為了使動(dòng)力系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)彼此協(xié)調(diào)運(yùn)行，并準(zhǔn)確、可靠地完成整機(jī)功能的裝置。二者的主要區(qū)別是:操縱系統(tǒng)一般是指通過人工操作來實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)、離合、制動(dòng)、變速、換向等要求的裝置；控制系統(tǒng)則是指通過人工操作或測量元件獲得的控制信號(hào)，經(jīng)由控制器，使控制對象改變其工作參數(shù)或運(yùn)行狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)上述要求的裝置，如伺服機(jī)構(gòu)、自動(dòng)控制裝置等。良好的控制系統(tǒng)可以使機(jī)械處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，提高其運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性，并有較好的經(jīng)濟(jì)性。3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述支撐部分支承部分有時(shí)又稱機(jī)架,是機(jī)械系統(tǒng)其他部分安裝的基礎(chǔ)。3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述3.2機(jī)械系統(tǒng)仿真流程實(shí)際的機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因強(qiáng)度等多種原因?qū)е碌娜哂嘟Y(jié)構(gòu)較多。大多數(shù)的機(jī)械產(chǎn)品在仿真模型化過程中均需要進(jìn)行簡化，簡化的過程對不同的研究人員來說，可能存在一定的差異，或者說仿真模型的簡化結(jié)果可能最終不同?？偟膩碚f，這種差異不應(yīng)當(dāng)是本質(zhì)上的。選擇合適的仿真系統(tǒng)是仿真成功及獲得較好仿真結(jié)果的前提。不同的仿真系統(tǒng)有自己的特點(diǎn)，如有些軟件平臺(tái)的線性仿真能力較強(qiáng)，有些軟件平臺(tái)的非線性仿真能力較強(qiáng)，對于不同的仿真需要，應(yīng)當(dāng)選擇相應(yīng)的仿真系統(tǒng)。根據(jù)上述分析，虛擬樣機(jī)類軟件與數(shù)學(xué)分析類軟件，其仿真過程一般具有以下的過程或原則。3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述虛擬樣機(jī)類軟件的仿真流程1)建模：這是仿真流程的第一步，涉及到在軟件中建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型或計(jì)算機(jī)模型。這個(gè)模型應(yīng)該能夠準(zhǔn)確地反映出系統(tǒng)的特性和行為。在這個(gè)階段，用戶需要定義模型的名稱（確保第一個(gè)字符是字母）和路徑（路徑名稱不能有中文、空格等），并設(shè)置工作環(huán)境，如單位（長度、質(zhì)量、力等）和工作網(wǎng)格。2)測試：在模型建立之后，用戶可以通過仿真軟件進(jìn)行測試。這一步驟可以檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確性，并預(yù)測系統(tǒng)在不同條件下的表現(xiàn)。用戶可能需要?jiǎng)?chuàng)建運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真基操，例如設(shè)置曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真以及對仿真結(jié)果做后處理。3)檢查：仿真完成后，需要對結(jié)果進(jìn)行檢查，以確保仿真的準(zhǔn)確性和可靠性。這個(gè)過程可能涉及到對仿真結(jié)果的驗(yàn)證和校準(zhǔn)。4)優(yōu)化提高：最后，根據(jù)仿真結(jié)果對系統(tǒng)進(jìn)行必要的調(diào)整和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的性能或3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述虛擬樣機(jī)類軟件的仿真流程滿足特定的設(shè)計(jì)要求?？偟膩碚f，虛擬樣機(jī)技術(shù)是基于物理學(xué)理論建立逼近實(shí)際工況的模型，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和仿真結(jié)果的可視化，而且能夠基于各專業(yè)理論給出模型的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)等方面的結(jié)果輸出。3機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述數(shù)學(xué)類分析軟件的仿真流程1)模型分析。針對數(shù)學(xué)分析類軟件，將分析對象進(jìn)行機(jī)構(gòu)化分析或流程化分析。12)數(shù)學(xué)建模。根據(jù)上一步的分析結(jié)果，對分析對象進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,建立分析對象的常微分方程。23)仿真模型流程設(shè)計(jì)。例如MATLAB/Simulink，需要事先根據(jù)模型的常微分方程設(shè)計(jì)仿真思路。34)仿真參數(shù)定義。包括仿真初始條件、變量定義、時(shí)間步等定義。45)結(jié)果分析。例如MATLAB軟件，可以根據(jù)分析結(jié)果對其進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)處理從而得到各種需要的結(jié)果。53機(jī)械系統(tǒng)建模仿真與優(yōu)化概述3.3優(yōu)化設(shè)計(jì)概述優(yōu)化設(shè)計(jì)是在電子計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上而發(fā)展起來的一種現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。它是以電子計(jì)算機(jī)為計(jì)算工具,利用最優(yōu)化原理和方法尋求最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)的一門先進(jìn)設(shè)計(jì)技術(shù)。優(yōu)化的概念最早就是伴隨著設(shè)計(jì)過程產(chǎn)生的,優(yōu)化設(shè)計(jì)就是一種對設(shè)計(jì)過程進(jìn)一步提煉改進(jìn)的方法,從多種設(shè)計(jì)方案中選擇最佳方案以獲得更完美的設(shè)計(jì)結(jié)果。通常設(shè)計(jì)方案可以用一組參數(shù)來表示,這些參數(shù)有些已經(jīng)給