什么是仿真建模(及其工作原理)?

2020年3月25日,星期三

表的内容
在CAD仿真
谁使用模拟建模?
仿真建模的主要优点
挑战在模拟

从1790年之前的美国专利制度初始到1880年,专利局要求每次专利申请提交本发明的规模模型。通常由高技能的木匠由木材制成的型号,给予了专利审查员在评估每个专利概念的新奇时使用的东西。

模型要求很久以前就被废除了,但建模在研究,发展和创新方面继续发挥重要作用。汽车制造商,建筑师和飞机设计人员已经长期使用了他们的思想的小型模型 - 部分是为了让他们在“现实生活”中的内容感觉到它们所示,也可以用于市场研究和工程测试,例如空气动力学测试风隧道。

但是,物理模型具有缺点。他们往往耗时和昂贵,在第一次到市场创新时,重要的考虑可能意味着商业成功与失败之间的差异。此外,某些型号必须更小且更轻,可能不会在测试中的全尺寸对应物中的情况下表现相同,导致不履行对期望的不良数据和设计。

幸运的是,计算机辅助设计(CAD)软件和计算机硬件性能的进步使虚拟模型的使用成为可能。物体不仅可以在计算机上设计并通过三维图形渲染可视化地显示出来,还可以在模拟的物理条件下使用设计它们的CAD软件进行测试。

在CAD仿真


在CAD仿真

在系统开发中,CAD软件的传统使用只涉及到物体的大小和形状,无论是机器的一个小部件,还是巨大的船舶、飞机或建筑。但是CAD软件用户认识到仿真的价值,开始要求能够在虚拟环境中测试他们的虚拟对象,而CAD软件开发人员很乐意满足这一要求。

为了在尽可能接近真实世界的条件下测试虚拟物体,仅仅知道物体的大小和形状是不够的。你还需要知道它的物理属性,并且你需要能够在计算机模型中表示这些属性。此外,您需要了解这些属性如何影响被测试对象的性能。这通常是用方程来完成的——也就是说,系统行为的数学模型,与系统的形状、大小和材料属性相匹配。

例如,当测试一架虚拟飞机时,了解机翼周围的气流如何产生升力是很重要的。我们有一个完善的数学方程体处理的物理翼型,他们可以纳入到CAD表示的系统。此外,机翼使用的材料也很重要,因为它们决定了机翼的重量,以及在负载和各种情况下(如起飞、降落和湍流)机翼弯曲和弯曲的方式。因此,物理特性,如摩擦系数和决定机翼结构强度的各种参数,也必须纳入模型。

CAD中模拟建模的一个重要方法是使用有限元建模(FEM)。物理现象通常由复杂的方程描述,这些方程是不切实际或不可能为物体中的每一点解决的。FEM通过将物体细分为小的三维块来解决这个问题;CAD软件启用啮合在对象中创建3D网格来定义细分的过程。

谁使用仿真建模啮合创建精确的3 d网格

数学模型和网格划分到位后,可以在多个虚拟场景下通过各种模拟实验进行模型测试。此外,设计可以调整并且模拟重新运行,这与真实系统一起往往是不切实际的。

谁使用模拟建模?

仿真建模被用于所有工程学科和广泛的行业以及学术界。以下是一些例子:

  • 电化学:下一代电池技术的研究人员利用模拟技术设计新的微纳米级材料,以增加电池容量,减少充电时间,增加电池的整体寿命(充放电周期),并提高电池的安全性。
  • 电信从设计最大范围的基站天线,到确定最大覆盖范围的基站布局,再到解决移动火车和公交车上提供服务的问题,5G电信设备的设计师在所有方面都使用仿真。设计人员还通过在各种通信场景下建模基站、移动设备和算法来测试新的通信协议。
  • 地质:通过了解各种类型的土壤,岩石和地下结构之间的数学关系,地质学家和地震师可以使用模拟来预测不同类型地震对会发生的表面摇动量的影响。
  • 光学工程师可以模拟材料的光学特性,包括所谓的“超材料”,这种材料具有纳米级的表面设计,可以改变其特性,从而设计和测试适用于许多不同应用的新型透镜和其他光学仪器。

模拟的主要好处

值得注意的是,仿真建模不限于设计和测试物理对象,尽管这些应用程序归因于CAD软件中的建模。还可以建模和模拟业务流程以测试其性能。使用建模和仿真,企业可以获得问题的答案,例如:

  • 我需要多少技术支持人员?我需要为大型产品发布临时增加人员吗?
  • 如果我向我的物流团队添加运输职员,我们的订单履行绩效有什么影响?
  • 如果我们添加产品线,我们的制造基础设施可以处理额外的需求,或者我需要添加生产线和人员吗?如果我外包生产,该怎么办?
  • 如果我自动化制造过程,仓库是否能够吸收额外的产品?

模拟的主要好处

仿真建模——无论是在工程领域还是在业务领域——可以为使用它的组织实现许多好处。主要的好处是:

  • 更短的设计和测试周期:修改和重新测试虚拟设计的能力意味着您不必花费时间(或金钱)构建并测试多个原型迭代。您可以在构建实际原型之前满足仿真要求的设计。
  • 更多(更现实)的测试场景使用物理原型,并不总是能够测试所有可能的操作条件。然而,在模拟中,可以建模和测试的操作场景没有实际的限制。

因此,仿真建模具有超过更传统的方法的优势,例如数据分析,预测和优化。这些方法更加理论上,并且基于关于物体如何表现的各种假设。通过模拟,您不需要尽可能多的假设 - 使用适当的数学模型,您可以尝试不同的场景,并确切知道行为将是什么。

挑战在模拟

然而,仿真建模也并非没有挑战。如果您不了解模型的局限性,就会产生一种错误的安全感,以为所有的模拟结果都是100%可靠的。这可能会带来灾难性的后果。以下是一些关于模拟的常见问题:

数学模型的有效性一些模型,如前面提到的翼型,有定义明确的方程来描述他们的行为。在其他情况下,设计师正在开拓新领域,没有足够的基础研究来构建数学模型。在这种情况下,方程可能更多地基于猜测和有限数量的经验数据,而不是广义的物理关系。在这种情况下,模型的有效性会受到质疑,仿真结果的可靠性也会降低。

输入垃圾,输出垃圾:使用不正确的参数显然会导致错误的结果。同样,在某些情况下,物理参数不是单个数字,而是一系列具有特定分布的值。这种可变性必须在模型中妥善计算。

权衡:对于复杂的系统,尤其是由FEM建模的系统,设计师通常必须决定准确性和时间或计算能力之间的权衡。极其详细的模型可能需要更多的时间和计算功率来模拟而不是容易获得。也就是说,云计算正在以合理的仿真任务成本提供额外的计算能力。

企业如何克服这些挑战?除了计算能力问题外,仿真结果的可靠性还取决于模型的适当验证和认可。幸运的是,关于构建仿真模型和进行模型验证的正确方法的知识越来越多,仿真建模专家可以帮助确保给定的模型被定义得足够详细,以尽可能接近现实。

随着CAD和其他仿真软件包的成本降低,并且变得更容易使用,仿真建模正在成为商业领域中必不可少的工具。如果您的组织还没有在其操作的某些方面使用仿真建模,那么很有可能很快就会使用仿真建模。

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