本书作为工程仿真创新设计大赛推动关键共性技术创新的成果之一,也是仿真秀平台打造跨行业跨领域的工业品解决方案“资源池”的一部分。本书将工程仿真大赛的优秀作品进行整理,以便形成可用于行业间技术转移的解决方案,技术涵盖工业设备、车辆、航空航天与国防、能源、土木建筑、生命科学等九个行业大类。 本书收录和整理了工程仿真应用的案例,共46 个共性技术解决方案,包括车辆应用、航空航天应用、地质土建应用、工艺应用、能源动力应用等领域。详细阐述了技术路线、软件实现手段,以图文并茂的形式,将项目成果转化为可转移的技术方案。 本书涉及领域丰富,技术路线清晰,适用于以数字化、智能化、绿色化为方向的设计、研发、生产相关的工程技术人员,以及理工科院校的教师、研究生、高年级本科生。
北京赋智工创科技有限公司技术创新中心是北京赋智工创科技有限公司的技术核心部门,主要进行仿真技术创新应用方面的研究以及仿真创新赛事的举办。中心拥有数名经验丰富的工程师,在结构、流体、电磁、多物理场等仿真领域具备专业的技术能力。在赛事方面,其承办的“一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛-工程仿真创新设计赛项”已连续举办两届,在业界有良好的口碑和广泛影响力。
工程仿真作为工业软件的重要部分之一,是行业间创新融合的关键共性技术。本书从共性技术的维度,将工程仿真大赛的优秀作品优化整合,整理成可跨行业、跨软件、跨专业的技术融合的解决方案。同时众多大赛专家和参赛选手集思广益,力求实现技术转移和成果转化。 本书依托真实工程项目,分批收录和整理前沿的工程仿真解决方案,为行业及行业间提供实践范例。项目涵盖工业设备、车辆、航空航天与国防、能源、土木建筑、生命科学等九个行业大类。按照技术领域划分为篇,每个案例围绕一个工业产品或重要场景,从软件、专业、行业背景等方面阐述,内容包括项目背景、技术路线、实施方案、结果验证,以及意义和结论等。 第一篇为车辆应用方向,在共性技术方面包括了多学科优化技术、拓扑优化技术、结合AI的智能优化、虚拟驾驶技术等;在专业方面包括热力学、静力学、多体动力学、控制等学科; 在仿真软件方面涉及Altair Hyperworks、OptiStruct、Radioss、Ansys Mechanical、Isight、eta/VPG、Adams、CarSim、Matlab/simulink等商业软件。第二篇为航空航天应用方向,在共性技术方面包括了MBSE建模技术、数字孪生、健康监测、降阶模型等;在专业方面包括了机-电-液-控制、热力学、静力学、显式动力学、振动、流固耦合等学科;在仿真软件方面涉及Ansys Fluent、LSDYNA、Twin Builder、Altair Hyperworks、Isight、Abaqus、Matlab/simulink、Modelica等商业软件。第三篇为地质土建应用方向,在共性技术方面包括了逆向建模、多学科优化、参数优化、二次开发、试验验证等;在专业方面包括了静力学、摩擦、阻尼、稳定性、振动、显式动力学、断裂、流固耦合等学科;在仿真软件方面涉及Ansys Fluent、LS-DYNA、Dassault Abaqus、XFlow、Altair EDEM、GDEM、Marc、SAP2000等国内外商业软件。第四篇为工艺应用方向,在共性技术方面包括了参数优化、二次开发、试验验证;在专业方面包括了多尺度、疲劳、物质点算法、体积成型等学科;在仿真软件方面涉及CoinFEM、Abaqus、Deform、Ansys Fluent等商业软件。第五篇为能源动力应用方向,在共性技术方面包括了参数优化、试验验证、系统仿真;在专业方面包括了强度、屈曲、疲劳、振动热、流固耦合、分子动力学、水动力、燃烧、生物力学等学科;在仿真软件方面涉及Ansys Mechanical、AnsysFluent、AnyBody、Isight、GDEM、SIEMENS STAR-CCM+等商业软件。 随着工程仿真技术不断迭代,本书肯定还有诸多需要优化之处,敬请广大仿真用户批评指正。 北京赋智工创科技有限公司 技术创新中心
第一篇 车俩应用篇 001 案例1 车身多学科性能集成优化 002 1.1 引言 002 1.2 技术路线 002 1.3 技术手段 003 1.3.1 参数化车身建模 003 1.3.2 基于参数化模型的多学科仿真优化平台 005 1.3.3 车身多学科性能集成优化 006 1.4 结果分析 007 1.5 项目意义 007 案例2 基于多学科的某型轻混商用车车架轻量化仿真分析 008 2.1 引言 008 2.2 技术路线介绍 009 2.2.1 VPG 技术应用 009 2.2.2 尺寸与形状联合优化技术 010 2.2.3 超单元、复合材料在尾横梁的应用 010 2.2.4 多学科联合仿真校核 011 2.3 轻量化优化设计 012 2.3.1 车架有限元模型建立 012 2.3.2 基础方案与轻量化优化方案对比 012 2.3.3 弯扭模性能 013 2.3.4 疲劳耐久性能 014 2.4 总结 014 参考文献 015 案例3 AI 技术实现新能源电池包公差仿真分析 016 3.1 工程问题描述 016 3.2 分析流程 017 3.2.1 公差仿真的基本假设 017 3.2.2 三维公差仿真建模流程介绍 017 3.2.3 电池包上下壳建模过程描述 018 3.3 特色与优势 022 案例4 发动机活塞热疲劳数值模拟研究 023 4.1 引言 023 4.2 技术路线 023 4.3 仿真计算 024 4.4 结果分析 025 参考文献 026 案例5 分布式电动汽车控制策略研究 027 5.1 设计流程 027 5.2 CarSim 整车配置 027 5.2.1 CarSim 整车参数配置 027 5.2.2 Simulink 和CarSim 联合仿真模型搭建 027 5.3 Simulink 建模 028 5.3.1 信号处理 028 5.3.2 车辆状态估计 028 5.3.3 Dugoff 轮胎模型 030 5.3.4 控制目标期望值 031 5.3.5 模糊控制器的设计 031 5.3.6 附加转矩分配 032 5.4 控制策略仿真及其分析 033 参考文献 034 案例6 排气歧管热应力仿真分析 035 6.1 引言 035 6.2 技术路线 035 6.2.1 模型简化原则 035 6.2.2 计算方法 036 6.2.3 拟解决的问题 036 6.3 仿真计算 036 6.3.1 物理模型 036 6.3.2 计算过程 036 6.4 结果分析 038 6.4.1 结果展示 038 6.4.2 结论 039 参考文献 039 案例7 赛车摇臂仿真与优化 040 7.1 引言 040 7.2 技术路线 040 7.2.1 初步建模 040 7.2.2 装配 040 7.3 仿真分析与优化 041 7.3.1 材料选择 041 7.3.2 预处理 041 7.3.3 载荷步和边界条件的施加 041 7.3.4 仿真结果(两种材料对比) 042 7.3.5 静力学拓扑优化 042 7.3.6 动力学拓扑优化 043 7.4 总结 043 第二篇 航空航天应用篇 044 案例8 第四代多用途协同空战无人机——飞将 045 8.1 引言 045 8.2 设计流程 045 8.3 设计创新点 047 8.4 设计方案 048 8.4.1 作战构型 048 8.4.2 前体设计 049 8.4.3 涡流迹分析和边条设计 051 8.4.4 起落架设计和总体布置 052 8.4.5 前三点式起落架配置形式及参数选择 052 8.4.6 起落架布置方案 053 参考文献 055 案例9 X 语言及其建模仿真系统 056 9.1 X 语言的研发背景 056 9.2 X 语言 058 9.3 案例 061 9.3.1 模型背景 061 9.3.2 模型建立 061 9.3.3 模型解析与仿真 062 案例10 基于数字孪生的飞机机翼强度预测系统开发 064 10.1 引言 064 10.2 技术路线 064 10.3 仿真计算 065 10.3.1 FEM 模型创建 065 10.3.2 载荷取样 065 10.3.3 载荷识别 066 10.3.4 FEM 模型降阶 066 10.3.5 预测系统 067 10.4 结果分析 068 10.5 成果应用 068 参考文献 068 案例11 基于自主创新主题的C919 融合式翼梢小翼的减阻优化设计 069 11.1 引言 069 11.2 技术路线 070 11.3 仿真计算 070 11.3.1 模型构建 070 11.3.2 主要参数设置 071 11.3.3 主要操作设置 071 11.4 结果分析 072 案例12 低排放燃气轮机燃烧室燃烧流场及结构应力仿真 074 12.1 引言 074 12.2 模型燃烧室设计特点及结构介绍 075 12.3 模型燃烧室大涡模拟数值研究 076 参考文献 077 案例13 航空发动机叶片外物损伤模拟研究 078 13.1 研究背景 078 13.2 J-C 模型的建立及校核 078 13.2.1 模型参数有限元验证——准静态拉伸 079 13.2.2 模型参数有限元验证——动态霍普金森压杆压缩 080 13.3 模拟件外物冲击损伤模拟验证 081 13.4 发动机叶片外物冲击损伤模拟 085 13.5 研究总结 086 参考文献 087 案例14 低温下主镜支撑平台微小变形分析 088 14.1 引言 088 14.2 技术路线 088 14.3 仿真计算 089 14.4 结果分析 093 案例15 运载火箭整流罩分离系统动力学特性仿真分析 094 15.1 引言 094 15.1.1 火箭整流罩的功能与分离方式 094 15.1.2 火箭整流罩分离失败案例 095 15.1.3 火箭整流罩分离国内外研究现状 095 15.2 技术路线 096 15.2.1 火箭整流罩分离设计目标 096 15.2.2 三维模型建立 096 15.3 仿真计算思路 097 15.4 结果分析 098 15.4.1 分离过程 098 15.4.2 分离速度、角速度 098 15.4.3 整流罩呼吸运动 099 15.4.4 聚能射流切割效果影响因素探讨及药形罩优化设计 099 15.4.5 作动器工作过程仿真 100 15.4.6 分离时序优化设计 101 参考文献 101 案例16 火星探测车车轮结构强度、疲劳及振动特性分析 102 16.1 引言 102 16.2 技术路线 103 16.3 数值仿真计算 103 16.3.1 数值计算前处理 103 16.3.2 力学数值分析 105 16.3.3 数值后处理 107 16.4 结论 110 参考文献 111 案例17 配平翼展开过程动力学分析及冲击响应 112 17.1 引言 112 17.2 技术路线 113 17.2.1 机械设计 113 17.2.2 理论模型 114 17.3 仿真计算 117 17.3.1 有限元模型建立 117 17.3.2 仿真计算流程 117 17.4 结果分析 118 17.4.1 仿真结果验证 118 17.4.2 背罩影响分析 119 17.5 结论 121 参考文献 121 案例18 返回式航天装备水域回收系统仿真预示 122 18.1 引言 122 18.2 技术路线 123 18.2.1 基本理论 123 18.2.2 仿真模型建立 124 18.2.3 计算模型及边界条件 124 18.2.4 流体材料和状态方程 125 18.3 结果分析 125 18.3.1 流体压力静平衡 125 18.3.2 气囊及航天器结构体的入水过程 126 18.3.3 流体与气囊的相互作用 128 18.4 结论 129 参考文献 130 第三篇 地质土建应用篇 131 案例19 大跨度膜结构风载体型优化和流固耦合分析 132 19.1 引言 132 19.2 技术路线 133 19.2.1 设计全过程仿真应用 133 19.2.2 风载体型优化 134 19.2.3 结构仿真模型 134 19.2.4 流固耦合分析 136 19.3 仿真计算 136 19.3.1 有限元建模 136 19.3.2 流体建模 136 19.3.3 流固耦合设置 137 19.4 结果分析 138 19.4.1 气弹性试验对比 138 19.4.2 实际工程应用 140 参考文献 141 案例20 自复位摩擦阻尼器数值试验及工程应用 142 20.1 引言 142 20.1.1 研究背景 142 20.1.2 自复位摩擦阻尼器简介 142 20.2 自复位摩擦阻尼器数值仿真 142 20.2.1 模型建立 142 20.2.2 仿真试验 143 20.2.3 阻尼器仿真结果与阻尼器-摩擦弹簧连接单元对比 144 20.3 工程应用数值仿真 145 20.3.1 工程应用模型 145 20.3.2 结构抗震性能 146 20.4 结论 147 案例21 高层建筑施工高坠柔性综合防控系统仿真分析 148 21.1 引言 148 21.1.1 施工高坠事故 148 21.1.2 柔性防护技术 149 21.2 技术路线 149 21.2.1 系统设想 149 21.2.2 技术难点 151 21.2.3 解决方案 151 21.3 仿真计算 154 21.4 结果分析 155 参考文献 157 案例22 基于山体滑坡防灾减灾主题的“复兴号”列车线路选址问题 158 22.1 引言 158 22.2 项目背景 159 22.3 技术路线 159 22.3.1 设计思路 159 22.3.2 关键技术 159 22.4 仿真计算 160 22.4.1 三维建模 160 22.4.2 操作步骤 160 22.5 结果分析 161 22.5.1 山体滑坡运动特征 161 22.5.2 涌浪运动特征 162 22.6 工程意义 162 参考文献 163 案例23 川藏铁路沿线高位远程地质灾害综合柔性防护技术 164 23.1 引言 164 23.2 方案提出 166 23.2.1 工况介绍 166 23.2.2 防护思路 166 23.3 仿真技术 167 23.3.1 关键单元 167 23.3.2 非线性接触 168 23.4 结果分析 168 参考文献 170 案例24 基于三维地质建模的公路桥梁岸坡全寿命周期稳定性研究 171 24.1 问题的发现 171 24.2 三维模型构建技术 172 24.3 全寿命周期稳定性分析思路 173 24.3.1 桥梁岸坡全寿命周期各分析阶段划分 173 24.3.2 桥梁岸坡全寿命稳定性分析 173 24.4 方法的应用延伸 174 24.4.1 弃渣场边坡稳定性分析 174 24.4.2 基于倾斜摄影三维地质建模的崩塌防治设计 175 参考文献 177 案例25 海底围岩高压水压裂微细观裂隙演化研究 178 25.1 引言 178 25.2 海底围岩SEM 扫描图像处理 178 25.3 基于Cohesive 单元的水力裂隙扩展模拟 180 25.3.1 流体流动方程 180 25.3.2 压裂液流动方程 180 25.3.3 压裂滤失方程 181 25.3.4 模拟参数 181 25.3.5 模拟方案 181 25.3.6 仿真过程 181 25.4 结果与讨论 182 25.4.1 模拟结果与实验结果对比 182 25.4.2 裂隙网络发育特征 182 25.4.3 后期应用前景 183 参考文献 184 案例26 远距离保护层开采覆岩应力演化规律研究 185 26.1 引言 185 26.2 主要研究内容和技术路线 186 26.2.1 主要研究内容 186 26.2.2 技术路线 186 26.3 模型的建立及计算 186 26.3.1 数值模型的建立及参数选取 186 26.3.2 初始化地应力 188 26.4 结果分析 189 26.4.1 丁组戊组煤层开采数值模拟 189 26.4.2 己组煤层开采数值模拟 191 26.4.3 戊9,10-21070 开采数值模拟 193 案例27 多矿物组分页岩水压裂缝扩展仿真及分析 196 27.1 研究背景 196 27.1.1 研究非均质性的必要性 196 27.1.2 操作工具 196 27.2 水力压裂流固耦合模型及参数反演 196 27.2.1 水力压裂流固耦合模型 196 27.2.2 矿物界面双线性内聚力模型 197 27.3 页岩水力压裂建模流程及参数 198 27.3.1 几何模型边界条件及模型参数 198 27.3.2 具体操作流程 199 27.4 矿物界面刚度对页岩水力压裂的影响 201 27.4.1 不同矿物界面刚度下裂缝形态 201 27.4.2 不同矿物界面刚度下应力场特征 202 27.4.3 不同矿物界面刚度下位移场特征 202 27.5 矿物界面刚度对页岩水力裂纹扩展规律的影响 203 27.6 主要结论 204 参考文献 204 案例28 基于CFD-DEM 耦合的大尺度隧道断层破碎带突水突泥模拟方法 205 28.1 引言 205 28.2 技术路线 205 28.3 仿真计算 206 28.3.1 SolidWorks 的建模与保存 206 28.3.2 网格划分与流体域设置 206 28.3.3 EDEM 设置 208 28.3.4 EDEM-CFD 单向耦合设置 213 28.4 结果分析 213 参考文献 214 案例29 连续充填开采覆岩矿压显现数值模拟研究 215 29.1 引言 215 29.2 技术路线 215 29.3 仿真计算 216 29.4 结果分析 218 29.4.1 静态结构分析 218 29.4.2 Y 轴位移分析 218 29.4.3 Y 轴应力云图分析 219 29.4.4 X 轴应力云图分析 219 29.4.5 接触应力分析 220 29.4.6 等效应力分析 220 29.4.7 弹性应变云图分析 222 29.5 结论 222 参考文献 223 案例30 地面应急救援车载钻机钻架力学行为研究及改进初探 224 30.1 引言 224 30.2 技术路线 224 30.3 仿真计算 224 30.4 结果分析 227 30.4.1 静态结构分析 227 30.4.2 预应力模态分析 228 30.4.3 静态改进结构分析 229 30.5 结论 229 参考文献 229 第四篇 工艺应用篇 230 案例31 疲劳失效多尺度仿真研究 231 31.1 引言 231 31.2 技术路线 231 31.3 仿真计算 232 31.3.1 宏观疲劳试验仿真 232 31.3.2 微观疲劳裂纹萌生仿真 234 31.4 结果分析 236 案例32 纪念币压印成形仿真软件开发 238 32.1 软件开发背景和定位 238 32.1.1 研究背景和意义 238 32.1.2 国内外现状 239 32.2 方案设计和技术路线 239 32.2.1 技术路线 239 32.2.2 设计方案 240 32.2.3 求解器模块 240 32.2.4 软件系统主界面 240 32.3 仿真计算 241 32.3.1 坯饼参数设置 241 32.3.2 有限元模型的建立 241 32.3.3 坯饼的材料 241 32.3.4 仿真工艺参数设置 242 32.4 结果分析 242 32.4.1 应力分布 242 32.4.2 材料流动 242 32.4.3 时间效率对比 243 参考文献 243 案例33 蛇形同步协同轧制高锰钢板工艺与装备研究 244 33.1 引言 244 33.2 建立轧制过程工艺模型 244 33.2.1 仿真方案 244 33.2.2 蛇形轧制与同步轧制咬入条件 245 33.2.3 材料属性和边界条件 246 33.2.4 工艺参数和仿真模型 246 33.3 仿真结果分析 247 33.3.1 不同厚度高锰钢板蛇形轧制与同步轧制对比 247 33.3.2 不同辊速比和错位量下蛇形轧制渗透性对比 248 33.3.3 同步轧制修正板形 249 33.4 蛇形同步协同轧制工业装备与工艺设计 249 33.5 结论 250 参考文献 251 案例34 AZ31 镁合金管材绕弯成形工艺数值仿真 252 34.1 研究背景与意义 252 34.2 有限元建模过程 253 34.3 仿真结果分析 254 34.3.1 Mises 应力分析 254 34.3.2 等效应变塑性分布 255 34.3.3 管材壁厚分布 255 34.4 结论 256 参考文献 256 案例35 煤烃合成气直接制高值化学品过程中旋风分离器的模拟 257 35.1 引言 257 35.2 旋风分离器的结构 257 35.2.1 旋风分离器的优点 258 35.2.2 旋风分离器的不足之处 258 35.2.3 旋风分离器原理 258 35.3 模型构建 259 35.4 数值模拟 259 35.4.1 背景方法 259 35.4.2 颗粒分布 259 35.4.3 气相场性能条件设置 260 35.4.4 分析结果 261 35.5 结论 262 参考文献 262 第五篇 能源动力应用篇 263 案例36 微通道换热器扁管优化设计 264 36.1 引言 264 36.2 技术路线 265 36.3 仿真计算 265 36.3.1 材料参数 265 36.3.2 网格划分 265 36.3.3 载荷及边界约束 266 36.3.4 原结构分析结果 266 36.4 优化分析 267 36.4.1 参数设置 267 36.4.2 优化变量 267 36.4.3 优化目标 267 36.4.4 优化约束 267 36.4.5 优化算法 268 36.4.6 优化结果 268 参考文献 269 案例37 纵向波纹圆柱壳的屈曲分析 270 37.1 引言 270 37.1.1 海洋开发与深潜器发展现状 270 37.1.2 潜艇耐压壳简介 270 37.2 圆柱壳屈曲分析技术路线 271 37.3 圆柱壳几何模型设计 271 37.4 计算条件分析 272 37.4.1 边界条件分析 272 37.4.2 有限元计算方法选择 272 37.5 仿真计算 272 37.5.1 耐压壳几何建模 272 37.5.2 网格划分 272 37.5.3 边界条件 272 37.6 结果分析 273 37.6.1 理论解对比 273 37.6.2 屈曲结果分析 273 案例38 分布式草原公路用风力发电机整机结构强度、疲劳及振动特性分析 275 38.1 引言 275 38.2 技术路线 276 38.3 仿真计算 276 38.3.1 前处理 276 38.3.2 计算 277 38.3.3 后处理 280 38.4 结果分析 282 38.4.1 各部件静力学分析 282 38.4.2 各部件模态分析 284 38.4.3 研究总结 285 参考文献 285 案例39 树脂基复合材料风扇叶片结构铺层优化设计 286 39.1 项目背景 286 39.2 技术路线 286 39.3 仿真与分析 287 39.3.1 建模方法验证 287 39.3.2 复合材料风扇叶片建模仿真与分析 289 39.3.3 材料风扇叶片结构优化 292 参考文献 292 案例40 高效低阻低成本印制电路板式换热器 294 40.1 引言 294 40.2 技术路线 296 40.3 仿真分析 298 40.4 结论 300 参考文献 300 案例41 基于格子玻尔兹曼方法的流体仿真软件(FlowJSU)面向燃料电池水热管理优化 301 41.1 引言 301 41.2 技术路线 302 41.3 仿真计算 302 41.3.1 控制方程 302 41.3.2 边界条件 303 41.4 结果分析 303 41.4.1 模型验证 303 41.4.2 燃料电池双极板流道排水性能优化 303 41.4.3 燃料电池气体扩散层水管理优化 304 41.4.4 低温环境下燃料电池气体扩散层热管理优化 304 案例42 受限空间内燃料燃烧减阻特性数值仿真研究 306 42.1 引言 306 42.2 技术路线 307 42.2.1 设计思路 307 42.2.2 技术方案 307 42.3 仿真计算 308 42.3.1 数值模拟方法的验证 308 42.3.2 带有后向台阶的二维等直冲压流道数值模拟 309 42.3.3 超燃冲压发动机数值模拟方法/网格无关性校验 309 42.4 结果分析 310 42.4.1 带有后向台阶的二维等直冲压流道数值模拟 310 42.4.2 不同来流状态下受限空间内燃料燃烧减阻规律研究 312 42.4.3 三维超燃冲压发动机模型仿真结果 313 参考文献 315 案例43 双碳赋能流态化智能开采 316 43.1 数值方法 316 43.2 研究思路 316 43.3 数值模拟流程 317 43.4 数值仿真结果 317 43.5 工况参数优化 318 案例44 池壁效应对水平轴潮流涡轮水动力性能的影响分析 319 44.1 引言 319 44.2 技术路线 320 44.3 仿真计算 320 44.3.1 边界条件与网格划分 320 44.3.2 仿真操作步骤 321 44.3.3 模型试验 324 44.4 结果分析 324 44.4.1 数值仿真方法验证 324 44.4.2 池壁效应对潮流涡轮水动力性能的影响 324 44.4.3 池壁效应的修正 327 44.4.4 池壁效应对潮流涡轮流场影响分析 327 44.5 结论 331 参考文献 331 第六篇 其他篇 332 案例45 基于AnyBody 仿真技术探究膝关节的生物力学特征 333 45.1 引言 333 45.2 技术路线 334 45.3 仿真计算 334 45.4 结果分析 335 45.4.1 运动学分析 335 45.4.2 动力学分析 336 45.4.3 运动模式分析 337 参考文献 337 案例46 液舱晃荡及浮板制荡机构分析 338 46.1 研究现状 338 46.2 技术路线 338 46.2.1 理论依据 338 46.2.2 模型调试 339 46.2.3 模型验证 339 46.3 仿真计算 340 46.4 结果分析 341 46.4.1 液舱晃荡的共振现象 341 46.4.2 浮动挡板的制荡效果 341 参考文献 344
ISBN:978-7-122-44798-2
语种:汉文
开本:16
出版时间:2024-09-01
装帧:平
页数:344