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相关日志

复杂系统、仿真与经济学
热度 4 estudy 2012-5-20 20:09
内容没有标题这么大的，只是把最近想到一些东西放在一起。 复杂系统理论 那些最热心研究这个领域的人一般叫它“复杂科学complexity science”，总觉得还是大了点——似乎这个范式还不太清晰——还是叫“复杂系统理论complex systems theory”比较保险。复杂系统不算全新的东西，可以看作是系统论的一个部分。系统讲的是由一些个体individual（局部part）组成的总体aggregate（全部whole），强调总体的功能和属性大于个体的总和。因此个体和总体之间不是简单的线性关系，不能一一映射map。从个体到总体多出来的这部分属性就是涌现emergency，是在一定条件下，因个体和个体之间的相互作用interaction而产生的。大致可以想象：系统可以简化的看成有三个要件：individuals agents，aggregate pattern，emergency（由individuals 的interaction产生）。复杂系统就是关注系统中的interaction这部分，此外的部分可以简单的认为就是从个体到总体可以映射和加总的部分——这是还原论的看法（复杂的现象可以化解为各部分的组合来理解和描述）——但现在看来，这不是决定复杂现象属性的主要部分，现象的特征和变化规律主要地由interaction来决定。 这和经济学的直接关系在哪里？现在主流经济学的一个主要问题把总体变量看成是个体变量的加总，例如在它的逻辑中，aggregate demand是 (individual) demand的总和，这就完全忽略了消费者之间的相互作用。而有些现象是只有Aggregate level才有的，individual level没有，例如失业和通胀，其实这就是涌现，为了处理这些问题，经济学就不得不把现象分成微观和宏观两个level还考察，于是有了宏观和微观经济学之分——宏观经济学就是凯恩斯为了分析失业和通胀这些只有在aggregate level才存在的涌现的现象而创造的，刚才说过这些interaction所导致的涌现的部分主要地决定现象的属性，所以就失业和通胀是宏观经济学主要的issue。当然不仅如此，为了保证这种还原论方法论下数学逻辑的通行，主流经济学又不得不对individual的属性、市场（individual运动的环境）的属性以及经济行为发生的规则等做了必要的界定，于是又有了理性经济人、完全竞争市场、最优化等等这样的假设。 这么说没有抨击主流经济学的意思，作为一个比较完善和成熟的体系，它有很多可取之处，如果说要有什么变化（或这变革），还是应该以这个体系的内容为主。要知道，目前从复杂性角度研究经济学最深入的还是主流经济学家。 仿真技术 也有人叫“仿真科学simulation science”，还是觉得目前它主要是个技术。仿真技术可以说是目前研究复杂系统最合适的方法，一般认为是建模modelling方法的一种。实际上也不是什么新东西，只是由于复杂系统的研究，有了更多的关注，也就有了更快的发展。仿真是有些不用于演绎和归纳的解释现象的方式，它把主体agent、他们行为的规则rule及运行的环境定义出来，模拟现象发生的过程，它的逻辑是生成generate就是解释explain。作为一种通过数学模型和计算机模拟来完成的模拟实验，在诸多领域都有应用，自然科学中往往和观察实验和控制实验结合在一起，社会科学通常做不了观察实验或控制实验，仿真就成了理想的实验方式。仿真的技术也有很多中，目前在社会科学中最常用、最适用的莫过于Agent-based modelling(ABM)和System dynamics，其中ABM更底层、更灵活，所以用得更加广泛。 在经济学中，虽然实验经济学是在做观察实验和控制实验，但是十分有限，仿真就成了一种依靠电脑就能完成的廉价、可控的实验方式，于是ABM开始广泛应用到经济学的研究中，出了Agent-based computational economics (ACE) 这个学科。由于这个框架非常灵活，经济行为主体、运行环境、行为规则等都可以根据需要界定，完全突破了数学模型的种种限制，因此有可能在这个框架下放开主流经济学所做的各种假设，对经济现象作出新的解释，解决主流经济学由于与现实脱离所面临的一些问题。 尽管发展非常迅猛，但是当前仿真、ABM也面临着诸多问题，最大的挑战来自建模的一般范式，由于这个框架非常灵活，每个建模者都可以agent、rules和运行环境给出不同的界定，这样就难以形成一个具有一般性的范式，模型之间没有可比性。另外模型参数的校对Calibrate也有一定难度。
个人分类: 经济思维|7101 次阅读|14 个评论
[转载]仿真在日常生活中无处不在
NathanUFO 2012-1-25 19:30
No1 ： 尿不湿 可怜天下父母心。不当爹妈哪知当爹妈的辛苦啊，现在尿片是越来越少用了，纸尿裤用的越来广泛。可怜的小盆友们，纸尿布哪儿有尿片舒适啊？还好，这个问题尿片大王们早就着手解决了。目前 Kimberly-Clark 和 PG 都投入大量的资源去研发更舒适的纸尿布，实验和调查是重要一环，仿真也占据着重要的角色。通过检测尿布和肌肤的接触压力得出尿片的舒适度，进而改进。 宝宝们，快点长大吧，早日摆脱尿不湿，替父母省省吧，尿不湿很贵的哦。 No2 ： 口罩 “ 轻度 ” 大概是 2011 特色词语之一。下面小子用轻度造句，北京空气轻度污染， PM2.5 轻度超标。我去，都爆表了，还轻度超标。口罩如今成为京城街头一景了，甭管有事没事，戴上口罩，时尚 ！ 刨去时尚，口罩的重要属性就是密封性，没有密封性的口罩您戴着不嫌憋屈么？还好，通过仿真，在口罩定做之前就可以仿真模拟出口罩的密封程度。 Kimberly-Clark 就是这么干的，通过扫描人体在不同状态下的脸型，然后加上口罩， Look ，不仅口罩的密封性的出来了，口罩的舒适度也可以求解出来。 No.3 足球 每个周末，全球都会多出数以亿计的失落群体 —— 足球寡妇。足球，作为世界第一运动，所向披靡。小子劝诫各位女同胞们，平时你们可以霸占遥控器，看你们的肥皂剧，周末最好最好能出让下你们的指挥棒，肥皂剧，你完全可以在网上看到，足球，那可是直播，要得就是那种对下一秒期待的感觉，如果知道结果那还有什么意思呢？当然，最好的结果是你加入他一起看，西方商人不都说： “ 竞争不过对方，就加入对方 ” ，我向党保证男同胞都会展开热情的双臂欢迎。 现代足球在巴萨的影响下，虽然慢慢转向技术流，讲究团体配合，但是不可否认，力量一项是足球中最重要的因素，英格兰对自所以长期能够占据世界一流地位，和其队员身体之彪悍，力量之强大似乎分不开的。这对足球本身的要求也越来越高，如果在某些重要比赛中足球要是被踢爆了，那就要掉的大了，对品牌的影响损害是巨大的。 作为 FIFA 长期合作伙伴， Adidas 长期资助研究足球受力分析，研究足球球囊在不同材料下，外表面编制材料在不同编织方向下足球受力及变形，以期研发出更加优秀的皮球。 No.4 人造草皮 现代足球越来越趋向于商业化，在电视转播的干预下，足球必须是全年全天候的。在任何天气的情况，裁判都必须吹响比赛开始的哨音。越来越多的足球场开始采用人造草皮，不仅方便而且保养也便宜。荷兰 Royal TenCate 是全球最大的人造草皮研发中心，北京奥运会曲棍球比赛的草皮就是由该公司提供。通过对人造草皮的有限元模拟，不仅可以得出运动员在场上站立奔跑的时候草皮的下陷，而且可以计算出草皮在足球撞击之时球体弹起的高度，及颗粒的飞溅。 No.5 衣服 衣不蔽体，在万恶的旧社会，那是党国的罪恶。旧社会里，穷人穿不上衣服，《暴风骤雨》里有一个穷人就叫赵光腚，问题是人家也不想啊。现在倒好，如今这衣服反成了累赘了，以前是露的越少越好，现在露的太少还不行，君不见网络上岂不是横肉满天飞， HR （豪乳）满地走，甚至每年都要爆出几起裸奔才罢休，这是肿么了？ 或许他们觉得想要恢复上古之前的生活，抑或仿效东晋刘伶般 “ 天为被，地为席 ” 的豁达，又或者只是觉得衣服还是不太贴身的原因吧。第一二个的原因没法解决，有些人非要露，人各有志，小子尊重他们行为，如果是第三个原因，那些时装公司罪莫大焉。 现代衣服除了美观的作用，质量要好，而且好必须舒适。以前的服装公司会考虑用压力测试设备测试衣物的舒适程度，不过如今他们也开始考虑用 CAE 分析去提前预判了。 东洋纺（ Toyobo ）公司就利用 CAE 软件和假人模型，分析编制衣物在上身后，提取衣物上的接触压力，可以判断衣物舒适程度。甚至还可以计算人体在行走过程中，衣物之上产生的拉力。 No.6 鞋子 小子是一个随便的人，对衣着固然不多。普普通通，能穿的出去就行。但是千里之行，始于足下，一双舒适的鞋倒是必须的。虽然 F 兄说，男人必须有一双 Ferragamo 的鞋，于小子来说， Ferragamo 鞋太遥远了，李宁就不错。选择李宁第一是出于对冠军李宁的崇拜，其次，小子知道李宁在研发成本上的投入，第三，三番几次通过 Jason 和余兄拿到李宁内部的折扣价，不甚感激啊。 鞋子固然好看是第一位，但是对于厂商来说，如果更好的保护脚步也是他们关注的重点。诸君在专卖店挑选鞋子之时，看到的可能只是鞋子样式，花色和宣传概念，看不到的是背后研发人员的辛苦。实际上鞋子在上市之前都是经过严格的设计和实验。通过生物力学和材料力学的深入研究，结合 CAE 分析，可以计算奔跑，起跳，下落时候收到的冲击，以减缓踝关节受伤的可能性。 其实仿真还有很多好玩的事情，比如男士们每天都要的剃须刀，飞利浦 公司会用 COMSOL 模拟剃须刀刀头，优化刀头的设计。名流绅士们用的高尔夫球具等等。限于篇幅，就瞎掰这么多了。
个人分类: 生活百科|3065 次阅读|0 个评论
迎接2012：留学经历小结
热度 37 estudy 2012-1-1 07:39
　　按照我所在的零时区的时间，再过不到8个小时就是2012年，此时最想通过总结过去来迎接新年。 　　2011年9月开始的留学生活是我更喜欢过的一种生活，因为能够更直接地朝自己的理想走。而过去四个月的经历更让我意识到这次远行对于自己一直所梦想的事情，甚至对我的人生将产生怎样重要的影响，所以我想对这段不长的经历做个总结。 学术：发现复杂科学 　　跨越大洋来到异国他乡，而且一呆就将是四年，我的主要目的就是学术。其实来之前和来这里后的第一个月里，我对于所在的实验室到底研究什么、自己将要从事什么样的研究并不清楚。而根据和导师一起敲定的培养计划，第一学期我的主要任务是学习课程，所以大部分时间都花在课业上，做科研的时间很少。但是由于要尽早确定研究主题，特别是为了给第一次DSP（Doctoral Studies Panel）会议做准备，我还是阅读了不少文献。起初是导师推荐的关于计算经济学（Computational Economics）研究方法的文献，涉及基于主体模型（Agent-based Model）。后来自然就读到了关于复杂系统（Complex System）的文章，我很快被这个领域的话题所吸引，随即集中查阅了不少复杂科学（Complexity Science）、仿真（Simulation）和基于主题建模（Agent-based Modeling，简称ABM）的文献，还跟导师和实验室的几位博后做了些交流。因此在11月25号DSP会议的前两周，我已经对刚才提到的这些几乎每天都能听到的概念及它们之间的关系有了一定了解，开始意识到复杂科学及其研究方法对经济学的意义、正统经济学（我们把当前以新古典经济学为代表的、以计量经济学作为主要研究方法的主流经济学称为正统经济学或传统经济学，以区别于我们正在从事的复杂科学语境中的经济学）与复杂科学视角下的经济学的区别和现状，同时对我们这个动态学实验室（Dynamics Lab）所从事的研究也有了更清楚的认识（我们用和大多数社会科学研究者不同的角度和方法来研究经济学和社会学）。 　　这让我一下子意识到，自己算是来对地方了！因为一直以来，我都梦想用一种不同于当前流行的计量经济学的方法研究经济——即使是世界上最优秀的以计量和数理为主要研究方法的经济学家，以及经济学数理化、计量化的开创者们也已经意识到，经济学已经因为过分数学化而逐渐变成了纯粹的逻辑演绎游戏。就像科斯、蒙代尔、张五常等人谈到过的那样，由于脱离现实太远，空洞无物的经济学正在走向穷途末路（应该是这样的意思，具体说法记不清了）——逐渐回归经济学解释现实的传统。以复杂系统来看待经济世界无疑更忠于实际，在这个背景下，能够真正变完全理性假设为有限理性假设，真正变静态、相对静态分析的方法为动态、进化分析的方法，变均衡分析为非均衡、稳定性分析，同时有望真正消除宏观经济和微观经济之间的鸿沟，解决宏观经济学的微观基础问题，几乎所有长期困扰经济学的重大理论问题都能够在这个分析框架下找到更好的答案。可以说，复杂科学这门发端于自然科学（物理学和生物学）的学问提供了医治经济学脱离现实病症的良方，也给经济学诸多分支领域的研究注入了新的生机。 　　仿真的研究方法以及集中体现它的ABM建模方法也是对传统的计量研究方法的突破。事实上，圣诞节以前我还对这一方法能否很好服务于复杂科学和能否走得更远心存疑虑，但是最近读到的一些文献让我了解到ABM在方法论意义上还是十分完善的、有着很强的生命力，随着计算机科学和模拟技术的发展，我想这一方法一定会更加成熟并逐步展现出它的在解释现象中的优越性。ABM区别于计量模型的主要特征是它更加灵活、更加直观，它不是用数学表达式来描述现象，而是通过图形、动画等直接模拟出现象本身及其变化过程，还通过调整参数来改变现象的运行方式，研究结论也能够直观地呈现出来，它还能够更方便的描述多个行为主体的现象和更好地模拟动态过程。因而，ABM方法能够比计量方法更忠实地反映现实，更客观准确地解释经济。 　　发现复杂科学和仿真方法是我这几个月最大的收获，因为我找到了自己最想做的研究。尽管第一次DSP会议至今，我还没有能够完全确定研究主题——只知道要用ABM方法去研究自然资源问题，可能需要运用进化博弈理论（Evolutionary Game Theory）的知识——但我知道自己今后做的工作会很有意义，我对此充满了激情和信心。 学习：知识是研究的工具 　　刚刚过去的这一学期我学习了5门课程，这本身就值得说一说。听说在都柏林大学还没有哪个专业的博士需要上这么多课程，目前只有我们仿真科学（Simulation Science）博士项目的十几个博士平均每人必修8、9门课程（一般3个学期完成）。和我一批过来的20多个公派博士中我的课程是最多的，有些工科的博士甚至一门课也不要求上。我想这可能是因为仿真科学是一个交叉学科，涉及物理、数学、计算机、生物、经济学、社会学等好几个学科（我们这个项目的十几个博士就都是来自这几个专业的，其中经济学、社会学方面的包括我在内共有3人），所以每个学生都需要学习其他几个专业的课程。这学期的5门课程是关于数学方法和编程工具的：数值算法（Numerical Algorithms，运用Matlab软件）、随机方法（Stochastic Methods）、数学方法（Mathematical Methods，包括三部分：动态系统Dynamic System、摄动理论Perturbation Theory、图论Complex Network Analysis）、C++编程（C++ Programming）和R编程（R Programming Language）。说老实话，作为一个纯社会科学背景的学生，学好这些课程对我是个不小的挑战，何况还要适应英语的教学环境（课堂用语、板书和PPT、老师的口音等）。我的导师可能看出了这一点，所以开课4周以后就组织任课老师（也是整个博士项目的负责人）和我座谈了一次，了解我学习中遇到的困难，鼓励我、告诉我一些学习方法（这让我非常感动，第一次感受到有人这么关心我的学业）。而那时我已经在能够比较好地跟上老师上课的节奏了，有一点基础的课程能够听懂80%以上，没有基础的课程也能听懂60%以上。尽管一直都学得比较艰难，但是随着做了更多的练习、更多地和同学讨论，我能够越来越好地掌握这些课程，同时开始思考怎样把各门课程中所学到知识和方法运用到自己的研究中去。 　　得益于对复杂科学和ABM方法的更多认识，DSP会议后我开始意识到，原来我现在学的课程都是为将来的研究服务的。《数值算法》教我用Matlab这个最强大的、具有编程功能的数学软件，同时讲授一系列重要的算法（从解一元一次方程组到高次方程组）和机器进行数学运算的缺陷及克服缺陷的方法，帮助我将来运用这个强大的工具来进行模拟和仿真。在《C++编程》中我学习的是最基本也是最重要的编程语言，C++的编程原理能够运用于几乎所有编程软件中，同时它本身具有从事复杂仿真的功能。R编程工具则是在社科研究领域最强大的统计分析、计量分析和编程的工具之一，它完全可以替代Eviews、STATA、SPSS这些当前最流行的软件。《随机方法》讲授了所有离散和连续的时间和状态的组合下随机变化的原理及其模拟方法，它能够帮助我处理所有现象中随机部分的问题。《数学方法》给复杂科学的研究提供了理论基础，第一部分中的动态系统本身就是复杂科学研究的环境，它教会我计算稳定点（Stability）和讨论稳定点的分岔问题（Bifurcation）；第二部分《摄动理论》（坦白说我学得不太好）讲授的是在通过近似的方法解决那些不能精确解决的数学问题，它的做法在可以得到精确解的数学问题中增减一个微小的变化（这就是摄动）来表示那些没有精确解的数学问题，从而通过解决那些可以得到精确解的问题来解决没有精确解的问题（有点拗口，但逻辑是这个样子的）；第三部分《图论》处理的是复杂网络问题，而网络是模拟复杂系统最常见的表现形式，其中还运用到《随机方法》的知识分析网络的动态过程。 　　你看，这哪一门课程不是为了将来的研究服务的（汗！我刚开始的时候还觉得这些课程没多大用，甚至产生过调整课程安排的念头）？这给我几点启示：一、知识是我们从事学术研究的工具，因此既不要一味做研究而忽略了摄取新知，也不要为了知识而知识、为了学习而学习。二、用复杂科学的方法来研究经济学，虽然避开了数理经济方法中可能用到的数学知识，但是总体而言，所需的数学知识不一定是减少了，倒有可能是增加了。但是数理经济方法中的数学主要用来做推理演绎，而复杂科学方法中的数学主要是用来做仿真模拟。如果还加一点启示的话，那就是学会构建知识体系，一门课程有其内部结构可成体系，课程之间也有相互联系可以构建更大的知识体系，一生所学由许多学科的知识组成，这也可以构建成一个人生的知识体系。当然，做科研，最直接的还是围绕自己的研究主题构建知识体系。 　　有的同学上了硕士、博士就不愿意再上课，好像认为到了这个阶段就应该去做研究而不是去学习，我觉得有时候去听课可能会进步的更快，出来留学我们更应该利用好国外学校的优质教学资源。如果条件允许，我争取每学期都至少上2门课程。 语言：多说多练进步快 　　尽管来爱尔兰之前在5年的工作中一直都在用英语，也在英语国家呆过一段时间，但是要一下子融入这个纯英语的生活之中还是有些困难。第一次和导师见面的时候，她说了很多关于我的研究方向和项目整体规划的话，当时只听了个大概，遗漏了很多重要的细节。随即她又请来一位副校长（我DSP中的成员）一起讨论我的课程安排中细节问题，当时在会议室我既紧张又茫然，那位副校长的话我几乎没听懂一句完整的，整个讨论过程中我只是机械地用简单的英语说了几句表示赞同的话。刚开始那几天，我简直觉得用英语交谈就像梦魇一样，之前的一点信心全给打击没了。但是我知道，必须以最快的速度提高英语，否则从一开始我就会被甩在后边。 　　提高英语最好的办法莫过于开口说、多说多练就能进步得快，所以我抓住一切机会让自己多说英语，尽管刚开始的时候有些害怕开口。学期伊始，学院和研究中心都有一些集体活动，每一个活动我都视为说英语的好机会，因为在那种场合即使你说错了也不要紧，老师和同学们还会想办法听懂你、帮你纠正。另外，我还要求自己每天坐公交车的时候至少和周围的人交谈5分钟，尽量每次都说不一样的话题，为此我甚至故意问时间或者下一站的站名以和人搭上话。总之就是想办法让自己多说，而且是和各种各样的人交谈（这样有利于你适应不同的口音）。我觉得这种做法很有帮助，两周后我的英语听说就有了明显的改善，在和人交流的是变的大方多了、自信多了。在学院本学期第一次博士生研讨会上，新来的博士都要做自我介绍、说说是自己的研究方向，尽管事先知道有这个步骤，进入会场前我还是没做什么准备（可能是因为类似的经历比较多，有几分自信），心想只要自己不是第一个发言（跳不是两头的座位坐就能做到）我就能应付得了。后来我第三个发言，前两个发言者发言时我按照他们自我介绍的模式快速地整理一下自己的思路，轮到我发言的时候，我很自然顺着这个思路把自己要表达的意思说了出来，在开头和结尾还即兴加了一点笑料，没想到说完以后现场反映挺正常，而且在座的一些人还真被我给逗笑了。但是因为没做事前准备，我不敢断定自己的脱口而出的话有没有语法毛病，事后我问了一下坐在身边的同学有没有听懂我刚才说的，他回答说听懂了啊、说得还挺好的，这话让我信心倍增，以至于几乎整个会场期间都陶醉在一种自信和成就感之中，所以那场研讨会的主题报告没听进去多少，在讨论阶段就一言不发了。 　　一个月下来，我感到听老师讲课轻松多了，和周围的人交流也更得心应手。但是在有一个场合我还是经常受打击，那就是每天中午吃饭的时候。我们这个项目的十几个人总是差不多同一时间到Common Room（应该翻译成食堂吗？好像也不对，因为大家都是自带午餐，总之是大家一起进餐的一个公共场所），而且围着一张桌子坐。一坐到一起大家就开始边吃边聊、天南海北得聊，这时我的这帮来自欧美世界的同学们就会说大量的连读、简称、缩写词，还有很多只有我这个唯一的亚洲人不知道的人名、地名、流行语，谈到兴奋时他们总是情不自禁地提高语速。这让我好像回到了第一次和导师谈话时的状态，只能做个忠实的、一言不发的听众。好在当他们发现我很久没说话时，就会把话题引到我可能熟悉的领域或者直接问我他们所谈论的现象在中国是什么情形，让我也能说上几句话。后来一位母语也不是英语但是在英语世界生活了多年的博后跟我说，她到现在也很难听懂那样自由交谈时的谈话，这话多少让我拾回了一些信心。但是我还是通过在小范围的交谈中多发言以及先多和语速较慢的同学交谈开始，去适应那种集体谈话的氛围和身边的人的口音。到学期结束的时候我已经能够跟得上同学们在Common Room中的聊天了，还能没有障碍在人们的自由谈话中发表自己的观点。 　　在本学期最后一次的同学聚会中，我提到自己恐怕是这个团队中英语说得最差的一个，我想这一点几乎是显而易见的，应该大家都这么认为。没想到在场的同学几乎一致地认为我的英语还是比另一位来自意大利的同学好一些，理由是我能够说出完整的长句子，而那位同学只能说短句子。倒数第二虽然不是什么好成绩，但对我真是莫大的鼓励，要知道，两个月前我曾想：要是我的英语能达到意大利这家伙的水平该多好啊！ 　　虽然做得不算成功，但有几个提高英语水平的小经验愿和大家分享： 　　1、自信是第一位的，相信自己能说好英语才敢大胆去说。 　　2、多开口说、和各种各样的人交谈。 　　3、别人说的时候认真的听，如果可能，听不懂时候请对方重复。 　　4、最好完全抛开母语集中练习英语，在连续的一段时间内说大量的英语往往产生质的飞跃。前面一点我没做到过（因为始终有中国人在身边），后面一点我深有体会（有时参加完一次外国朋友的聚会就感到英语一下子提高很多，而且更有自信了）。 　　5、向native speaker请教一些地道的说法，当你不清楚或拿不准该怎么说的时候，问问他们是怎么说的，有心的话还可以问问有多少种说法、每种说法有什么区别。这样的事我常做，我同办公室的两位本地同学就是我的语言顾问（Linguistics Consultant）。 思亲：走多远都忘不了爹娘 　　以前一直以为自己的是个感情上很坚强的人，能够放得下各种牵挂来专注自己想做的。离开家人一段时间才发现，其实自己对家、对亲人是多么的依赖。我现在每天都在想念自己新婚的妻子（好在她即将来爱岛和我团聚），想念我和她的父母，想念我们的兄弟姐妹，还有我们的小侄女，当然还特别特别想念年迈的外公，尤其是在这样特殊的节日里、在应该举家团聚的时刻。 　　最近听的和唱的最多的歌就是阎维文演唱的《母亲》和刘和刚演唱的《父亲》，有时在骑自行车的时候听都这些歌都能让我一阵阵酸楚。前几天我的QQ号被盗，有人借此向我的母亲要钱，父母二话没说就筹了些钱汇给“我”，这我再一次感受到他们对我的爱永远是那么的真挚和无私。由此我想到在我和外公、还有爸爸妈妈之间总是发生着一些似乎有些历史巧合的故事，不过在这些故事中他们之于我的始终是毫无保留的爱，我之于他们的则是无尽的遗憾和愧疚： 　　22年前，我曾偷偷拿外公的钱跑到学校门口的商店买零食吃。22年后，外公又在我远行前把自己节约下来的钱送给我做开销，让我在外地能吃得好点。 　　21年前，有人骗我说妈妈出事被送进了医院，我哭着跑到医院又一路哭着找回家。21年后，有人骗妈妈说我出事急需用钱，妈妈含着眼泪到银行汇款。 　　20年前，爸爸曾用自行车推着我到十多里外的医院看病、陪我住院治疗。20年后，我没能在爸爸犯病的时候和他一起到附近的医院做一次检查、了解下他的病情。 留学生：比什么不比什么 　　留学生们之间——包括不同项目的留学生之间和同一项目的不同留学生之间——是有所攀比的，但是应该知道基于学生的身份我们应该比什么、不比什么，下面是我对此的一点看法： 　　不比谁的导师地位高，比比谁的课业成绩好； 　　不比谁的交通工具拽，比比谁的语言进步快； 　　不比谁的网络好友多，比比谁的研究视野阔； 　　不比谁的实验配置牛，比比谁的论文质量优； 　　不比谁的收入福利旺，比比谁的学术成果壮； 　　不比谁的脚走遍西洋，比比谁的心常系爹娘。 　　当然，如果能够把视野放得更开阔一些，能够多和其他国家学生做比较，有那么点国际化竞争的意识，兴许这样的攀比会更有意义，比什么不比什么仍然是这六点意见。 　　终于赶在新年的钟声敲响前，把自己留学四个月来最有感触的几个方面做了些总结，谨以这篇年终总结迎接全新的2012。 　　祝愿各位朋友： 新年快乐，心想事成！ 　　祝愿天下父母： 身体健康，平安幸福！
个人分类: 生活点滴|9834 次阅读|66 个评论
求SIRS传播动力学的相关仿真程序及简单说明
mouse1202000 2011-11-24 10:06
如题，仿真这个真是个大难题，求高手指点
1834 次阅读|0 个评论
[转载]ANSYS对航空发动机仿真方案
热度 1 yaozongzhuan 2011-11-11 07:49
ANSYS对航空发动机仿真方案 第三章航空发动机仿真方案 1.航空发动机行业概况 　　1903年12月17日，美国莱特兄弟实现了人类历史上首次有动力、载人、持续、稳定和可操作的重于空气飞行器的飞行。这使得几千年来由少数人从事的飞行探索事业在后来的百年中发展成为对世界政治、经济、军事和技术，甚至人们的生活方式都有重要影响的航空业。 　　因此，从狭义上说，航空发动机是航空器飞行的动力，是航空器的“心脏”；从广义上说，航空发动机是航空事业发展的推动力，对航空器的性能和研制有着决定性的影响。 1.1.世界航空发动机发展历史 　　航空发动机百余年的发展历史大致可分为两个时期：第一个时期从莱特兄弟的首次飞行开始到二次世界大战结束为止。这个时期内，活塞式发动机统治了40年左右的时间。第二个时期是从二次世界大战结束至今，燃气涡轮发动机取代了活塞式发动机，居航空动力的主导地位，开创了喷气时代。在燃气涡轮发动机的60多年发展历程中，大致经历了四次更新换代： 　　第一代是单转子亚音速喷气发动机。这一代发动机大多数在20世纪30～40年代研制，40年代末50年代初投入使用。压气机采用离心式和轴流式两种，总增压比在5左右，单管燃烧室，单级涡轮；推重比3左右。有代表性的机种有：美国的J47(TG-190)、前苏联的VK-1和法国的阿塔（Atar）发动机。 　　第二代是超声速涡喷发动机。这些发动机在第一代发动机的基础上有了许多创新，大都在50年代研制。主要技术特点是：双转子、进口导流叶片可调、超声速压气机、高温涡轮、推重比达到5左右。用这一代发动机装配的飞机都是超声速战斗机。代表机种有：美国的J79和前苏联的R11-300R。 　　第三代是超声速涡扇发动机。这一代发动机的研制始于60年代，主要技术特点是：涡扇发动机、核心机技术，2D设计、环形燃烧室、气冷涡轮、结构完整性设计、新材料、推重比8。这一代发动机的成长得益于全世界各种大型试验设备的建设、计算技术和制造技术的发展。用这一代发动机装配的飞机都是高性能超声速战斗机。代表机种有：美国的F404和F100、前苏联的AL31F和RD33、英国的RB199和法国的M88-2。 　　第四代是先进技术涡扇发动机。这一代从80年代中期开始发展，目前仍处于研制阶段。主要技术特点是：结构简单，抗撞击能力强，具有良好的耐久性可维护性；增加了不加力条件下的持续超声速巡航能力、采用2D喷管的有限矢量推力能力和隐身能力。第四代发动机的推重比为9～10。代表机种有：美国的F119、前苏联的AL-41F和英国的EJ200。 　　航空燃气涡轮发动机在60多年的发展历史中经历了众多技术进步，如表3-1-1所示： 表3-1-1航空燃气涡轮发动机的技术进步 　　目前，美、英第一、二代均已退役，第三代是现役主力机种。由于其性能先进，且还在不断改进改型，服役期比第一、二代长很多，估计将使用到2010年左右，俄、法、日、印、韩等国第二、第三代并存，以第三代为主。 　　第四代战斗机是美、苏冷战对抗时期开始研制的，原计划90年代中期装备部队。自苏联和华约解体后，是否还需要继续发展，在美国和西欧开展了一场大辩论。许多国会议员提出，将F15、F16经现代化改装后，就可以达到应付未来“地区冲突”的要求。在此影响下，德国曾一度退出欧洲战斗机EF2000发展计划。但辩论的结果认为：F15、F16经改装后，不能跨越“代”的鸿沟。为了满足“全球到达，全球力量”的战略目标，发展第四代战斗机是必须的。这场辩论使第四代战斗机的装备时间推迟了十年左右。第四代战斗机具有隐身、过失速机动、不加力超声速巡航、短距起降、超视距多目标攻击和装备更先进的航空电子与武器系统等许多特点，较之第三代具有全面优势。据报道，F22与F15相比，每飞行小时的维修工时降低约70%，其综合作战效能提高近10倍。但由于F22太贵，难以大量装备部队，又决定同时研制装单台F119发动机（推力增大型）的JSF联合战斗机，已有近10个国家参与该项计划。该机三种型别（常规型、短距起飞/垂直降落型和垂直起降型）的意向订货量高达3300架左右，总价达1800亿美元的订单已被马丁公司所得。美国将以联合战斗机JSF和F22这两种第四代战斗机轻重搭配跨入21世纪，从2003年起陆续装备部队，全面取代现役的第三代战斗机，成为美国、部分西方国家、甚至我国部分周边国家和地区21世纪上半叶的主战机种。 　　西方各国对航空动力技术的预先研究一向给予极大重视，开展了一系列大型研究计划。如美国军方早从50年代中期就开始实施航空推进技术探索发展计划；70年代初至80年代又相继实施了先进战术战斗机发动机计划（ATFE）、先进涡轮发动机燃气发生器计划（ATEGG）和飞机推进分系统综合计划；70年代末以来，美国政府（由NASA主持）也先后实施了发动机部件改进计划、高效节能发动机计划（E3）、先进螺旋桨计划和发动机热端部件技术计划（HOST）。正是这些研究计划，为各种先进军、民用发动机提供了坚实的技术基础，才使得美国达到了当今世界的领先水平，使军、民用发动机跨上了一个又一个技术新台阶。航空动力行业已成为世界各航空强国的军事工业和国民经济的重要支柱产业之一。 　　美国在研制第四代F119发动机的同时，从1988年起的15年内又投入50亿美元巨资，由军方与政府联合主持实施“综合高性能发动机技术计划”（即IHPTET计划）；英国则着手进行先进军用核心发动机第II阶段计划（ACME-II）。其共同目标是利用计算流体力学（CFD）、结构力学、燃烧、传热、新材料、新工艺、电子调节和计算机仿真等方面的最新成就，使推进系统的能力在现有基础上翻一番，预计2020年后有可能研制出第五代推重比为15～20的发动机。这意味着他们用15年左右的时间，在推重比、耗油率、成本等方面取得的技术进步，相当于过去30~40年的成就，充分表明世界航空发动机技术呈现加速发展态势。 1.2.我国航空发动机发展历史 　　我国航空动力行业经过几十年的建设，从无到有，由小到大，在维护修理、测绘仿制、批量生产、改进改型、民机开发等方面均取得很大成绩。新机研制和预先研究也取得可喜进展，共生产了近60000万台各型发动机，为建立一支强大的人民空军、海军和陆军航空兵，保障国家安全和促进国民经济建设做出了重大贡献。 　　但是，航空动力长期在测绘仿制中徘徊，走了不少弯路，与加速发展的世界先进水平相比，我国航空发动机大大落后了。我国现役军机大量使用的发动机，大都是仿制前苏联的产品或者是其改进改型，推重比为5～5.5左右，仅相当于国外早已淘汰的第二代水平；民机动力方面，目前生产的仍是仿制前苏联50～60年代的中小型涡桨发动机，干线民航机大涵道比涡扇发动机基本上还是空白；在航改燃机方面，80年代在成熟的航空发动机基础上改型了6种型号，生产了百余台，但仅占我国近800万千瓦燃机总装机容量的5%左右；从80年代初开始的高性能发动机关键技术预研，虽取得一定进展，但距工程应用还有一段较长的路要走；80年代中期开始研制的某发动机，虽已实现首飞，但距设计定型尚需时日。综合评估我国航空动力的总体技术水平，较国外相差一代半，落后约25～30年，而且这种差距还有进一步拉大的危险。我国航空发动机落后，已成为严重制约整个航空工业快速发展的“瓶颈”，这是不争的事实。造成这种局面的原因很多，“冰冻三尺，非一日之寒”，客观上航空发动机技术十分复杂，研制难度很大，花钱多，周期长，我国工业和技术基础相对薄弱，预研和型号经费投入不足；主观上对航空发动机研制的复杂性和规律性认识不足，对预研工作重视不够，技术储备少；摊子大，战线长，力量分散，型号品种多。在国际形势出现变化和动力技术快速发展的新形势下，却未能及时进行必要的结构调整和技术改造；引进仿制机种过多，总以为测仿来得快，40多年中先后测仿了来自国外的十多种型号，大都是当时该国的二、三流产品；尤为失策的是对引进技术未能很好地组织消化、吸收和创新，且引进往往挤掉或消弱了国内的新机研制；长期过份强调型号牵引，有了型号才有钱，对预先研究、打基础重视不够，预研投资强度太低，结果使基础薄弱，技术储备不足，许多关键技术没有提前突破，型号研制成了“无米之炊”，久攻不下，为了满足飞机对发动机的需求而不得不再来一轮新的引进、仿制，从而陷入“恶性循环”；在管理上，领导机构重叠，管理分散，政出多门，意见不一，缺乏稳定、权威的中长期发展规划，缺乏科学的决策程序，型号和大型预研项目的“上马”和“下马”，往往因机构调整和人事变动而出现大的变化；没有协调处理好发动机与飞机（平台）、型号与预研、全新研制与改进改型、自行研制与国外引进、工业部门和使用单位之间的关系；在工业基础方面没有安排好提前突破先进的关键材料和制造工艺。管理上滞后和指导思想上的 不适应，对发动机的发展有时甚至比技术上落后的影响更大。 　　事实上，早在上世纪60年代，周恩来总理就指出：我们的飞机得了“心脏病”。40多年过去了，这种状况并没有实质性的好转，国内民航干线客机动力已全部被国外所占领，而新研军机因没有自行研制的先进动力可用，不得不买装国外发动机。我军装备因动力而受制于人，形势十分严峻。根治飞机“心脏病”已刻不容缓，这是摆在我们面前严肃而又紧迫的任务。图3-1-1表明，从军用航空发动机最重要的性能指标“推重比”来看，我国航空发动机与国外发达国家对比呈现出剪刀差的落后趋势，我国航空发动机仿制生产起于50年代初，起步并不算晚，而70年代以后差距愈拉愈大，与世界航空发动机技术的加速发展态势形成巨大的反差！ 　　值得特别指出的是，我国周边国家日本早就与美国合作生产第三代F110发动机，并参与世界一流水平的大型民用涡扇发动机的国际合作研制，目前又正在与美、英合作研制飞行速度5倍声速的HYPR-9组合循环发动机，力图在高超声速推进技术领域抢占领先地位。印度自行研制的GTX-35VS双转子涡扇发动机，推重比7.5左右，预计2002年将装在他们自行设计的LCA轻型战斗机上首飞（后改用美国的F404-F2发动机）。他们计划在未来几年内对其现有的780架各型作战飞机进行大规模更新换代，使现役第三代飞机由目前的230架增加至560多架，还准备引进50架装有推力矢量喷管的俄制SU-30MKT战斗机，并计划在15年内生产150～200架。台湾地区虽未独自研制航空发动机，但在美国人帮助下，合资研制了FTE1042涡扇发动机，并成功地应用于“经国号”轻型战斗机（装备130多架）。此外继购买150架F16A/B之后，又引进60架幻影2000-5，明显地提高了装备水平，增强了空军实力。可以说，我国空军（包括海军航空兵和陆军航空兵）的装备，除了数量上仍占一定优势之外，其技术水平已经或即将被这些周边国家和地区赶上和超过。这种严峻的形势，对我国国家安全已构成严重威胁。对此我们应有高度警惕和足够的认识。 1.3.新世纪我国航空动力具有良好的发展机遇 　　虽然我国还没有一台自行研制的发动机投入使用，但经过半个世纪的努力，我们进行了多个型号研制，开展了推重比8和推重比10发动机这两项大型预研工作，建成了包括大型高空台在内的基本配套的试验设施，形成了较强的制造加工能力。特别是改革开放20多年来的快速发展和对外合作，为21世纪航空动力的快速发展打下了较坚实的技术和人才基础。 　　过去航空产品的设计主要是依赖于各种试验，使得航空产品尤其是航空发动机的研制周期长、耗资多、风险高。近年来，由于信息技术特别是计算机辅助工程仿真（CAE）和计算流体力学（CFD）技术的发展以及大量试验数据的积累，20世纪90年代以来，在西方航空发达国家引发了一场设计技术的“革命”，初步实现了从“传统设计”向依靠计算机数学模型优化计算和虚拟现实仿真“预测设计”的转变，从而大大减少了试验工作量，提高了设计的成功率，既节约了经费，又缩短了研制周期。使发动机的研制周期从过去的10～15年缩短到6～8年甚至4～5年，试验机也从过去的40～50台减少到10台左右。 　　我们若能牢牢抓住这个机遇，在我国预研和型号已取得成果的基础上，再加大力度引进、消化一些国外的先进软件，建立一套中国自己的航空动力设计体系和数值仿真系统，提高设计“起跑线”，发挥“后发优势”，不再重复西方几十年所走过的老路。这是我国航空动力走出困境，以较少的投入、较快的速度缩短与国际先进水平差距的有效途径，也是实现跨越式发展的难得机遇。 2.航空发动机研制中的典型CAE问题 　　如前所述，计算机辅助工程分析技术已经在西方航空发达国家引发了一场设计技术的“革命”，在航空发动机领域更是如此。其最直接的效益就是：大大减少试验工作量、提高了设计成功率、节约研制经费、缩短了研制周期。 　　现代航空发动机设计对CAE分析的要求呈现三大趋势：一是对分析的精度要求越来越高、二是需要分析的对象越来越庞大和复杂（系统级分析）、三是对多物理场耦合分析尤其是流固耦合分析的需求越来越多。下面简单罗列一些航空发动机研制过程中的典型CAE问题以供参考，在下面几个章节中，我们会针对这些问题予以更详细的说明并提出ANSYS的解决方案。 与结构力学分析相关的典型问题有: 　　压气机和涡轮的叶片、轮盘等重要构件在考虑温度、气动力、高速旋转离心力等载荷作用下的强度、振动以及高低周疲劳计算； 　　高低压转子系统以及与支撑结构相耦合的转子系统在考虑温度、气动力、高速旋转离心力和陀螺力矩等载荷作用下的动力特性（转子动力学）和不平衡响应计算； 　　齿轮、轴承、传动轴、机匣、管路系统以及其它辅机系统在相应复杂载荷和约束条件下的结构强度、振动、疲劳计算； 　　叶片鸟撞、包容性、抗异物损伤等高度非线性结构动力计算； …… 与计算流体力学分析相关的典型问题有 单/多级风扇、单/多级压气机、单/多级涡轮、进气道、喷管等零部件气动计算； 燃油喷射和雾化、燃烧室/加力燃烧室燃烧分析； 涡轮盘、涡轮叶片、燃烧室、喷管冷却分析； 飞机/发动机匹配气动计算，以及多相流模拟发动机地面吞水试验；…… 与计算电磁学分析相关的典型问题有 多/全电发动机耐高温高性能磁悬浮轴承、启动发电机等关键零部件电磁特性计算； 电气化传动附件电磁特性及EMC/EMI计算；…… 需要高性能计算的多物理场耦合计算问题示例 风扇和压气机叶片的气动-结构耦合分析； 涡轮叶片、涡轮盘、燃烧室以及喷管的气动-热-结构耦合分析； 磁悬浮轴承、启动发电机电磁-热-结构耦合分析；…… 3.航空发动机结构力学计算需求及ANSYS实现 　　计算结构力学分析是航空发动机领域最重要、也是最早并且获得了最广泛应用的CAE方向。航空燃气涡轮发动机对性能、安全性、可靠性、耐久性、适用性的要求非常高，其重点就是体现在对结构强度、振动和寿命的设计要求上。计算结构力学分析的所有应用方向在航空燃气涡轮发动机的设计中都有很强的需求，本小节中我们将对这样一些主要分析领域的特点和ANSYS解决方案予以简要说明。 3.1结构静力分析 　　结构静力分析是计算结构力学分析领域中的最基础应用方向，在航空燃气涡轮发动机中，几乎所有零部件都会涉及重要性、程度和精度要求不等的静力计算问题，其主要目的是获得结构件的静强度和静刚度，并为后续的其它分析要求服务。 3.1.1.线性静力分析 　　线性静力分析通常适用于支承及传力框架、机匣、附件设备等对保形及刚度要求较高的零部件，有时也用于对叶片、轮盘等重要构建的前期分析。比如，在发动机总体结构中，支承刚度往往是影响整机振动的关键因素，必须对支承刚度进行分析。发动机常用的弹性支承元件包括弹性环、鼠笼和拉杆等。通过有限元静态分析，求得在一定载荷作用下结构的变形，进一步得到结构的刚度。 　　对于CAE程序而言，线性静力分析在技术层面上早已不是难题，可能存在的问题通常仅限于对大型问题的方便建模以及有效求解（例如，复杂叶片结构的全自动六面体协调单元网格划分、发动机整机结构的刚度和模态分析等）。在对大型问题的方便建模方面，ANSYS提供诸多全球独一无二的领先技术来完美解决，比如AWE环境下与CAD的双向参数传递技术、复杂装配体自动识别技术、AI*Environment的基于拓扑映射的网格雕塑技术、复杂结构全自动六面体网格划分（ANSYS高级网格模块），等等；在求解方面，ANSYS也提供一系列独具特色的高效求解器，比如拥有众多专利技术的迭代求解器（JCG、ICCG、PCG等），以及大量的网络分布式并行求解器（DDS、DPCG、DJCG等）。 3.1.2.弹塑性/蠕变等材料非线性静力分析 　　航空燃气涡轮发动机CAE分析中非常普遍地会遇到以弹塑性/蠕变为代表的材料非线性问题。从理论上说，任何结构分析都应该是非线性的，线性分析只是对其在低强度、小变形状态下的假设而已。发动机中的高速旋转部件，如叶片、盘、鼓（以弹塑性分析为主），以及高温部件，如涡轮、燃烧室、喷管等（以蠕变以及弹塑性与蠕变组合作用分析为主）均存在不可忽视的材料非线性行为，在准确的强度/寿命校核中必然要考虑到各种复杂的材料非线性因素。 　　材料非线性是一种非常复杂的物理现象，在工程设计和分析中，要获得满意的仿真结果，必须很好地理解和准确地描述材料行为特性，但要做到这一点是比较困难的，Lemaitre和Chaboche曾经用如下很形象的例子描述了材料特性的复杂性： “在室温下的一块钢材，可以认为是： 常规结构分析中的线弹性材料； 振动阻尼问题中的粘弹性材料； 在非常大的载荷作用下，是理想塑性材料； 要精确计算永久变形时，它是具有硬化特性的弹塑性材料； 对于应力松弛问题，又有弹性粘塑性特性； 当计算成型极限时，它是延展性破坏； 当计算寿命极限时，它是疲劳破坏；……” 　　因此，在什么情况下用什么材料模型，与分析者所关心的现象相关。ANSYS通用结构力学分析所提供的非线性材料本构非常复杂和宽泛，计有：20种率无关弹塑性模型，125种组合蠕变模型，7种粘塑性模型，以及粘弹性、混凝土、D-P、垫片、铸铁、形状记忆合金等等，可最大限度地满足航空发动机分析中的需求。同时，ANSYS的材料模型具有很多独特特性，比如： 　　多线性随动硬化模型允许直接输入实验数据； 　　Chachoche模型可与数个非线性随动硬化模型组合以模拟材料的复杂循环特性（如棘齿效应、循环稳定、循环硬化和软化等）； 　　Hill屈服准则及其与各种强化模式的组合可模拟各种各向异性材料的非线性特性（如定向结晶和单晶涡轮叶片、复合材料风扇叶片和机匣等）； 　　ANSYS提供线性和非线性回归算法，用户可直接输入材料的试验数据即可获得其材料参数值，该功能适用于所有超弹模型、粘弹模型和蠕变模型。 　　在最常用的弹塑性材料方面，ANSYS所提供的丰富模型可以综合考虑单调硬化、包辛格效应、循环硬化或软化、棘齿效应以及记忆效应（形状记忆合金）等等，已经是非常的完善了，除此之外，ANSYS还提供了诸多在航空发动机设计中会遇到的较特殊的非线性材料模型，包括： 铸铁 　　铸铁由于其石墨颗粒的作用使其呈现与其它金属材料显著不同的塑性特性：在拉和压两个方向上有不同的屈服强度、塑性流动特性和硬化特性； 粘弹性 　　ANSYS中的粘弹性模型是Maxwell模型的通用积分形式，其松弛函数由Prony级数表示。该模型功能全面，Maxwell、Kevin和标准线性实体都是其特殊形式，全面支持亚粘弹性和大应变超粘弹性。大应变超粘弹性基于Simo建议的列式，粘弹性行为的定义分为超弹性和松弛两个部分，所有的ANSYS超弹性材料模型都可采用粘弹性选项（PRONY）。 粘塑性和蠕变 　　ANSYS程序提供几个选项用于模拟材料的率相关行为，包括蠕变，蠕变选项又含一系列适用于常规蠕变分析的蠕变法则。率相关选项是一种“过应力”模式，主要用于冲击载荷问题。程序还提供Anand模型，它最初是用于模拟高温金属的成型过程，如辊压、深拉等，该模型采用一个被称为“变形阻力”的内部变量来考虑对材料非弹性流动的各向同性阻力作用，因而也能模拟材料的硬化和软化行为，现在已广泛应用于其它领域，比如分析电子封装的焊接连接等。 超弹性 　　超弹性材料的应用十分广泛，比如用于密封的橡胶环等。橡胶等超弹性材料的非线性是很严重的，体现在： 非常大的应变水平（可达百分之几百！）； 材料的应力和应变呈高度非线性关系； 材料近似或完全不可压； 有很强的温度相关性； 通常并不单独存在，而是与金属等其它显著不一样的材料之间有很大的相互作用。 　　ANSYS超弹性材料模型有很多种类，用户可根据实际材料的实验特性等来选择合适的模型。对于超弹应用而言，ANSYS程序本身从求解器、单元技术以及解算策略等方面都进行了完善的设计，具有很好的效率和效果。 垫片材料 　　垫片通常在装配零件之间起密封作用，是由诸如铁、铜、橡胶、复合材料等多种材料做成的一个很薄的构件。垫片的主要变形通常限制在其法线方向上，其膜（平面内）和横向剪切等方向对刚度的贡献非常小，可以忽略不计。垫片材料通常都是受压，具有很强的非线性特性，当压力撤消时，其卸载行为非常复杂。 　　ANSYS垫片材料允许以表格的形式直接输入试验测量的加载过程和多个卸载过程的“压力－闭合量（垫片上下表面之间的相对位移）”曲线数据，如果无卸载数据，则材料的卸载曲线与加载曲线一致。对于复杂的垫片连接分析，ANSYS还提供了很多高级选项，比如：允许有初始间隙、拉伸应力限值、稳定刚度等等。同时，ANSYS还专门开发了一系列“界面”单元来专门用于垫片分析，包括4节点四边形、6节点四边形、8节点六面体、16节点六面体、12节点棱形体等适合于各种二维和三维应用的单元。 　　ANSYS的其它非线性材料种类就不在此一一介绍了，有兴趣者可从相关资料中去了解。最后值得一提的是，ANSYS不但支持数量庞大的材料本构模型，而且提供了一个具有良好逻辑关系的树状菜单结构来让用户很方便、很准确地定义材料参数（尤其是一些复杂的组合材料本构）。这些材料本构的特性参数都可以是与温度相关，直接在软件界面上定义。 3.1.3.接触/摩擦等状态非线性静力分析 　　以接触为代表的状态非线性分析问题在航空燃气涡轮发动机设计中非常普遍地存在：叶片榫头与轮盘榫槽之间的接触、带冠叶片的冠间接触、传动齿轮之间的啮合接触、轴承内的接触、各种各样的装配接触等等。 　　模拟两个实体之间相互作用（通常还要考虑摩擦、热、电或其它形式的能量交换）的能力对于一个分析软件来说是非常关键的，事实上，接触分析能力已经成为判断非线性分析程序优劣的一个最重要标准。同时，接触分析的性能和鲁棒性、接触对的定义及其属性管理的方便性、有效的纠错工具等几个方面是考察非线性软件接触分析能力的三个指标。 　　早在ANSYS2.0版本，ANSYS即具有了接触分析能力，数十年来一直根据高级分析的需要而不断地采用最新的接触算法和技术，表3-3-2简要概述了ANSYS的接触分析特性： 　　ANSYS最早开发的接触单元是Contac12和Contac52，分别用于模拟二维和三维状态下的点对点接触，单元的基础算法是罚函数法和弹性库仑摩擦模型，是所有单元中最简单的。 　　后来开发的Contac48和Contac49是可用于通用接触问题的点对面接触单元，采用带拉格郎日增量的罚函数法以提高兼容性，其主要特点有：允许大滑动、有摩擦或无摩擦、支持热接触等等。虽然这些单元可以模拟高度非线性接触问题（比如金属成型、辊压等），但由于点对点和点对面接触单元需要人为调整罚刚度，比较难以使用，而其最大的缺点是不能很好地与高阶实体单元配合以模拟复杂曲面接触。 　　事实上，在现在的ANSYS程序中，12/52、26、以及48/49等接触单元的主要作用是提供与老版本的兼容性，在新版本中都推荐采用融合了最新技术和ANSYS独特技术的新一代接触单元，下面对这些新一代单元的主要特点做简要说明。 面对面接触 　　接触分析功能在1997年的ANSYS5.4版本就开始了一个质的飞跃，最初，一系列面对面接触单元（169到174）提供了刚对柔面面接触能力，虽然也是基于增广拉格朗日罚函数法，但与以前有很大的不同。在缺省情况下，程序将罚刚度与多种参数相关联（包括相邻单元的尺度、附着实体的材料特性等），无需用户提供罚刚度的绝对值，但可通过一个无量纲缩放系数来修正缺省值，这对于以弯曲变形为主的接触分析是相当必要的。目前的算法已改进为可根据其附着实体单元的应力来自动修正接触单元罚刚度。 　　169-174接触单元的计算结果具有很好的可视性和可用性，其输出的结果数据是基于应力的形式而非力的形式。即使针对大型问题，这些接触单元的数值算法也非常有效，无需使用诸如自适应下降等试探性的手段即可很好地收敛。 　　171-174接触单元在ANSYS5.5版本就扩展为支持柔对柔面面接触的通用接触单元，这些单元采用的独特的基于高斯点的接触算法具有非常强的优势：可完美地与诸如20节点六面体单元、10节点四面体单元、8节点面单元等高阶单元结合使用，这是其它接触算法无法做到的，这也是为什么很多有限元分析程序在作接触分析时都要求用户最好采用低阶单元，而这在模拟复杂结构时要想有效地获得高精度是非常困难的。当然，ANSYS的这些单元类型也提供基于节点的接触算法作为补充，以用于一些特殊情况。 　　采用高阶接触单元的优势是：高阶单元以二次函数的方式模拟曲面，而低阶单元只能以一个个小平面来近似模拟曲面。这一点在航空燃气涡轮发动机设计分析中是非常重要的：由于对计算精度的高要求，尤其是针对叶片、轮盘等部件，通常必须采用高阶单元进行强度分析，ANSYS唯一提供了支持这种高阶单元接触的精确算法。 　　基于高斯点的接触算法避免了“锐角相交时接触方向的不明确性”，这样，目标表面可以采用较粗的网格划分。同时，这种算法也避免了节点接触算法中通常会遇到的“滑过边界”问题。ANSYS的这些接触单元还提供大量的、在某些情况下非常有用的特殊接触分析能力，包括单边和单面接触、绑定接触、无分离接触、粗糙滑动接触等。同时，ANSYS的接触分析功能还扩展到模拟壳体与壳体、壳体与实体等的固连装配，即多点约束（MPC）。 　　ANSYS程序采用一个功能非常强大的“接触管理器”定义、修改、管理、以及后处理观察复杂构件间的复杂接触关系，其“接触向导”功能帮助用户快速地定义各接触面及其特性参数，并有很多实用工具实现诸如观察初始接触状态、接触方向、以及根据需要修改接触特性（比如反转接触法向等）。同样，ANSYS后处理程序中也提供了很多手段来更好地观察和理解接触分析的结果。 　　技术的发展是无止境的，最新版本的ANSYS在新一代ANSYSWorkBenchEnvironment（AWE）的环境下，实现了自动接触定义功能。对于象发动机整体分析这样的由数百个零部件构成的复杂装配体，如果用手工的方式来一一定义接触，将是一项非常烦琐的工作，而在ANSYS中，所有的事情都由程序自动完成了。 　　对于耦合场分析而言，这些接触单元所具有分析功能是前所未有的：可以模拟电－磁－热－结构耦合接触问题（如点焊过程的模拟）、热接触的热传导系数可以是接触压力或温度的函数、可以定义接触面闭合时的热传导特性和接触面分开时的热对流和辐射特性、可以进行摩擦生热分析以及控制摩擦生热量在摩擦体之间的分配、与CFD功能配合模拟装配缝隙在流体压力作用下的涨开和流体泄漏…… 拉格朗日乘子法 　　接触分析是一个很宽泛的概念，目前还没有哪一种算法能有效地涵盖所有的应用需求。前面提到的增广拉格朗日法虽然适用性很强，且能解决大量的复杂接触问题，但该算法会产生一定量的“接触穿透”（接触穿透通常都是一个非常小的数值，可忽略不计，算法本身也提供很多选项来改善该数值）。对于需要获得完美接触相容性的问题（即要求穿透量为零），最新版本的ANSYS新一代接触单元提供纯拉格朗日乘子法以增强对穿透量的约束（该算法完全避免输入罚刚度），且避免了常规拉格朗日乘子法的一些诸如收敛困难、求解量增加等缺点。这一点在航空发动机设计分析中也是非常重要的，其高精度计算要求需要获得完美的接触相容性，以此才能准确地判断诸多的接触破坏问题，比如榫头接触面的应力剥落现象等。 3.1.4.大变形几何非线性静力分析 　　航空燃气涡轮发动机的叶片变形量直接关系到间隙设计的好坏，所以必须对叶片的变形进行分析，尤其是风扇叶片。现代大功率涡扇发动机由于气动性能的要求常常设计成大展弦比或掠型，叶片在离心力和气动载荷下，其变形量远远超过线性小变形有限元分析的适用范围，必须进行非线性的大变形分析。 　　大变形分析其实仅是几何非线性的一种，ANSYS支持所有的几何非线性分析，除了大变形以外，大转动、大位移、大应变、应力强化、旋转软化、压力载荷强化等所有的几何非线性问题在ANSYS中均有专门手段予以完善解决。这些几何非线性类型在发动机设计中都是非常有用的，比如，旋转软化这种在其它分析程序中难以见到的分析功能非常适合于叶片动力设计分析，它完整地考虑了动刚度的对叶片动态特性的影响，类似的还有应力强化等，后续我们还会详细介绍它。 3.2.结构动力分析 　　航空燃气涡轮发动机是高速运转的复杂机构，对动力学的分析需求历来是重中之重。而其中叶片振动分析、转子动力学分析等又是最重点关注的问题。对于叶片振动来说，据统计资料说明，叶片的损坏事故（裂纹、断裂等）绝大部分是由于振动引起的；通过试验也证明，如果叶片振动幅度降低10％，其寿命将增加10倍！由此可见振动分析、优化结构设计以降低振动的重要性。叶片的振动通常有四种类型：气流尾迹引起的强迫振动、颤振、旋转失速、以及随机振动，其中前两种振动的危害性最大。 　　对于实际叶片，重要的是自振频率、振型和振动应力三个因素。叶片的自振频率范围很广，从数十赫兹（如风扇叶片）到数万赫兹，但其中以低频振动最为危险。一般情况下，频率越高，振幅就越小，危险性也就越小。在叶片振动分析中，重点是进行准确的模态分析，并以此为基础进行谐响应分析、随机振动分析、颤振分析等，以全面而准确地了解叶片的振动特性（如振动应力等）。下面就对这些分析内容作简要描述。 3.2.1.模态分析 　　航空燃气涡轮发动机中的模态分析通常有这样一些类型：叶片在静止和旋转预应力状态下的固有模态计算、叶片/轮盘组合体在静止和旋转预应力条件下的循环对称模态计算、整个转子系统在静止和旋转预应力状态下的固有模态计算、整个发动机系统在静止和旋转预应力状态下的固有模态计算、等等。模态分析是其它几乎所有动力分析类型的基础，其分析精度直接关系到各种后续动力分析的效果好坏，因此，需要特别高的技术要求，主要体现在以下几点： 　　要能考虑预应力影响（应力强化）：在旋转预应力状态下，叶片振动模态和静止状态有本质差别，频率和振型都会发生变化，通常同一阶次模态的频率都会有较大幅度的提高。ANSYS通过两步走的方式可直接考虑预应力影响，即先做一个在转速和气动力作用下的静力分析，然后再在模态分析中打开预应力开关即可； 　　要能考虑旋转软化的影响（动刚度）：对于象风扇这样的大展弦比叶片，大变形引起的动刚度会使叶片变得更“柔软”，降低其模态特征频率。ANSYS模态分析中的“SpinSoft”选项正是用来考虑此项影响的； 　　要能考虑各种阻尼的影响（复模态）：任何真实结构在动力状态下都会受到阻尼的影响，其特征值体现为复数形式（虚部为特征频率，实部表征其稳定性（振幅的指数增加或降低））。ANSYS在模态分析中可以考虑多种阻尼：α阻尼（总体质量阵乘子）、β阻尼（总体刚度阵乘子）、材料相关阻尼、单元阻尼等等，在后续的响应分析中，还可以考虑频率相关阻尼（恒定阻尼比、模态阻尼比）、频率无关阻尼等等，以完整地记及各种阻尼对结构动力特性及响应的影响。值得指出的是，在航空发动机转子动力分析中，油模（薄层液体）阻尼对动力特性的影响非常显著，ANSYS提供了专门的手段来自动计算此阻尼并用于随后的动力分析中。我们在下面的“转子动力学计算”一小节中会详细谈到此点； 　　要能方便地进行循环对称模态分析：叶片/轮盘结构是典型的循环对称结构，利用其循环对称性进行模态分析能极大地提高解算效率。ANSYS提供了极其完善的循环对称模态分析功能（除此之外，还能进行循环对称静力分析和屈曲分析），包括专门的分网工具、定义命令和菜单等，在常规静态/预应力模态分析流程的基础上仅增加3个命令即可完成循环对称静态/预应力循环对称模态分析。同时，ANSYS很多独特特点使循环对称模态分析更具实用性，比如，它可以不要求扇区上下截面的网格完全匹配（这在很多情况下是难以做到的）； 　　要具有模态综合分析能力：对于象转子系统以及整机系统这样的系统级模态分析，如果没有模态综合分析能力，在设计上哪怕仅仅只对某个部件做一定的修改，也需要整个系统重新进行模态计算。ANSYS的模态综合分析（CMS）能力可以高效地解决这个问题：各零部件独立进行模态分析，通过CMS形成整体模态，单一部件的修改仅需重新计算该部件的模态并重新综合即可。 　　综上所述，ANSYS为航空燃气涡轮发动机发动机的各种零部件模态分析提供了非常完善的手段，可综合考虑各种影响模态分析的因素，为准确地进行其它动力响应分析提供了可靠的保障。 3.2.2.谐响应分析 　　谐响应分析用以确定结构在呈正弦变化的周期性激励作用下的动力响应（变形、应力等），也就是通常所说的共振响应分析。航空燃气涡轮发动机中诸多的零部件的振动强度分析都需要使用该分析功能，比如：叶片在周期性尾流作用下的响应计算、旋转失速状态下的气流激振、转子系统不平衡响应计算、支承系统及整机系统谐响应计算，等等。 ANSYS谐响应分析提供了一套完整的技术体系满足航空发动机各种谐响应分析的需求： 丰富的算法：ANSYS谐响应分析提供全方法、模态叠加法、凝聚法三种计算模式； 能考虑各种阻尼影响：三种计算模式均可考虑各种阻尼效应； 能考虑预应力影响：三种计算计算模式均可考虑预应力影响，这对转动部件非常重要。 3.2.3.响应谱和随机振动分析 　　航空燃气涡轮发动机在飞行过程中会受到诸多复杂载荷的作用，比如飞机传给发动机的复杂载荷谱、由于叶片对气流的干扰和气流振荡燃烧等因素引起的噪声激励等，这些激励载荷的频率非常宽广，激励载荷并没有一个明确的载荷－时间历程，或载荷－时间历程由于太复杂而无法一一计算，这就需要用到谱分析技术。谱分析的实质就是将一个由复杂“载荷－时间历程”所需的规模庞大的时域瞬态计算问题转化为一个相对简单的频域“响应谱”分析问题，响应谱分析所获得的是结构在载荷作用下动力响应的最大值或响应的概率值（随机振动分析）。 　　ANSYS响应谱分析功能同样提供了一套完整的计算技术，分析方法包括单点响应谱、多点响应谱、PSD（功率谱密度）随机振动计算等。谱的类型可以是力、位移、速度、加速度等，且在分析中可以考虑包括材料阻尼、恒定阻尼比、模态阻尼等多种阻尼因素的影响。 3.2.4.气弹颤振分析 　　气弹颤振属于“自激振动”，由气动力、结构（弹性）力、以及惯性力三者相互作用而引起。颤振时，叶片的振型及频率都大致与自由振动的情况相同（包括弯曲及扭转振动）。它与前述谐响应、响应谱等强迫振动分析的不同之处在于它不伴有任何带频率（扰频）的激振力，颤振的频率基本由叶片自身的几何尺寸及材料性质所决定。航空燃气涡轮发动机叶片的颤振通常有这样五类：亚音速失速颤振、亚音速非失速颤振、超音速失速颤振、超音速非失速颤振、堵塞颤振等，其中最重要的是亚音速失速颤振。这些颤振形式的共同特点都是在来流达到某个特定速度（颤振速度）时，流体对叶片的振动不再是起阻尼作用而是提供维持或增强叶片振动的激励力。 　　颤振的发生是非常危险的，ANSYS提供了一套完整的预测叶片颤振速度（颤振裕度）的技术，它用Structural结构分析模块计算叶片结构的自振特性，用LinFlow边界元法流体分析模块计算流体激振力，并用该模块提供的两种气弹颤振计算方法计算颤振速度：V-g法（也叫K方法或美国方法）和P-k法（也叫英国方法），这两种方法都是类似的，通过迭代方法求解临界颤振速度。 3.2.5.转子动力学分析 　　高速旋转状态下转子的振动形态是一种复合的运动状态：转子既要绕转轴本身的轴线旋转，同时又要绕两轴承中心的连线旋转，前者称为自转，后者称为公转或进动，这种复合运动的总称为涡动。在转子不平衡力驱动下，转子一般作同步正进动，当转子进动转速等于转子固有频率时，转子出现共振,相应转速就称为该转子的临界转速。 　　虽然转子动力学计算与转子系统在旋转预应力条件下的模态固有频率计算有相似之处，但计算转子临界转速必须要考虑旋转结构涡动时产生的陀螺效应（哥氏惯性力矩与离心惯性力矩）对转子临界转速的影响（其影响程度也随转子的具体结构而异），这是转子临界转速计算同其他非旋转结构固有频率计算的差异所在。 　　一般有限元程序均不具备计算转子临界转速的功能，但ANSYSStructural通用结构力学分析模块则提供了两种临界转速计算方法供用户选择： 　　第一种方法是将转子系统简化为梁结构，用BEAM4或PIPE16单元建模，这两种单元都可输入其自转角速度并提供陀螺阻尼矩阵计算选项，直接考虑陀螺效应； 　　第二种方法不用任何的简化，直接以三维实体的方式计算转子临界转速。这主要得益于ANSYS的两项独特功能：基于部件的旋转速度施加（针对多转子系统的临界转速计算）和旋转软化（SpinSoft）计算选项。旋转软化实际上就是“动刚度法临界转速计算”，直接考虑了陀螺效应对转子刚度的影响。 　　对于支承刚度和阻尼，这两种方法都可用ANSYSCombin14弹簧阻尼单元来建模，直接输入刚度和阻尼即可。在支承刚度和阻尼未知的情况下，也可直接在ANSYS中予以解算：前者对支承结构（包括轴承）进行静强度（刚度）计算即可完成，对于后者，由于通常都是轴承的油膜阻尼，ANSYS专门提供了独具特色的油膜单元FLUID136、FLUID138和FLUID139，分别用于计算油模的挤压、粘性和滑动阻尼。 3.3.高度非线性冲击动力分析 　　航空燃气涡轮发动机在高度非线性冲击结构动力学方面的分析需求主要有三个方面：发动机鸟撞过程模拟、机匣的叶片包容性分析、以及发动机抗异物损伤能力计算。 3.3.1.航空发动机鸟撞过程仿真 　　据概略统计，全球每年大约发生1万次鸟撞飞机事件，国际航空联合会已把鸟害升级为“A”类航空灾难。鸟撞对航空器尤其是发动机的破坏是灾难性的：一只0.45千克重的飞鸟与时速500公里的飞机相撞时，冲击力为8000多公斤，足以使发动机叶片或外罩等严重变形或断裂，造成灾难性后果。因此，航空发动机的抗鸟撞性能一直是设计者追求的目标，现代发动机研制时都要进行鸟撞物理试验，从最初的每只0.8公斤的单鸟撞击到现在的每只3.6公斤的多鸟撞击试验，通常要求发动机在鸟撞后仍保持足够的推力和能够继续飞行约20分钟。对于现代设计来说，由于鸟撞物理试验费用昂贵、周期长、难以提供足够的信息，因而通常都只是验证性的试验，在研究过程中，利用计算机进行有限元仿真模拟的技术得到广泛的采用，并成为主要的研究手段。 　　由于极高的撞击速度，飞鸟撞击发动机的过程发生在很短时间内，一般为50毫秒左右，此过程中飞鸟肌体将发生流动变形和解体而四处抛洒，发动机结构亦将产生大变形，甚至发生破坏，例如发动机风扇叶片断裂等。同时，结构的动态响应将在较长时间内持续发生，但令人感兴趣的时间段一般不超过100毫秒。利用计算机模拟鸟撞时，分析程序必须具备的功能是： 飞鸟物理材料的描述； 飞鸟流动变形以及破碎的描述； 飞鸟与飞行器接触的描述； 飞行器结构大变形、侵彻和破坏过程的描述； 针对大型数值问题的求解能力。 　　当前，世界范围内对鸟撞进行分析仿真所广泛采用的工具为ANSYSLS-DYNA，LS-DYNA是著名高度非线性有限元显式求解程序，主要用于分析结构在高速撞击、爆炸等动载荷下的动态响应，同时具有强大的流体功能，可进行流体/固体耦合分析。包括Boeing、GEAircraftEngines、PrattWhitney、Rolls-Royce、LockheedMartin、LoralVoughtSystems等在内的著名航空航天器及动力设备厂商，以及包括JetPropulsionLab、NASAGlennResearch、MIT、Oxford等在在内的高级研究机构，都在采用LS-DYNA进行包括鸟撞在内的发动机/飞行器结构动力及安全性分析。 　　飞鸟在高速撞击时将产生强大压力，足以使金属材料发生变形和破坏。在这样的变形条件下，飞鸟的材料呈流体。LS-DYNA中的飞鸟材料采用流体动力材料，此种材料除定义一般材料性质，如密度、粘度外，附加的状态方程用于定义其流体属性，如可压缩性，飞鸟破碎的参数等。 　　以前，人们在进行鸟撞问题分析或实验时主要关注结构（飞行器）的变形和响应，对飞鸟变形过程不够重视。导致这样问题可能的原因主要包括：1.早年程序中单元的变形能力不足以模拟飞鸟的流动和破碎过程；2.从鸟撞的整个物理过程来看，飞鸟对结构是唯一载荷，但载荷的大小不仅决定于飞鸟的动能，还与其流动过程以及破碎的时间密切相关。即正确描述飞鸟的流动和破碎过程对整个分析至关重要。以前的研究对此认识有欠缺。LS-DYNA提供三种方式： 采用LAGRANGE或ALE（任意欧拉-拉格朗日）； 采用EULER两种类型单元描述飞鸟的流动和破碎； 采用SPH光顺质点描述飞鸟的流动变形和破碎。 　　LAGRANGE或ALE的变形能力很大，足以描述与结构分离前的变形；EULER单元可正确描述任意程度的变形；SPH算法可准确描述飞鸟的解体和碎裂。 LS-DYNA在处理飞鸟与飞行器的接触过程中亦提供三种方式： 当采用LAGRANGE（或ALE）描述时，使用结构/结构接触算法； 当采用EULER描述时，使用流体/结构耦合算法； 当采用SPH描述时，使用SPH通用接触算法。 　　对于结构（主要是发动机叶片），可使用LS-DYNA附加破坏算法的结构材料，例如弹塑性破坏材料（金属叶片、金属外罩）或可考虑失效的叠层复合材料（如复合材料风扇叶片、复合材料外罩）等。 3.3.2.航空发动机叶片包容性分析 　　为了提高推进效率，现代大型航空发动机通常都由核心机和风扇系统构成，由于涵道比不断提高，风扇叶片也越来越大，通常每个风扇叶片重达20～25公斤，风扇叶尖速度可达300～600米/秒。同时，由于风扇叶片最容易受到鸟撞和异物冲击，严重时叶片发生断裂，释放出极大的动能。按照适航性要求，断裂的风扇叶片必须要包容在风扇机匣内，否则，叶片穿透机匣后一旦击中飞机油路系统或机舱，灾难性事故就难以避免。 　　发动机风扇叶片和风扇机匣通常由特种复合材料或钛合金等构成，要模拟这种高速冲击和侵蚀过程，要求软件必须能： 具有带失效的、能描述复合材料在高速状态下的特性的材料模式； 具有良好的变形体接触和侵蚀接触算法。 　　LS-DYNA具有7种带失效的复合材料模式和10种带失效的金属材料模式；53种变形体接触和3种侵蚀接触算法，综合运用这些功能，可以良好地模拟叶片与机匣的高速碰撞和破坏过程。 　　另外，为了增强风扇机匣的包容效果，通常会在机匣上缠绕高强度纤维织物（如凯芙拉碳纤维等），这些质量轻、强度高、韧性好的纤维材料能有效地包容穿透了金属机匣的叶片和机匣碎片。这些纤维织物在LS-DYNA里也可进行有效的模拟，前一页右下图即为ARA公司用LS-DYNA分析的一种用于发动机包容的纤维织物结构，该研究项目由FAA资助。 3.3.3.发动机异物损伤（FOD） 　　航空发动机在工作过程中，由于强大气流的作用等因素，在起飞或降落过程中，往往会吸入诸如小石子、飞机轮胎碎片、螺钉螺帽等（法航协和飞机失事就是因为发动机吸入轮胎碎片造成的），高速转动的发动机部件一旦与这些异物相撞，会发生严重变形甚至破坏，与叶片包容的算法类似，LS-DYNA对发动机的FOD设计也能提供很好的仿真结果，右图即为牛津大学工程科学系用LS-DYNA分析的一个FOD问题。 3.4.疲劳寿命分析 　　疲劳寿命分析在航空燃气涡轮发动机设计分析中占有非常重要的地位，实际上，在投入使用的发动机所出现的结构问题中，疲劳破坏占了相当大的一部分，发动机的叶片、轮盘、轴、传动系统等几乎所有重要构建都存在疲劳计算的问题。发动机零部件疲劳破坏可粗略地分为两大类：高周疲劳（应力疲劳）和低周疲劳（应变疲劳），前者通常发生在高振动、低应力、低温零件上，如压气机叶片、管路系统、轴及传动系统等，而后者则主要发生在高应力、高温零件上，如涡轮叶片、轮盘、燃烧室等。 　　材料疲劳破坏的机理相当复杂，涉及固体物理、金属学、固体力学等广泛的学术领域，具有某些边缘学科的性质。适用的疲劳寿命预测技术主要侧重于宏观领域的研究，由于影响因素众多，要想比较准确地进行寿命预测，有如下几个方面的要求： 准确的材料固有疲劳特性参数（应力－寿命曲线、应变－寿命曲线等） 准确的零件“应力－时间”或“应变－时间”历程 　　精确的算法（如高精度多轴算法、能考虑初始加工应力/平均应力/温度效应/表面加工状态等各种因素对疲劳寿命的影响、方便而准确的载荷谱处理能力、有效的累计损伤理论等） 　　在通用结构力学分析能力的支持下，ANSYS以其专用高级疲劳分析程序FeSafe为主的疲劳寿命分析能力为航空发动机各种零部件的各种方式的疲劳寿命计算提供了非常完善的工具，其主要特色包括： 　　超过200种材料的疲劳特性数据库以及Seeger算法近似计算材料疲劳特性参数； 　　丰富的单轴和多轴疲劳算法，尤其是基于准确的局部应力－应变计算、临界平面计算等独特技术的多轴疲劳分析提供了当今最高的疲劳寿命计算精度，它可分别考虑最大剪应变（适用于延展性好的材料）、最大正应变（适用于脆性材料）、Brown-Miller组合剪应变及法向应变（适用于绝大多数金属材料）等的多种方式； 　　提供了独一无二的疲劳功能：高温疲劳、蠕变疲劳、焊接疲劳、随机振动疲劳、微振磨损疲劳、铸铁疲劳、疲劳概率分析与评估、旋转对称疲劳模型等； 可考虑各种影响疲劳寿命的因素：残余加工应力、表面加工状态、开口敏感性、温度等； 可轻松地处理复杂载荷历程，等等。 3.5.断裂力学分析/损伤容限设计 　　前述疲劳寿命分析获得的是零件疲劳裂纹萌生时的寿命，实际上，很多零件在裂纹扩展的过程中还可以工作很长一段时间。例如，早期美国空军曾在发动机完整性大纲中规定：涡轮盘中只要有千分之一的概率出现1/32英寸的裂纹，这批轮盘即全部报废而更换为新盘。但随后的使用说明，在盘的某些部位是允许裂纹存在的，而且扩展到一定的长度也不至于造成灾难性事故，经过研究，原来报废的盘，其中90%均可重新使用。类似的事例说明：如果按照早期完整性大纲所规定的“安全寿命”设计，将会造成很大的浪费，也很不科学。因此，现在已经在航空发动机设计中引入了“损伤容限”设计原则（或“破损－安全”设计原则），即结构的某一部分已经产生一定长度的裂纹，该结构仍能在原定载荷状态下正常工作到下一次检修，在这一段时间内，裂纹不会扩展到临界尺寸。 　　裂纹的扩展特性由断裂力学计算来完成。在线弹性条件下，用裂纹尖端的应力强度因子K与材料本身临界应力强度因子Kc、以及裂纹扩展门槛值等之间的关系，来判断裂纹是否扩展以及扩展的速度；在裂纹尖端出现大范围塑性屈服的情况下，用弹塑性断裂力学参数J积分与材料本身临界J积分数据等之间的关系来判断裂纹扩展特性。 ANSYS通用结构力学分析模块提供了完整的断裂力学计算功能，可计算如下裂纹参数： 裂纹尖端应力强度因子KI（拉开）、KII（剪切）和KIII（撕裂） J积分(表征裂纹尖端弹塑性奇异应力和奇异应变的强度) 能量释放率(表示裂纹开、闭所需要的功) 3.6.拓扑/形状优化设计 　　优化设计作为一种新的设计方法，产生于20世纪60年代初，它是建立在近代数学规划论和计算机程序设计的基础上，能使一项设计在一定的技术和物质条件下寻求一个技术经济指标最佳的设计方案。在近代，优化设计愈来愈多地应用于产品的设计中，通过优化，零部件能够使其力学性能得到改善，并可获得最佳的结构尺寸。机械结构设计应用优化设计方法较传统的设计方法一般可节省材料7～40%，因此优化设计技术已越来越受到人们的重视。 　　在航空产品设计中，发动机的优化设计尤为重要。现代飞机尤其是军用飞机设计都追求尽量高的推重比，而对飞机推重比影响最大的就是发动机，对发动机推重比影响最大又是诸如叶片、轮盘等高速旋转的关键部件，这些零部件哪怕仅仅减轻1克的重量，对整个发动机以致整个飞机都会产生可观的影响。 　　ANSYS提供了非常完善的拓扑优化设计和形状优化设计技术来完成各种优化设计任务。拓扑优化设计主要用在产品概念设计阶段，用以确定在给定的载荷、边界条件、减重指标等限制条件下获得刚度/强度最佳、或指定模态频率达到最大时的拓扑外形，以此外形为基础，经过适当的满足工艺和设计要求的修正，即可得到真实的几何设计。如果再进一步，可在此几何设计的基础上通过形状优化来进一步完善。ANSYS的形状优化设计功能提供了两种不同的技术： 　　一是常规的优化设计技术，它通过ANSYS的参数化设计语言APDL建立参数化的几何（经典环境下），或者利用与CAD的双向参数传递功能直接利用参数化的CAD模型（新一代AWE环境下），在给定的设计变量（如尺寸）、约束函数（如尺寸范围、最大应力等）和目标函数（如重量）下，经过往复迭代求解最优化结果，每次迭代计算的设计变量集由各种优化算法自动确定，这些优化算法包括：零阶方法（罚函数法）、一阶方法（梯度法）、MonteCarlo法等等。 　　二是最先进的变分优化技术（VT技术），变分技术的基本原理是：在有限元分析矩阵（如刚度阵、质量阵）级别上利用高阶级数展开的方法建立他们与设计变量之间的关系，计算出来的结果与设计变量之间也是类似的关系。因此，可以通过一次有限元计算就可以建立设计空间的响应面/曲线，然后查询得到优化设计方案。与传统优化方法需要数十上百次完整的有限元计算相比，变分技术只需一个参数化的几何模型、只需一次网格划分、只需一次有限元求解就可得到设计空间和优化方案，可以极大地降低优化设计的计算规模、提高优化设计的效率，除此之外还有其它的优势： 　　设计变量的数目对计算时间的影响很轻微； 　　由于高阶导数的精确计算，也由于采用网格随移技术（用以计算目标函数与尺寸设计变量之间的高阶导数）避免了网格重划带来的模型误差，使得优化的精度也大大提高； 导数计算过程本身就自动获取了任意设计参数在其整个值域内的对优化目标的灵敏度。 除了满足常规的优化设计要求外，ANSYS的变分技术还提供了一些非常独特的优化设计能力，诸如： 与CAD软件的双向参数传递功能使变分技术能与CAD软件协同进行设计尺寸优化； 多目标优化：多个优化目标既可独立存在，也可加权成一个总目标； 　　离散变量优化：如加强筋的个数、点焊的个数、结构上的孔的个数、连接弹簧的的个数等离散变量均可作为优化变量；通过单元组的形式，还可实现拓扑优化； 图3-3-27“便览”曲线 集合变量优化：如型钢是按照型号选用的，型号一确定，所有的细部尺寸完全确定；相同的实例还有材料牌号等； 同时，ANSYS变分优化设计技术对优化计算结果提供了丰富的交互式后处理工具，包括： 设计空间图：设计变量与目标函数之间的关系，形成响应面或设计曲线，对离散变量有特殊的显式方式。 　　灵敏度：正则化的灵敏度图表，以直方图、饼图、灵敏度曲线等方式直观显示每个设计变量在其整个变化范围内对设计变量的影响程度。 蛛状图：即时反映所有的设计变量在其当前值的响应，可以容易地、形象地比较多个结果参数。 多目标优化的输出：给出三个优化的候选设计，“星号”的数量指示了目标达成的程度。 　　“便览”曲线（HandbookCurves）：当某一个设计变量取不同的值时，另一个设计变量在其整个变化范围内对设计目标的影响，该曲线反应设计变量之间的“相关性”。
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不惑之年之感叹
热度 10 chuzhenyu 2011-11-10 15:06
单位要解决仿真软件了，经过广泛调研、打分，最终高价购买知名但算法未知的国外软件成为首选，价格适中且有一定基础、正在稳步推进的国产软件被置之一边。纵观整个过程，回想起自己近几年来一直对仿真算法的摸索研究，倍感悲凉： 自加入这个行业迄今15年了，中国的电气化铁路从几千公里发展到现在的三万多公里，可谓硕果累累，各种奖项恐怕有几人高了，然而却很少有人真正投身于核心技术的研究，最近15年来就未见一篇关于牵引供电系统仿真数学模型的论文，诺大一个中国，电气化铁路都30000公里了，竟然一套国产的、完整的、国际水准的牵引供电系统仿真软件都没有！ 近6年来我和志同道合的同学一直在默默探索，同学也一直不断在研究、开发，数学模型已精细稳定，迄今已颇具规模，全面完成已指日可待。我也向单位做了推荐。然而在多次讨论中，不成熟、未鉴定等话语不绝于耳。 十几年的职业经历，自认在职业生涯中做到了喜欢这项职业，想当初女儿尚在襁褓中，每晚哄睡女儿之后自己在电脑前查阅资料、编程序，自我感觉在职业技术中的认识大为提高，每有进展则欢心鼓舞，置家人于一侧，以致于近年来屡遭家人诟病。另一面在职业工作中沉溺于技术，言语中常以技术论短长，殊不知已远离国情，不识时务。 女儿上4年级了，近年来经常长期出差在外，一回家则有宠溺，以致于女儿在性格、学习中多有不如意之处；自己也跨入奔5的行列，身心常感疲惫。 不惑之年才知道，在中国，认真做点技术，真不容易。可惜知道的太晚了，只能怪自己一直不醒火。
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行人仿真中的服务
热度 1 alphong 2011-10-31 12:14
行人在空间内移动是一个时空过程。但为什么会出现在空间内，为什么要移动呢，都源于服务。 那服务是什么？有什么特性？ 我查阅了服务的英文定义，中文解释。发现把这些概念直接用于行人仿真还需要拿捏捉摸，换一种说法。个人以为：行人仿真中的“服务”是一个过程，通过这个过程，行人得到需求上的满足。 既然是一个过程，就需要有空间上的位置，这就是服务作用域，服务影响域。服务作用域是指服务在什么地方对服务对象产生作用，也可以理解为服务区域。服务影响域是指服务能够作用到的行人群体，即能够满足行人什么样的需求。 既然是一个过程，也需要有时间上的跨度，这就是服务的作用时间，即行人需要多久才能在服务作用域内得到相应的自我需求的满足。 从服务的特性看，行人仿真中的服务至少有三个特性： 其一：利他性。服务都是行人以外的设施或者人员提供的，行人不能自我服务。因为自我的服务没有必要进行定义和指标采样，也不可能因为这个服务而影响到仿真的目的性。 其二：时空性。服务具有时间上的跨度和空间上的跨度。时间上的跨度前述已明，空间上的跨度以一例概之，如电梯服务。 其三：层次性。行人仿真中的服务主要有三类：生产性服务、辅助性服务、非生产性消费服务。生产性服务往往由多个服务组成，且这些服务之间具有强时空约束性，即有序性。如铁路的运输服务，由购票、安检、检票、运输等组成。当然，生产性服务中海包括一些可选的服务，如行李寄存、退票、贵宾服务等等。辅助性服务主要由公共免费服务组成，如休息座椅、公厕、开水间、电视等等。非生产性服务主要指行人仿真空间中与生产性服务无关的，行人需要付费才能得到的服务，如购物、餐饮等等。 上述仅仅是我对服务的一些初步认识，还需要分析，服务与需求之间的映射关系，服务作用机理，行人活动规划等一系列问题。 请继续关注。
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[转载]基于多智能体仿真平台Swarm的研究综述
热度 1 liuyongkui 2011-10-29 11:17
Swarm 是美国新墨西哥州的桑塔费研究所（ The Santa Fe Institute ， SFI ） 1994 年起开发的一个面向对象程序设计（ OOP ）的多智能体仿真软件工具，是一种基于 复杂适应系统 （ complex adaptive system ， CAS ）发展起来的支持 “ 自下而上 ” 或称 “ 基于过程 ” 的建模工具集 。 SFI 的 Swarm 开发组定义 Swarm 为用于复杂自适应系统仿真的多智能体平台 。 在短短十多年内，基于 Swarm 仿真平台的 应用研究 ，得到迅速的发展，所涵盖的研究涉及经济学、金融学、政治学、社会学、生物学、生态学、物理学、地理学、军事以及计算机科学等许多领域。 一、 CAS 理论 SFI 开发 Swarm 的目的是通过科学家和软件工程师的合作制造一个高效率、可信、可重复使用的 软件实验仪器 ，用来帮助科学家们分析复杂适应系统（ Complex Adaptive System ，简称 CAS ）。而 所谓的复杂适应系统是指经济、生态、免疫系统、胚胎、神经系统及计算机网络等系统的统称 ， 它是由遗传算法（ Genetic Algorithms, 简称 GA ）的创始人霍兰（ J. Holland ）于 1994 年在 SFI 成立十周年时正式提出的，也迅速引起国内外学术界的极大关注，并被尝试用于观察和研究各种不同领域的复杂系统，成为当代系统科学引人注目的一个热点 。 CAS 理论的 最大贡献 在于其提供了一种 “ 自下而上 ” 或称 “ 基于过程 ” 的建模研究方法，通过仿真重现真实世界的复杂现象。其核心思想是 “ 适应产生复杂性 ” ，主要体现在四个方面： ① 智能体（ Agent ，亦称代理人）是主动的、活的实体 ，这也正是 CAS 理论区别于其它建模方法的关键所在； ② 智能体与智能体、智能体与环境之间的相互影响和作用（即适应性）是系统演化的主要动力源 ； ③ 将宏观和微观有机地联系起来 ； ④ 引入随机因素的作用，使它具有更强的描述和表达能力 。 当然， 适应性是产生复杂性的机制之一，但不是唯一来源 。所以，与关于复杂系统的其它理论相比， CAS 理论有三个显著的特点，即： CAS 理论恢复了古代系统思想强调的活力观； CAS 理论对于宏观与微观之间的联系，给出了新的认识角度 -- 涌现（ Emergence ）； CAS 理论具有鲜明的可操作性，为进一步研究创造了十分有利的条件。 CAS 理论的产生与遗传算法紧密联系在一起，充分吸收了计算机科学与技术的成果，特别是人工智能和计算机模拟的结果，具有鲜明的可操作性 。 目前，基于多智能体（ Multi-Agent ）的仿真模拟软件比较多，相对有影响力的如美国西北大学网络学习和计算机建模中心的 NetLogo ，美国麻省理工学院多媒体实验室的 StarLogo ，芝加哥大学社会科学计算实验室开发研制的 Repast ，美国爱荷华州立大学的 McFadzean 、 Stewart 和 Tesfatsion 开发的 TNG Lab ，意大利都灵大学 Pietro Terna 开发的企业仿真项目 jES ，美国布鲁金斯研究所 Miles T. Parker 开发的 Ascape ，以及美国桑塔费研究所的 Swarm 。本文不对相关的软件进行比较分析，而是侧重于综述 Swarm 的研究进展，这是由于 Swarm 开发较早，并且得到更为广泛的应用，它可以使建模者把注意力更多地集中在自身专业领域，而不必花费够多的时间去编写软件 。而且，一些相关软件，如 Pietro Terna 开发的 jES 是基于 Swarm 开发的，而 Repast 具有与 Swarm 相似的功能和界面。 Swarm 是一组软件库的集合，建模者可以像堆积木（ Building bricks ）一样建造基于智能体的仿真模型 。 1995 年， SFI 发布 Swarm 第一个 Beta 版，采用 Objective-C 和 Tk/Tcl 语言编写，只能在 X Windows 和 Unix 操作系统下运行； 1997 年 1 月，发布了 Swarm1.0 版本，该版本能在 Solaris 和 Linux 操作系统上运行； 1998 年 4 月，发布了 Swarm 1.1 版本，由于引入 Cygnus Win32 包，解决了 Swarm 不能在 Windows 95/98/NT 上运行的问题； 1999 年年底， Swarm2.0 和 2.0.1 版本的发布又进一步提供了对 Java 语言的支持，从而使 Swarm 更方便于非计算机专业学者的使用； 2003 年 Richard Leow 和 Russell K. Standish 尝试用 C++ 语言编写 Swarm 库文件 ； 2004 年 6 月发布了 Swarm2.2 版本，从而使 Swarm 可以在 Windows XP 系统上运行。更让人兴奋的是， Swarm 已获得 GNU 公共许可证，所有文档实例、软件和开发工具的 Alla 组件、可执行部件和源代码都可以免费得到。 二、 Swarm 的结构特征 通常情况下， Swarm 模型由四个部分组成，即 模型 Swarm （ ModelSwarm ）、观察者 Swarm （ ObserverSwarm ）、模拟智能体（ Individual Agent ）和环境（ Environment ） ，通过类库包括许多可重复使用的类，以支持模拟实验的分析、显示和控制，用户可以使用 Swarm 提供的类库构建模拟系统使系统中的智能体和元素通过离散事件进行交互。 ModelSwarm 包括模型中行为的时间表和一系列输入和输出。输入的是模型参数，如对象的个数、初始值等；输出的是要观测的变量的值及模型的运行结果。 ObserverSwarm 是目标模型观察和测量的窗口，包括一组个体和一个行为时间表。其中，个体是用来观测的探测器以及输出界面，如图表、二维格点等；而行为时间表则用来描述各探测器采样的间隔和顺序。 基于 CAS 理论和 Swarm 建模思想及其结构，可以进一步归纳出 Swarm 智能体具有四大特点： ① 聚集（ aggregation ），即单个智能体可以相互粘附形成多个智能体的聚集体，并具有与单个智能体一样的运动趋势； ② 非线性（ non-linearity ），即智能体以及它们属性在发生变化时，不完全遵循线性关系，而是非线性关系； ③ 流（ flow ），即智能体之间所存在的信息流、能量流、物质流交换，当然流的渠道、速度直接影响着系统的进程； ④ 多样性（ diversity ），即智能体之间存在着差别，而且有着更加分化的趋势 。同时， Swarm 中智能体的活动机制则分别为： ① 标识（ Tagging ），其作用在于实现信息的交流，提出智能体在环境中搜索和接收信息的具体实现方法； ② 内部模型（ Internal Models ），表明层次观念，即每个智能体都是有复杂的内部机制的； ③ 构件（ Building Block ，或称 “ 积木 ” ），复杂系统常常是在相对简单的构件基础上，通过改变它们的组合方式形成的。 所以， Swarm 智能体是多层次、与外界不断交互、不断发展和演化的活的个体。 三、基于多智能体 Swarm 仿真平台的研究进展 由于 Swarm 对模型和模型要素之间的交互方式不做任何限制，使用者则可以将精力集中在所感兴趣的特定系统中，而不必受数据处理、用户界面及其他纯软件工作和编程等方面的问题所困扰，甚至对于非计算机专业学者而言使用也是相当方便。在国内， Swarm 的应用起步较晚，但发展趋势异常迅猛，尤其是 2001 年中国人民大学信息学院举办 “Swarm 仿真培训班 ” 以后，基于 Swarm 研究的学者越来越多。近几年美国桑塔费研究所 每年举办的 “SwarmFest” 和 “ 复杂系统暑期班 ” ，更为全球 Swarm 和 CAS 爱好者提供一个更加系统的学习交流机会。正是 由于 Swarm 可以模拟任何物理系统、经济系统或社会系统，所以受到国内外经济学、金融学、政治学、社会学、生物学、生态学、物理学、地理学、军事以及计算机科学等领域的专家、学者或爱好者们的广泛关注 。 基于多智能体的 Swarm 仿真平台在 经济学和生物生态学 研究领域的应用最为广泛，经济学主要集中在 市场供求关系、经济博弈论和金融 等研究领域。 1 、市场供求研究 在 Swarm 仿真平台上，不仅可以继续遵循以往那些被认为不再有希望而被抛弃的一些研究思路来仿真，而且可以为微观行为和宏观现象的交叉作用的研究开拓新天地。我们知道，对现实供需市场进行实验的难度很大， Pietro Trena （ 2000 ） 则率先利用 Swarm 来研究实验经济学，建立一个自发的无竞卖者的模拟 Hayekian 市场，扩展了智能体模型方法论在社会科学，尤其是经济学方面应用的内涵。 Charlotte Bruun 和 Francesco Luna(2000) 在一个 Swarm 人工经济实例中，进一步提出了一个具有周期性的内生增长经济模型。 Marco Corazza 和 Alessandro Perrone （ 2000 ） 提出的垄断市场供给造假的非线性随机动态仿真 Swarm 模型，研究了在垄断市场中供应造假的非线性随机动态系统，并首次在 Swarm 中应用图形描述法，描述状态空间动态过程。 Gianluigi Ferraris (2004) 则利用 Swarm 仿真平台，探索史前原始社会 “ 商业涌现 ” 的似是而非的动机，并发现在不考虑伦理问题的基础上，交易可能替代战争。邓宏钟、迟妍、谭跃进（ 2001 ） 提出的产品供求非线性 Swarm 模型，仿真模拟得出供求平衡出现条件和系统非线性现象，并进一步构建 Swarm 虚拟经济社会，研究食品产品供求关系，并生成能够反映产品价格变化的动态蛛网模型。张影、景旭、孙晓波（ 2003 ） 也构建了市场经济供求关系的 Swarm 仿真模型，验证了在一个封闭的经济环境下，仅仅通过各经济智能体之间的相互作用，就可以涌现出一致与有序的整体均衡行为，为自组织现象的研究提供了实验仿真依据。赫连佳鹏、景旭、孙晓波（ 2003 ） 则利用 Swarm 仿真平台对经济系统中的两个领域 — 决策系统与简单供求市场，基于智能体的人工神经网络仿真分析。任韬（ 2003 ） 将 Swarm 运用于伯川德模型及其扩展模型的仿真研究，检验微观经济学中关于寡头垄断厂商短期价格竞争的理论。雍丽英、景旭、孙晓波（ 2004 ） 针对寡头垄断市场结构的复杂性，提出寡头垄断市场 Swarm 仿真模型。 2 、博弈论研究 博弈论及其拓展的应用领域 已经成为经济学中的一个重要组成部分，但目前仍存在着 模型设定和模型分析 两方面的困难。 目前基于 Swarm 仿真平台的博弈论研究较多，充分表明博弈论研究中引入 Swarm ，为博弈论的实际运用带来更广阔的前景 。引入 Swarm ，主要是利用 Swarm 中的智能体来代表博弈的参与者（或局中人），利用时间表在某一时刻可以触发许多事件的特性，使参与者可以真正实现博弈论中的多阶段重复博弈，以达到对博弈模型分析的模拟与仿真的目的。 借助 Swarm 仿真平台进行博弈仿真，更易于获得重复博弈问题的均衡趋势，从而为人们在现实经济社会活动中的最优策略选择的学习与深化、制度安排与机制设计提供可靠的实证依据 。李玉丰等（ 2001 ） 借助 Swarm 仿真平台研究博弈论的定量化问题，以 “ 囚徒困境 ” 经典模型为实例，通过适应度来求解均衡结果，验证了理论的均衡解。邓宏钟、王军民、谭跃进（ 2001 ） 利用 Swarm 仿真平台仿真分析和验证了经济学一般均衡理论。邓宏钟、谭跃进（ 2002 ） 又基于多智能体的整体建模仿真方法仿真分析经济中的多人混合博弈问题，利用 Swarm 仿真平台建立博弈模型 —GAME ，并基于模型的仿真结果研究分析了博弈对象的数量、博弈半径和博弈规则对博弈结果的影响。王文举、杨思磊（ 2002 ） 研究了复杂适应性系统与博弈论的关系，发现二者之间存在诸多相似性：研究在一个给定的环境中智能体（即局中人）相互作用的问题；讲究策略互动思想并设计了很好的学习机制等。朱晔（ 2002 ） 利用 Swarm 仿真平台分析了金融系统中多智能体间的博弈关系。孙建、叶民强（ 2003 ） 也利用 Swarm 仿真平台验证了一个重复博弈模型。 Alessandro Perrone (2003) 沿用进化论，利用学习技术如遗传算法、分类器理论、多重遗传算法和随机搜索等，建立 Swarm 仿真模型，探索 “ 忙碌海狸博弈 ”(Busy Beaver Game) 的最佳解决方案。 Xu Jing ， Jiapeng Helian 和 Xiaobo Sun (2004) 基于密封式一级价格拍卖博弈理论，利用 Swarm 平台仿真模拟了竞拍模型观察招投标人的投标报价行为。当然，通过对仿真模型的扩展，可以进一步研究信息不对称动态博弈以及更复杂的博弈分析。 3 、金融研究 金融系统是经济系统中非常重要的组成部分之一，基于 CAS 理论和 Swarm 仿真平台的金融研究，主要是将金融系统内的所有相关智能体及资源等内容归结成一个复杂的适应系统，设计时空作为系统的承载体，形成模型的系统环境，然后引入金融系统的相关智能体。 Pietro Ternar （ 2000 ）提出 SumWEB 模型（基于网页应用的 Swarm ，其核心是用 Objective-C 编写的股票市场仿真平台，其思想是利用具体化的技术将人引入仿真平台），构筑了一个纯 ACE （基于智能体的计算化经济学）方法通向实验经济学的桥梁。 Massimo Sapienza （ 2000 ） 建立了 Swarm 银行网络仿真模型，对金融媒介活动的自发涌现进行实验研究。 Timothy E. Jare （ 2000 ） 则转向了金融领域中的一个不同的方面，即数值建模，噪音交易商及 Swarm 仿真系统，研究现实中所观察到噪音交易商的持续行为，并得出一个与传统模型预测相悖的结论，即这样的噪音交易商的存在会影响长期价格。 Alessandro Cappellini （ 2004 ） 在 Pietro Ternar 的基础上进一步通过人工控制实验室研究了股票市场的股民行为。李群（ 2002 ） 利用 Swarm 仿真平台，将贝叶斯金融市场建模的方法与多智能体仿真结合，研究金融市场的宏观突变行为与微观层面的交易者行为的联系，并挖掘某些市场现象深层次的微观解释。陈学彬、李翰、朱晔（ 2003 ） 基于 CAS 理论，从微观角度分析了商业银行所有者和经营者两类智能体各自的属性特征，及其在选择合约和利润分配过程中以自身效用最大化为特征的行为方式，并利用计算机模拟这些行为过程，来观察不同激励约束条件下的结果。模拟结果显示，提高经营者的固定报酬并不能够增加商业银行的收益，提高与经营效益挂钩的浮动收益比重有利于充分调动经营者经营积极性；不同风险类型的经营者对激励系数提高的反应不同，商业银行应通过长期期权制等长期激励方式适度提高经营者的风险承受能力。邓凯（ 2002 ） 采用 JAVA 语言编写 Swarm 金融仿真模型。 4 、生物生态学研究 生物圈、生态圈都是一个复杂系统。比如物种起源，对进化生物学家而言，是一个倍受关注的现象，然而现实进化过程中相对复杂性及长周期性，所以对其研究的难度很大。利用 Swarm 仿真平台对生物物种起源、繁殖、进化，生物圈内的食物链，以及生态时空演变等复杂问题进行模拟，不仅使得一些研究思路得于实施，而且还可以得到更加理想的结果。杜军平、 Brian Mayoh （ 2000 ） 应用 Swarm 仿真平台和 KOHONEN 网络，构筑了一个由许多地貌、植物和动物模型结合起来的 Swarm 模拟解决方案。 Todd Hoffenberg (2003) 则依据分布体系结构确定物种起源和联合适应的参数，建立了基于 Swarm 的物种起源模型，使物种起源的研究成为可能。 Steve Railsback (2002) 在 Swarm 平台上选择对河蛙从死亡风险、成长潜能和竞争等方面选择其栖息地以及海鲱迁徙的仿真模拟，来检验鱼类的生态学理论。谷可（ 2002 ） 利用 Swarm 平台模拟三个子系统的胡萝卜 - 兔子 - 狼的生态模型、两种捕食者 - 两种被捕食者的复杂生物竞争模型，有效地分析了各个系统的演化进程。魏一鸣、张林鹏、范英（ 2002 ） 建立了一个基于 Swarm 仿真的洪水灾害时空演化模拟平台，结合洪水灾害时空演化的模拟实例，结果表明 Swarm 的应用可以得到一些洪水灾害时空演化规律。 Chric Langton (2001) 建立传统农业系统合作的 Swarm 模型，首次通过基于智能体的建模技术，研究在传统农业系统中合作的涌现及特点。 Steve Jackson, Steve Railsback (2001) 将 Swarm 模型运用于大鳞大麻哈鱼的动态进化研究。关广丰等（ 2002 ） 借助于 Swarm 仿真平台，以蚂蚁作为聚集演化过程（典型的非线性过程）的智能体，通过定义蚂蚁的行为规则，对聚集演化过程进行了仿真，得出较理想的仿真结果，即蚂蚁行为规则的变化将使聚集体的形状、特征发生了根本性的改变。除此之外， Swarm 平台在战争冲突 、计算机科学 、股票证券市场 、民意预测 等领域也得到较好的应用。 经过十多年的研究和改进， Swarm 仿真平台帮助了社会经济、管理、环境资源保护和生物生态地理学等领域的研究人员创新研究思维，拓宽研究视野，其贡献非同小可，今后其作用也必将得到更充分、更深入地发挥。如在技术方面， Swarm 平台将跨跃单机操作向多台计算机联机操作转变，小型机向大型机延伸，程序编写也将进一步被高级语言，如 Java 等所取代；在应用领域，其应用层次将更加复杂化、系统化，应用领域也将逐渐拓宽，比如在物理、化学、材料学、航天航空、语言学、能源等领域应用。 参考文献 王雪霞． Swarm 经济仿真：基于代理人的模型和面向对象的程序设计 ．数量经济技术经济研究， 2001 ，（ 5 ）： 63-64 Francesco Luna Benedikt Stefansson ． Economic Simulations in Swarm: Agent-Based Modeling and Object Oriented Programming ． Kluwer Academic Publishers, 2000 弗兰西斯 · 路纳，本尼迪克特 · 史蒂芬森，编．景体华，景旭，凌宁，等译． Swarm 中的经济仿真：基于智能体建模与面向对象设计 ．北 京：社会科学文献出版社， 2004 叶民强．双赢策略与制度激励 ―― 区域可持续发展评价与博弈分析 ．北京：社会科学文献出版社， 2002 陈禹．复杂适应系统（ CAS ）理论及其应用 — 由来、内容与启示 ．系统辩证学学报． 2001 ，（ 10 ）： 36~39 王利．基于主体的仿真建模工具 ．计算机教育． 2005 ，（ 2 ）： 48~51 Pietro Terna ． Decision Making and Enterprise Simulation with jES and Swarm ． SwarmFest2003 ， 2003 丁浩，杨小平． Swarm— 一个支持人工生命建模的面向对象模拟平台 ．系统仿真学报， 2002 ，（ 5 ）： 569-572 Richard Leow, Russell K. Standish ． Running C++ Models under the Swarm Environment ． SwarmFest 2003 ， 2003 朱晔，叶民强．区域可持续发展预警的 Swarm 博弈仿真模拟探析 ．财经研究， 2002 ，（ 1 ）： 57-63 www.santafe.edu ； Gianluigi Ferraris ． Fruit and Meat: growing trading among wild prehistoric humans guys ． SwarmFest 2004 ， 2004 邓宏钟，迟妍，谭跃进．经济系统中的非线性建模与仿真 ．计算机工程与应用， 2001 ，（ 18 ）： 7-9 邓宏钟，迟妍，谭跃进．复杂经济系统的微观仿真分析 ．小型微观计算机系统， 2002 ，（ 12 ）： 1506-1509 作者： 刘荣添 叶民强， http://www.douban.com/group/topic/19343006/
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沃尔沃研发行人探测系统 辅助刹车防止碰撞发生
热度 1 alphong 2011-10-28 13:16
刚看到一篇旧闻（ http://tech.kexue.com/2011/0228/14808.html ），沃尔沃的行人探测系统，可以辅助驾驶员避免撞人事件的发生。之所以说是旧闻，一则这是今年2月份的消息，二则我早已从沃尔沃的汽车广告中得知。 这里我想提到的主要有以下几点： 其一，行人探测系统是什么？技术角度讲，行人探测就是行人识别，就是从车载系统中发射一定的辨识物质，如红外、如微波、如超声波等等，通过行人的反馈而被车载设备侦知，从而依据一定的技术手段，研判反馈者是否为行人。从而为驾驶员提供必要的决策信息，但并不能替代驾驶员。这其中有误判，有漏判，都可能出现意外情况。从行人仿真角度，这属于信息获取范畴，是仿真输入的一部分。 其二，为什么要有这个系统？按照道理讲，各行其道，何必多此一举呢。主要是因为人没有“行其道”？车也未必吧。在北京，汽车在自行车道行驶，在人行道行驶的经常看见。而人呢，不守交通秩序者也不乏。为什么会如此呢？据言，德国人很遵守交通秩序，红灯的时候，哪怕没有其他车辆，没有其他行人，哪怕天气恶劣，时间紧迫，也要等到绿灯才前行。信用使然，但中国不行。不是没有制度，是文化差异。从行人仿真的角度，这属于辅助决策部分，至于采用与否，还需决策者自己定。 其三，装了就好吗？工具延伸了人的潜能，诚然。有了这个系统，驾驶员可以有提醒，可以少犯错误，也可能必然损失。但是不是会出现相反的现象呢？比如，驾车的人不专心了，边开车边电话的人多了，边开车边YY的人多了，疲劳驾驶的人多了......因为有提醒嘛！那可能就乱套了。为什么，因为不专心，因为不认真。毛主席说，什么事都架不住认真二字。如果一个人做事的时候三心二意，那是品质问题。开车是搏命，不小心可能要了别人的命，也可能送了自己的命。试问，即便那个佛山撞压小悦悦的司机安装了这个系统，他就不会碾压人了吗？车轮下有异常，但凡司机都会感觉到的，关键是自己的内心感到了没有。从行人仿真的角度，这属于方法选择问题。行人仿真本身是技术（或方法），而这个仿真过程中也需要选择，好与不好，用与不用，也在心。 其四，不安装行吗？现在是知识保护时代，即便有人想装也未必如愿。如果驾驶员专心驾车，小心行驶，安全还是有保障的，国外不是有60年无事故的司机吗，我们国家也可以有，这个真可以有的。这让我想起来曾经看过的一篇论文，其中言及Pedestrian-oriented设计理念。说这个理念在上世纪50年代美国还立法了，但采用的确是Richer-oriented做法。原因也很简单，有钱人当权嘛！从行人仿真角度，这属于什么呢？我不知道了，大家给个答案吧。
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行人安全之我见
热度 2 alphong 2011-10-27 15:34
行人，什么是行人？ 按照中文的意思，行人应该是行进中的人，亦如英文中的Someone who is walking。但是当前的研究中，行人还有其他的意思，比如疏散中的行人，在仿真的起点并不完全是行人，很多是坐姿工作者。如果一个人遭到飞来横祸，如飞机失事、地震等，自身未动而身遭不测。这种情况下的人的安全应该不属于行人安全范畴，毕竟人没有行，很可能连行的念头都没有来得及有。因此，可以把行人理解为徒步交通单元。无论是灾难过程中的人员疏散，还是交通设施的仿真评价，其中的人都是行进中的，视为行人。 那么行人安全呢？安即平安，没有突发意外之事临近本我；全即周全，身体发肤没有失去分毫或者变形。基于这种理解，行人安全大致有几种情况： 1 人与人之间的安全。无论是拥挤还是踩踏都可能导致灾难，安全有风险人所共知。这种情况下的行人仿真主要在于人员集聚环境中演判组织方案的科学性。而应用包括安全疏散、枢纽人流诱导、体育赛事组织、大型集会管理等。 2 人与设施之间的安全。由于人的活动，会对设施造成冲击，从而引起行人的安全受到威胁。这种情况下的行人仿真主要在于（众）人的运动取向对设施的影响度，通过仿真参数改进设施的性能，以及空间内的布局，从而最大程度上降低对人的伤害。而应用包括演出设备的稳定性、桥涵通道的承载能力、服务设施的布局科学性等等。 3 人与运动物体的安全。这类情况下主要考量运动中的物体对人冲撞造成的危害程度，多属于医学和制造业领域，且人多为单个体的。与交通或疏散领域内的行人安全差距较大，非我等关注之列。 综上，可见行人安全的目的性吻合我上篇博文中的观点，主要用于疏散评估和服务设施配置规划。方案应用之前为规划，应用之中为管理，虽名和时不同，但人都是本，是和谐之核，安全之基。
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浅谈行人仿真的目的性和基本假定
热度 2 alphong 2011-10-26 12:02
行人仿真主要是用于对空间方案的科学性进行论文，并给决策者提供必要的数据参考。从当前的应用而言，主要体现在空间内行人疏散，和空间内设施的布局与评价。 行人疏散仿真过程中，一般假定行人是一个活动，即从所在位置向目的点移动。所在位置是依据空间内的行人基本状况随机生成的。如一个工作场所的最大行人数量为 n ，仿真中需要一次性生成；每一个人 P i 的空间区域为 R i ，则行人的初始位置为分区域随机生成，或所有该区域内的行人随机逐一生成。在移动过程中，行人要么行进，要么被阻碍。没有自我的时间调配能力。 空间设施仿真过程中，一般假定行人具有多个活动，即行人接续完成所有活动之后离开仿真空间。行人也不是一次性生成的，往往随着仿真时钟逐步从集散点进入仿真空间。行人生成的机理应满足仿真空间内的集散点的行人分布特性。但是，行人在这类仿真中应具有自我时间的调配能力，这是当前很多这类仿真缺乏之处。而且，这类仿真中的行人也可自主调配自己的活动安排，如增加或者去除一些活动。相关行人活动规划的论文还是比较少的，有待于研究者着力丰富。 不同的仿真目的不仅导致行人动力学模型的差异，也导致基本假定的差异性。 行人疏散仿真中，往往存在如下假定：行人是仿真开始的时间点是存在的；行人往往具有静态路径规划（意味着假定行人较熟知空间布局）；行人在行进过程中无法自我调节时间和行进速度；行人往往是相同个体（轮廓、运动能力、抗灾能力等等）；行人往往是理性的；不考虑拥挤力的传播...... 空间设施行人仿真过程中，行人活动序列往往假定已设置；从而导致行人具有静态路径规划（意味着假定行人较熟知空间布局）；行人具有一定的设施选择偏好；行人往往是理性的；不考虑拥挤力的传播...... 从现实看，行人疏散仿真基本可以满足需要，但空间设施行人仿真则变数更多，在行人时间调配，活动安排，路径选择等方面仍有不少可研究的区域。
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[转载]多物理场仿真——科研创新的新契机
chjw027 2011-10-20 16:37
我们习惯把自然界的各种现象用最基本的物理、化学、数学等理论来描述，这些理论大多分割清晰的学科领域来进行研究。这种分类的原因源于人类研究物理现象的思维方式。然而客观上，自然界本身是以极其复杂的形态而存在的。要对自然界的各种现象进行研究，简化是必要的，通过减少相关的实际效果，使得物理过程可以用数学描述并计算。基于这种“单物理场”分析的思路，我们建立了传统的仿真学，并且在各个领域取得了巨大的成功。“单物理场分析”，在数学上就对应于描述该物理过程的单个偏微分方程（PDE），我们在给定的边界条件或初始值情况下求出方程的特解，从而获得对物理量的分析结果。 然而随着人类认识能力的进步，我们现在经常需要解释一些相互作用的物理过程，并加以正确的预测。这一过程和“简化”相反，需要考虑多物理场相互耦合的模型。多物理场，就意味着求解偏微分方程组（PDEs）。 例如，流体的流动会导致热量的传递。流体的流动路径对热量传递有很大影响，动量传递会影响到能量传递。从简化的角度，我们可以先解决流体问题，然后预测流体中的热量传递，这就是所谓的单向耦合，一个物理场单向影响另一个物理场，而不受到反向影响。然而，如果流体的密度和粘度依赖于温度而变化，就必须同时求解热量传递和动量传递，这些物理过程相互影响，使得方程变成双向耦合的PDEs，这种耦合也称为强耦合。 流固耦合问题是另一种典型的例子。例如，人体心脏瓣膜是一种弹性体，流体的压力会导致瓣膜的运动，而反过来瓣膜也会改变血液流动的区域。在气动弹性力学领域，飞机机翼由于受到气流压力的波动而开始振荡，而机翼的振荡又会导致周围气流的周期性压力波动。这些都是强耦合的情况。 再比如电磁场分析。单物理分析，欧姆定律使用电压和电阻来定义电流。然而超导现象使人们认识到传统认识的局限，转而用磁场定义电流。今天，电磁相互依存早已成为共识。实际的情况往往更复杂。例如半导体仿真考虑载流子在电场作用下的对流扩散，同时产生焦耳热。热膨胀导致的形变会对扩散过程产生影响。实际上，材料的电导率、热导率、扩散率等特性通常也都具有热敏性。众多因素综合起来，半导体分析也表现为典型的多物理场强耦合问题。更比如磁流体、电流体、光化学反应、电化学反应、等离子体，如此种种，不一而足。 如果是单向耦合问题，间接耦合求解方式可以方便的处理；如果是双向耦合的问题，间接耦合求解方式逐个求解每个PDE并反复迭代不断修正结果。要想保证这种迭代近似的精度和有效性，建模的困难指数级增加，令绝大多数人望而却步。显然间接耦合求解并不适合处理强耦合问题。如果多个物理场对应的PDEs同时联立同时求解，虽然求解时间和占用的计算资源会不可避免的相比单物理分析有所增加，但面对复杂多物理问题时它仍然不失为一个好的选择，这就是全耦合求解。全耦合求解可以很好的处理高度非线性的强耦合多物理分析。 实际上，自然界的绝大部分物理过程均以强耦合的多物理相互作用的形式出现。要深刻研究这些复杂物理现象并得出正确的结论，必须进行强耦合多物理分析。有限元算法在这方面表现出巨大的潜力。与用于流体力学计算的有限体积法、用于求解波动问题的有限时域差分法不同，有限元法是一种更为通用的数值方法，在计算力学、热工、流体、电磁、化工、声学等众多领域都有着广泛的应用。当前多物理分析的兴起，无疑给有限元法的进一步发展创造了绝佳的机会。有限元算法的通用性可以使它不再局限于某一个学科，而是可以站在求解任意偏微分方程组的高度纵览全局，为多物理全耦合分析提供有力的支持。我们已经看到有限元数值分析正在发生深刻的变革，越来越多的有限元数值工具包将不再针对某一应用而开发，而是更多的为多物理分析提供支持。越来越多的人深信不疑，仿真的未来是多物理分析，多物理分析的便捷途径是有限元。成熟的有限元算法迎来了大发展的新契机。 数值分析从来没有像今天这样重要。当科技发展把我们带到多物理研究的轨道上来，传统的基于观察与实验的研究方法构建于简化与单物理分析的思维基础上，已经无法应对复杂的多物理相互作用。越来越多的人发现获得实验结果有时并不困难，给出令人信服的理论解释才是真正的挑战。不论是科研还是产品开发，实验研究与仿真技术的结合已经是大势所趋，而且数值仿真正在发挥越来越重要的作用。人们借助于单物理场数值分析在精度足够高的前提下迅速解决简单问题；使用多物理场数值分析理解和解决复杂的相互关系，为实验结果提供理论支持，开发新技术新产品。
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cygwin下NS2的安装说明
zswm27 2011-9-28 09:38
安装说明.txt 之前捣腾了很久NS2，没捣腾出什么结果，却编写了一个比NS2更酷的界面来运行NS2的仿真结果，呵呵，后来加入了新的项目组，导致NS2彻底被搁置，今天我师弟突然跑来问我NS2的相关问题，才发现其实我也忘的所剩无几了，翻出以前的记录，连安装步骤也快记不得了，哎，感叹我的记忆力是如此之差，为了保存，也为了方便网上大家的学习，把cygwin下NS2的安装说明上传，呵呵
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博士之路系列三：课题提出，课题研究，论文写作点滴
swuncyh 2011-9-15 20:55
完成了第二篇论文后，就想做点实用性更大的研究课题，主要是目前这个方向的算法很多，但很多算法只解决了其中一个主要问题，如果按照这种传统思路做下去，不一定好做，就想将这个方面或能够在实践中得以实际应用作为出发点来做，希望做出来的东西能够实际得以应用，所以针对这个小方向的问题进行了系统理论分析与仿真实验研究，在研究过程中，想法不段出现，不段通过仿真实验验证，但又不断被否定，最终想出了一个比较系统的解决方案，实验也得以验证。论文写作也是不断断续续进行，当做完成整个课题研究后，论文初稿也完成了，后来找家人帮助看论文，改进了不少表述甚至是错误，论文初步得以完成，但自己毕竟刚开始做研究论文，对此还不是十分放心，所以就了个关系不错的论文发表不错的研究做得扎实的博士生朋友帮助看自己论文，帮助改进了论文表述，特别是关于论文立论方面研究，使得论文整体上更完善，这篇文章是我做研究以来，进步最大的。主要有几点体会：研究工作要全面系统，逻辑上要严密，表述是中肯，不要说得过了，评论前人成果要客观与科学，特别是对于目前研究得比较少的问题，立论方面需要加强，可能通过仿真实验为论文提供坚实基础，否则审稿人认可没有研究价值，当然对于研究得比较多的问题，可以小讲；论文改进是无穷，不过多看多改是必要的，不要急于投稿，否则被审稿人看出大问题，几个月等待就白费了。
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博士之路系列二：得到创新点方法点滴
热度 1 swuncyh 2011-9-15 20:37
一年前，通过对自己小方向文献阅读，就想做点很少研究的，但实用性更大的算法，自己就坚持了，开始军写第二篇方向小论文，起初想用一个应用数学工具到这个领域里，做之前，感到创新点也不过是移植，但在用实验仿真过程中，通过多次算法参数，发现了一个规律和需要解决问题，经过思出了一种新的策略，并通过实验得到验证，算法性能也得以提高，就写成了第二篇文章，目前投到了一级学报中，无论这篇文章是否被录用，但有一点是在研究过程中，有时可能会发现问题和规律，这样也可能得到论文的创新点。
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基于Siemens NX开发的锚系设计与拉锚试验仿真专家系统
liuecsi 2011-8-16 11:54
本文投稿到中国造船工程学会计算机分会2011年年会 基于Siemens NX开发的锚系设计与拉锚试验仿真专家系统.pdf 刘志强 E-mail: liuecsi@126.com 研究方向：船舶辅机设计及制造装备、船舶企业信息化技术研究与应用 摘要 基于 Siemens NX 平台采用 VC 语言二次开发了船舶锚系辅助设计和拉锚试验专家系统软件，该系统建立船舶锚系辅助建模、自动装配和运动仿真功能。目的是通过计算机仿真试验替代木模实物拉锚试验，对锚系的拉锚过程和贴合状态进行仿真，并根据仿真结果对锚唇进行优化设计。 近八年已经在国内数家船厂的散装货轮、集装箱船、 VLCC 等大中型船舶锚系设计中进行了应用，应用结果表明，该系统和仿真技术可以替代木模试验队锚唇设计进行验证研究，节省成本和时间，值得在船舶行业中推广的技术。 关键词： Siemens NX 二次开发 船舶锚系 拉锚试验专家系统 拉锚试验仿真 锚唇设计 分类号： U662.9 TH122 正文 锚系设计的合理性对船舶航行的安全性很重要。然而现在的造船行业主要还是依靠设计人员的经验，根据不同的船型对锚系进行设计，然后根据设计方案制造木模，根据木模拉锚试验的结果对锚链筒和锚唇的位置和形状进行修正，直到达到理想的效果。每次调整设计结果后，都必须重新制造木模，整个过程浪费了大量的人力、物力和时间。 如何解决整个锚系统的选型设计及锚唇的结构优化设计是各船舶企业面临的紧迫问题。 Siemens NX 软件在提供了强大辅助设计和分析以及加工仿真等强大功能的同时，还提供了 UG OPEN/Grip 和 UFUN(User Function) 等二次开发工具。本研究针对当前船舶生产和设计实际中存在问题，利用 Siemens NX 为开发平台， VC 语言作为二次开发工具，开发了锚系辅助设计和拉锚试验专家系统软件，具有锚系外购标准件（如锚、锚链等）参数化图库模块、锚系非标定制件（如锚唇、锚台、锚链筒等）参数化辅助设计模块和自动建模模块，并在此基础上基于 Siemens NX 的开发了船舶锚系辅助设计和拉锚试验专家系统（ M-CAD/CAE ）系统。自 2003 年以来已经在国内数家船厂的散装货轮、集装箱船、 VLCC 、运沙船等大中型船舶锚系设计中进行了应用，应用结果表明，该系统和仿真技术可以替代木模试验队锚唇设计进行验证研究，节省成本和时间，值得在船舶行业中推广的技术。 M-CAD/CAE 系统流程（如图 1 ）和主要功能描述如下： 图 1 锚系辅助设计和仿真专家系统（ M-CAD/CAE ）流程 完成部分拉锚模拟试验，进行实验数据的收集、整理、分析，建立试验数据库。 结合工厂常用的锚、锚链、锚机的型号，兼顾船级社和国家行业标准建立锚、锚链、锚机的参数库。 开发了锚、锚链的参数化三维建模（辅助建模或外部模型导入功能）分系统。 开发了锚链筒参数化设计和布置设计分系统，并完成三维造型。 开发了锚唇的设计分系统。 利用计算机仿真分析验证所设计锚系，包括运动过程是否干涉及锚唇 - 锚贴合状态。 很据仿真试验结果对锚唇及锚系进行设计更改。 （ 1 ）外购标准件辅助选型和非标定制件三维参数化建模 结合 我国船舶行业常用的锚、锚链、锚机的型号，兼顾国家行业标准建立了锚、锚链参数库，同系列标准件可以通过一个程序实现参数的调用。每个标准件建立时都要有其中心基准，调用时就依据这些基准实现零件的准确放置。利用 UG 中特征的定位功能或者零件的装配定位功能，实现标准件与其他零件的位置关系。对于一个由几个标准零件装配在一起而组成的标准部件，可以先在后台数据库中建立相对应的参数传递，实现尺寸链接关系，再通过定位功能实现相互位置关系。还可以用某一个主参数去驱动其他次要参数，甚至还可以建立标准件位置间的约束参数，将约束参数和尺寸参数一同存入后台数据库，实现更大程度上的参数化。 锚系非标件主要包括锚链舱、锚链管、锚链筒、锚唇（或锚穴）。针对锚链舱、锚链筒、锚唇设计了参数化辅助设计模块，此模块利用 UG 二次开发工具 UIstyler 和 VC 语言开发完成。其中，主要利用 MenuScript 完成与 UG 平台及外部程序的接口设计；利用 UIstyler 完成人机交互界面设计；利用 VC 语言编程驱动参数化设计绘图。 （ 2 ）锚系自动装配建模 对前面对锚、锚链筒、锚唇、锚台、外板等三维建模之后，该系统根据锚系设计布置方案对锚系进行了自动装配建模。 （ 3 ）拉锚运动状态仿真和锚唇贴合仿真 锚系运动仿真主要目的为：一是检测起锚后锚在上升过程中是否和船体碰撞，我们称之为拉锚运动状态仿真；二是检测锚唇的设计是否合理，锚在收紧后能否很好地与锚唇贴合，以避免船舶运动过程中产生晃动及碰撞，我们称之为锚唇贴合仿真检测。 总结 通过设计锚系辅助建模设计与计算机辅助拉锚试验仿真专家系统实现了锚系的辅助设计、三维建模、自动装配和拉锚运动仿真分析模块。通过运动仿真分析对拉锚过程进行动态仿真 , 用以优化锚唇设计，可完全替代木模实验。此开发的软件和仿真技术可以对船舶锚系设计进行计算机仿真试验，分析锚唇设计的合理行，然后在此仿真试验的基础上，进行生产设计更改和优化。从多家船厂数十种船型锚系应用情况看，是值得在船舶行业推广的技术。
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仿真在教育中的应用初探
wangyunwu 2011-8-15 16:59
仿真在教育中的应用初探
仿真在教育中的应用初探.pdf Exploration on Application of Simulation in Education YunwuWANG, Lin CHEN College of Information and Communication, Xuzhou Normal University, Xuzhou, Jiangsu, China Email: jiaoyujishuxue@yeah.net Abstract: The application of simulation in education has broad prospects, with the gradual maturity of system simulation and modeling technology in recent years, system simulation technology which is gaining the attention of educational researchers to be one of the key technologies in the field of education. The article analyses the concepts of simulation(modeling and simulation technology), subject of simulation, simulation in education, reviews the development process of subject of simulation and simulation in education, summarizes the research status about simulation in education at home and abroad, and proposes promising prospects for the future research of simulation in education. Keywords: simulation; simulation in education; system simulation 仿真在教育中的应用初探 王运武，陈琳 徐州师范大学信息传播学院，江苏徐州，中国，221009 Email: jiaoyujishuxue@yeah.net 摘要: 仿真在教育中的应用具有广阔的前景，近年来随着系统仿真与建模技术的逐渐成熟，系统仿真技术逐渐引起了教育研究者的注意，成为教育领域中亟待应用的一项关键技术。文章在分析仿真（建模与仿真技术）、仿真学、教育仿真概念的基础上，回顾了仿真学科与教育仿真发展的历程，归纳了国内外教育仿真的研究现状，对教育仿真的未来研究进行了展望。 关键词: 仿真；教育仿真；系统仿真 1 引言 在人类发展史上，很早就有对仿真的应用。国际兵棋届认为孙子发明了世界上最早的兵棋“Wei Hai”——围棋的古代原形，很好地表现了孙子“不战而屈人之兵”的军事思想，产生了围棋这样高超的战争仿真模式。秦朝、汉朝的兵马俑，唐朝的唐三彩等都是古代仿真的应用。进入20世纪，随着建模与仿真技术的逐渐成熟，它已经被成功地运用到航空、航天、电力、化工等工程技术领域，而且日益广泛应用于社会、经济、生物、军事等领域，如交通控制、城市规划、环境污染防治、市场预测等。仿真在教育中的应用，尤其是职业教育、教育系统仿真中的应用，有着广阔的前景。 2教育仿真的相关概念 2.1仿真（建模与仿真技术） 关于仿真，国内外有不少界定。李伯虎院士认为“现代建模与仿真技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术及建模与仿真应用领域的有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，根据用户的项目需求，利用系统模型对已有或设想的系统进行研究、分析、设计、加工生产、试验、运行、评估、维护、和报废活动的一门多学科的综合性技术”。 仿真是为了理解系统行为，或者为系统的运作而评估各种策略（在一定的标准或系列准则下），而设计一个真实系统模型并在模型上进行试验的一个过程(Robert E. Shannonl, 1975)。 仿真通常是指在计算机上应用适当的软件模拟真实系统行为的各种方法和应用(Kelton, Sadowski Sadowski, 1998)。 仿真是为了理解系统的行为，或者为系统的运作评估各种策略（在一定的标准或系列准则下），而设计实际动态系统的动态模型的过程(Ricki G Ingalls, 2002)。 2.4系统仿真 随着计算机技术的发展，现代建模和仿真技术在各个领域得到广泛应用，逐步形成了特定的研究对象、相对独立的理论体现和研究方法。仿真正在从潜学科逐渐成为一门显学科，仿真的学科化趋势越来明显。 1989年，文传源认为：“系统仿真是一门建立在相似理论、控制理论和计算机技术基础上的综合性和实验型学科”。 系统仿真是运用计算机模拟或仿真各种各样的真实世界设施或过程运作的一系列技术(Law 2007)。计算机用于生成现实中的数值模型，以描述系统组件复杂的相互作用。系统的复杂性随着事件的概率及其性质、要素相互作用的规则、随着时间的推移整个系统行为感知到的难度的变化的而变化。 2.5仿真学 与仿真学相近的一个词汇是仿生学。仿生学是研究生物系统的结构和性质以及工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。仿生学把生物的功能或建造技术移植到工程技术之中，改善原有的功能或创造新的技术。仿生学成为人们设计思想和创造发明的源泉。一般认为仿真学是现代仿真学、系统仿真学、动物仿真学等概念的上位概念。仿真学的研究对象和研究内容与系统仿真学相比，比较宽泛。系统仿真学强调运用现代建模和仿真技术研究实际或假设的动态系统。 2.6教育仿真 教育仿真是建模与仿真技术在教育领域的具体应用。教育仿真研究主要包含两方面：仿真工具、技术、软件、方法等在教育领域中的应用；教育系统的仿真。前者主要是指运用仿真理论和技术开发仿真学习环境、仿真实验室等教育教学中运用的环境或工具。教育系统仿真是指对复杂的教育系统进行建模，运用仿真技术再现复杂的教育系统演变过程，从而可以发现教育系统发展过程中的问题，为教育决策者制定政策提供依据。 3仿真学科与教育仿真的发展 3.1仿真学科的发展 一般认为仿真学科的发展，有以下几个重要的阶段，形成了一定时期的主导技术及学科方向。1945年～1975年，模拟计算(包括混合计算)及类比(相似)仿真方法与技术；1975年～1985年，数字计算及数值仿真方法与技术；1985年～1995年，网络计算及分布交互仿真方法与技术；1995年至今，一般建模与仿真理论及方法论。 如果把古代仿真考虑在内，1945年之间则为古代仿真期。进入21世纪随着计算机技术和网络技术的快速发展，仿真呈现了“数字化、虚拟化、网络化、智能化、集成化、协同化”的特点。 我国开展仿真系统的研究与应用较早，如北京航空航天大学于1958年研制无人驾驶飞机时，就曾进行了地面仿真试验，随后开始研制一、三自由度转台，空一空弹仿真试验系统。其后，国内不少单位研制了模拟计算机、数字计算机、仿真数字计算机、仿真软件，建立大型仿真试验室，研制各类训练仿真系统，如：飞行模拟器，舰船模拟器，电站模拟器、汽车模拟器等。在理论上我国首先提出了系统仿真学科的专门基础理论——相似理论的初步体系。 1988年11月，中国系统仿真学会成立，建立了仿真技术应用专业委员会、虚拟技术及应用专业委员会、数字娱乐仿真专业委员会等12个分支专业委员会。 此外，《系统仿真学报》、《系统仿真技术》、《计算机仿真》、《指挥控制与仿真》等一些学术期刊，有力推动了我国的仿真研究。随着对仿真研究的深入，仿真的应用领域越来越广泛，并且取得了较好的应用效果。仿真技术是推动高科技发展、建设创新型国家的关键技术之一。仿真产业正在蓬勃发展，正成为推动国家创新的重要新型产业。鉴于以上原因，国内有学者呼吁仿真成为一级学科。 仿真学科发展史上主要有以下标志性事件。1952年，J. H. Mcleod倡议成立了世界第一个仿真学会。1963年，更名为国际计算机仿真学会(SCSI)。2000年，更名为国际建模和仿真学会。1956年，成立国际模拟计算机联合会(AICA)。1976年，更名为仿真中的数学和计算机联合会(IMACS)。1972年，五个新兴学科(IMACS、IFAC、IMEKO、IFORS、IFIP)得到联合国教科文组织(UNESCO)的支持，成立了五个新兴学科学会国际协调委员会(FIACC)。1989，欧洲各国仿真学会联合成立了欧洲仿真学会联合会EUROSIM(Federation for ENROPEAN Simulation Society)。一般认为1952年SCSI成立和和1956年AICA的成立，是仿真学科诞生的标志。 3.2教育仿真的发展 仿真在教育中的应用具有悠久的历史。中国是算盘的故乡，算盘起源于汉代，后来被世界各国用作计算工具和教学工具。我国学者段海滨认为算盘就是一个原始的“仿真机”，它部分模拟了人的计算智能。 我国北宋、明、清时期，针灸教学中经常用“针灸铜人”作为教具。针灸铜人是用古代教学中应用的一种典型仿真教具。针灸铜人是用青铜浇铸而成的人体经络腧穴模型。其高度与正常成年人相近，胸背前后两面可以开合，体内雕有脏腑器官，铜人表面镂有穴位，穴旁刻题穴名。同时以黄蜡封涂铜人外表的孔穴，其内注水。如取穴准确，针入而水流出；取穴不准，针不能刺入。 1989年，陈舜明、金仲根在《农业系统科学与综合研究》发表《教育发展动态仿真》，运用系统动态学原理及方法，设立了合川县教育发展动态仿真模型，提出了六套教育发展备选方案。 这是我国最早对仿真在教育中的应用进行探讨的论文。 2008年8月11日－13日，全国教育仿真技术培训班在大连举办。这次培训班由中国教育技术协会主办，大连海事大学协办，大连市人工智能与计算机辅助教育学会承办。主要培训内容有：虚拟现实技术与仿真模拟技术；以就业为导向的职业教育与仿真模拟软件、虚拟现实软件开发工具及应用；仿真实训软件开发及应用实践；仿真实训软件示范基地建设等。 2008年12月，中国教育技术协会仿真技术专业委员会成立。仿真委员会的成立是我国教育仿真技术发展的一个新的里程碑。 国外早期仿真在医学中的应用始于18世纪法国助产士古德雷夫人的分娩机。一个世纪后，出现了另外一种重要的模型，用来帮助练习掌握生命救护技能，如心肺复苏操作等。同时，首次全面病人仿真器正在开发，但是只有少数有特权的学员使用。直到1990年，类似的这种仿真器终于成功商业化。由于价格的原因，这些复杂的交互式培训模型的应用推广比较缓慢。到2007年，据估计有4500多个高逼真度病人仿真器已销往世界各地，其中英国大约占10%。 早在20世纪初，国外就开始利用仿真设施培训飞行员。20世纪初，为了实现载人飞行的梦想，培训重要性被释放出来。尤其是第一次世界大战和第二次世界大战的爆发，需要培训大量的飞行员，这种需求更加旺盛。各种各样的培训准飞行员的仿真设施应运而生，在培训飞行员过程中发挥了重要作用。综合飞行训练设备、运动系统训练器、空气发生训练器、飞行仿真设备、数字仿真器等一些仿真设备成功应用于飞行员培训中。 在航天员的培训中，仿真设备或仿真环境的应用发挥了卓越的功能。航天员可以借助仿真的设备或仿真环境获得与太空中接近的体验，可以仿真操作各种设备或处理各种故障。仿真器中所实现的训练为航天员进入太空提供了足够的经验，仿真功能能够满足航天员的训练要求。 通过以上分析可以发现教育仿真的发展历史大体可以分为三个阶段：20世纪以前为古代教育仿真阶段；20世纪初至20世纪90年代末为现代教育仿真阶段；21世纪初至今为教育系统仿真阶段。20世纪以前，主要是简单的仿真工具在教育中的应用。20世纪，随着计算机和网络技术的迅速发展，现代化的仿真工具或环境在教育中得到应用，是现代教育仿真阶段。任何技术在教育中的应用都具有滞后性，现代系统建模与仿真技术在教育中的应用，同样具有滞后性的特点。进入20世纪80年代，随着网络计算及分布交互仿真方法与技术的快速发展，建模与仿真理论及方法论逐渐成熟。仿真的应用领域逐步由自然科学扩展到社会科学。教育是一个复杂系统，教育的发生和发展规律很难被人们深刻认识。认识教育系统的复杂性，需要除理论和试验之外的第三种方法。系统仿真，作为认识事物的第三种方法，在教育中的应用将会由广阔的前景。进入21世纪，开始有人初步探讨教育系统仿真，系统仿真在教育中得到进一步应用。 4教育仿真的研究现状 4.1国外对教育仿真的研究 国外关于仿真的知名学术期刊有10多种，其中最关注教育仿真的期刊是Training Simulation Journal, 该期刊2000年创刊，为双月刊，主要关注培训和仿真领域中的新问题、新技术和新产品。 关于教育仿真的学术会议有：International Conference on Simulation in Education(ICSiE); ABSEL(Association for Business Simulation and Experiential Learning) National Conference；SAGSET(The Society for the Advancement of Games and Simulations in Education and Training) Conference；Training, Education Simulation International(TESI)；Interservice/ Industry Training, Simulation Education Conference。 国外有关教育仿真的代表性著作或论文集有：《仿真和学习的未来：e-Learning创新的方法》(Aldrich, C. 2003)，《高等教育中使用仿真促进学习介绍》(Hertel, J.P. B.J. Mills, 2002)，《通过仿真学习：商业和教育中的仿真设计与运用指南》(Fripp, J. 1993)，《教育和培训中的仿真游戏》(Cookall, D. 1988)，《仿真：教师和培训员手册》(Jones, K. 1987, 1995)，《国际仿真与游戏年鉴：教育中的仿真研究》(Saunders, D. 1997)，《仿真和游戏年鉴：教育培训中的游戏与仿真促进会年鉴》(Percival, F. D. Saunders, 1993)等。 近年来，国外教育仿真研究的关注点有：仿真或游戏软件的设计与开发、教育中应用的仿真教具的设计与开发、职业教育中的游戏与仿真、仿真对学生积极学习的影响、培训中的仿真应用等。 4.1国内对教育仿真的研究 国内对仿真工具、技术、软件、方法等在教育领域中的应用进行了一些研究。从CNKI检索来看（“教育仿真”或“教学仿真”为检索词，截至2010年5月11日），关于仿真在教育中应用的硕士学位论文约有40篇（尚未有博士学位论文），期刊学术论文约1256篇，会议论文约54篇，报纸论文约19篇。国内有关教育仿真的期刊学术论文年度分布如图1，1989-2000年发表学术论文约80篇，2001-2005年发表学术论文约252篇，2006-2009年发表学术论文862篇。2000年以后，我国对仿真在教育中的应用研究逐渐增多，尤其是2005年以后研究论文显著增多。 Figure 1. Annual distribution of journal articles about education simulation in China 图1国内有关教育仿真的期刊论文年度分布 目前研究关注的内容有仿真实训教学系统、教学试验仿真系统、仿真教学培训系统、教学试验仿真技术、教学仿真实验室、教育仿真软件、仿真教学资源、教育中的动画仿真技术、仿真教学模式、三维仿真数控教学系统、教学试验视景仿真系统、虚拟仿真技术与职业教育、教育投入状况分析与仿真预测、模拟与仿真教育技术等。 到2009年为止，我国对教育系统仿真的研究还相当少，尤其缺乏代表性研究成果。2003年，蒋忠良和黄荣怀在论文《基于Oracle和MGL的WebGIS教育仿真系统设计》中，分析了采用Oracle Spatial作为空间数据库，GML作为传输数据格式开发WebGIS远程教育仿真系统的技术特点和设计关键内容，提出了实现一个教育WebGIS系统的开发的设计思想。 2009年，贺争平、周洪涛等在论文《广西经济－教育－科技协调发展系统的仿真研究》中，依托传统的区域经济理论和复杂社会经济系统的有关理论和方法，构筑了广西经济－教育－科技协调发展系统的动力学模型，深入剖析了广西经济－教育－科技协调发展系统内各要素之间复杂的相互作用关系，通过计算机仿真初步模拟了系统运行过程，预测了未来10年广西经济—教育—科技协调发展的变化趋势。 目前我国对教育仿真的研究主要集中于仿真工具、技术、软件、方法等在教育领域中的应用，而对教育系统仿真的研究相当匮乏。之所以会出现这种现象，主要有以下四方面的原因。第一，教育是一个复杂问题，教育系统是一个独特的复杂系统，具有开放性、不可还原性、非线性与非均衡性等特征。国内外学者对教育复杂性的研究多局限于对传统教育思想和理论的反思，对适用于复杂性教育系统的管理与控制方法缺乏科学而深入的研究，用定性分析开展描述性研究多，用数学、计算机模拟等方法开展定量研究少，缺乏专门组织从事教育复杂性研究，许多研究工作是学者个人兴趣所至，研究内容不成体系。 教育系统自身的复杂性制约了系统仿真技术的运用。第二，教育系统仿真涉及到教育学、仿真学、运筹学、复杂性科学（包括老三论“控制论、信息论和系统论”和新三论“耗散结构论、突变论、协同论”，以及混沌理论、超循环理论等其他学科理论）、计算机科学、虚拟现实技术等多门学科或技术。从事教育系统仿真研究需要具有多学科的背景知识，并且具有很强的跨学科研究的能力。第三，系统仿真技术在教育中应用的优势还没有充分显现出来，目前尚无运用系统仿真技术支持教育发展的成功案例。第四，需求是推动科学研究的的根本动力，目前教育领域中尚未出现运用系统仿真技术解决教育问题的迫切需求。与此不同，仿真工具、技术、软件、方法等在教育中确得到广泛应用，且取得了良好的效果，获得了较多研究者的关注。 5教育仿真的研究展望 仿真在职业教育具有广阔的应用前景。2006年，教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》中明确提出：“要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验”。中国教育技术协会仿真技术专业委员会秘书长于双和提出仿真实训在职业教育实训教学中发展前景如下：①实现仿真实训环境与仿真实训操作对象统一成一体，如仿真实训工地、车间、工厂等；②计算机仿真实训，向质量检验标准化，使用操作程序化，设计（教学）、编写（脚本）规范化，制作合成专业化方向发展；③计算机仿真实训，将纳入职业院校实训教学方案、实训基地建设方案及教育教学改革方案之中；④有实物介入式计算机仿真系统将成为职业教育仿真实训教学中的又一个亮点。随着实训仿真技术的发展，实训内容、实训手段、实训设备将发生变革，传统的校内、外实训基地模式将向着校内、外实训基地与虚拟实验实训相结合的教育实践模式。 职业教育对仿真技术的需求异常迫切，这必将会带动一批人加入到仿真在职业教育中的应用研究队伍之中。 除了职业教育之外，仿真在学历教育中也有广泛应用。仿真教具、仿真化学实验室、仿真物理实验室、仿真教学环境（如Second Life 中的前沿虚拟课堂等）等都被用于教育教学中。数控加工仿真软件、单片机仿真软件、电路仿真软件、工厂仿真软件、路径规划仿真软件、城市仿真建模工具、军事仿真软件都成为教学中的得力助手。围绕教育用仿真软件或仿真环境展开的研究将会成为教育仿真研究的重要内容。 教育系统仿真技术是教育技术学领域中的一项关键技术。 如果能够恰当地将系统仿真技术应用于教育领域，必将会成为推动教育发展的利器。从系统仿真在教育中的应用范畴看，有三方面的具体应用：宏观教育系统仿真、中观教育系统仿真和微观教育系统仿真。比如，国家教育信息化发展模型与仿真、国家教育系统发展演化的仿真则属于宏观教育系统仿真的应用；区域教育投资决策模型与仿真、区域教育信息化发展模型与仿真则属于中观教育系统仿真的应用；学校教育资源共享模型与仿真、学生个体学习行为的改变与演化仿真则属于微观教育系统仿真的应用。对教育系统进行仿真的主要目的是通过再现教育系统的发展演变过程，分析教育现象与教育过程，发现教育发展中存在的问题，以便为教育决策者制定合理的决策提供有效支持，或对教学进行正面干预以促进学生的发展。对教育系统仿真进行研究有着广阔的空间，但是由于教育系统极其复杂，而系统仿真又涉及多门学科或技术，这就需要研究者具有多学科的背景知识和跨学科研究的能力。 参考文献 China Association for Science and Technology Academic Department, Simulation-The Third Method for Understanding and Transforming the World . Beijing: China Science and Technology press, 2007, P2. SIM0183 Simulation http://staff.unak.is/not/andy/Year%203%20Simulation/Lectures/SIMLec2.pdf. 2009-06-03. Introduction to Simulation http://www.eng.uwi.tt/depts/mech/ieOld/ugrad/courses/ieng3016/Simulation/Chapter1.pdf. 2009-06-03. SIM0183 Simulation http://staff.unak.is/not/andy/Year%203%20Simulation/Lectures/SIMLec2.pdf. 2009-06-03. Chuanyuan WEN, System Simulation Science and Simulation SystemTechnology . Journal of System Simulation,1992,Vol.4, No.3, P1-8. Systems Simulation http://en.wikipedia.org/wiki/Systems_Simulation. 2009-06-03. Zhengzhong WANG, Study of Simulation Discipline .Journal of System Simulation, Vol.19, No.18, P4102. Chuanyuan WEN, System Simulation Science and Simulation SystemTechnology . Journal of System Simulation,1992,Vol.4, No.3, P1-8. China Association for Science and Technology Academic Department, Simulation-The Third Method for Understanding and Transforming the World . Beijing: China Science and Technology press, 2007, P34. Shunming CHEN, JIN Zhonggen, Education Development dynamic Simulation . System Sciences and Comprehensive Studies in Agriculture, 1984,No.4, P54-59. Brief history of 'simulation' in midwifery education . http://www.studentmidwife.net/educational-resources-35/midwifery-history-43/1631-brief-history-simulation-midwifery-education.html. 2009-09-08. A Brief History of Aircraft Flight Simulation http://homepage.ntlworld.com/bleep/SimHist1.html. 2009-09-08. Training Simulation Journal http://www.tsjonline.com/index.php. 2009-09-09. Simulation in Education and Training http://www.site.uottawa.ca/~oren/sim4Ed.htm #1-assos. 2009-09-09. Zhongliang JIANG, Ronghuai HUANG, System Design for WebGIS Education Simulation Based on Oracle and MGL . Chinese University Techonology Transfer,2006,No.S3,P 100-101. Zhengping HE, Hongtao ZHOU, Wei ZENG, Yushuo CHEN, Qi FEI, Research on Simulation of Guangxi Economy-education-science and Technology Coordination Development System . Journal of Guangxi University: Nat Sci Ed, 2009Vol.34,No.3,P396-399. Qiang WANG, Progress in the Research of Complexity System in Education Science .Open Education Research, 2003,Vol.9,No.4,P16-19. Shuanghe YU, Promoting Practice Teaching Reform with Education Simulation Technology . The 9th China Education Informatization Innovation and Development Forum, 2009. Ronghuai HUANG, Some Key Technologies in the Field of Education Technology . China Educational Technology, 2005,No.4,P5-9. 本文发表于System Simulation Technology Application(Volume 13) Copyright @ 2011 by Scientific Research Publishing (SRP), Inc., USA
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[转载]多领域多学科物理建模工具MapleSim 5 发布!
COMSOLFEM 2011-8-12 10:31
MapleSim 5 发布 MapleSim 5 提供了大量的改进功能，帮助你有效地管理模型的复杂性。 MapleSim 5 提供更广泛的应用范围、精简的建模环境、处理异常复杂模型的能力，能够更容易地处理大型项目和更快获得结果。 更广泛的应用范围 MapleSim 5 提供超过 150 个新模型元件，拓展了 MapleSim 的建模能力和范围。 · 电磁模型库 . 新的电磁模型库中的元件包括电磁螺旋管模型、饱和变压器、电机、以及其他设备。电磁设备被应用于广泛的领域，例如燃油喷射、透析机、电力传输、洗衣机、齿轮箱等。 · 热流体库 . 通过热流体库中的元件，你可以在 MapleSim 中模拟管道和阀门中的热损耗。这个库对冷却应用特别有用，例如从涡轮发电机、点击变压器、或其他设备中散热，目的是获得最佳的性能。 · 新的电气元件 . 新增加的元件包括多相开关、模拟开关、半导体、三相变压器、数字转换器等。 · 新的机械元件 . 新增加元件包括 1-D 平动和旋转运动、力驱动、传感器等。 更快的模型建立 · 增强的模型诊断器 . MapleSim 5 中的模型诊断器得到增强，辅助你测试和创建模型，以及解决模型中可能存在的问题。除了模型构建诊断外， MapleSim 5 现在提供模型自身定义相关的早期反馈，因此你可以在运行仿真之前尽早发现潜在的问题，并根据提示诊断信息修正你的模型。 MapleSim 高亮颜色标识受影响的元件，显示模型中问题的位置。在很多情况下， MapleSim 会提供向导帮助你解决这些问题，例如告诉你哪些变量可能需要改变。由于这些诊断功能，可以避免或快速解决许多仿真问题，显著地减少模型开发时间。 · 更好地控制参数和初始条件 . 你可以直接修改参数和初始条件值，从而快速体验模型，无需首先寻找模型中参数定义的子系统或元件。你也可以临时覆盖系统变量，例如修改共享模型库元件或子系统中的单个实例。当你对结果满意后，你可以选择保持不同的值或使用新的值。 · 模型参数集管理 . MapleSim 5 更容易管理参数集，提供管理面板让你对比不同的参数集。 · 3D 动画输出 . 你可以在演示中使用 3-D 动画仿真结果，以及使用 .mpeg 格式的视屏文件与没有安装 MapleSim 的同事分享成果。 · 增强的模型设计环境 . 模型设计环境的改进包括可以智能地对模型框图重新布局为更简单和清晰的形式，可扩充的端口标签，自动标示子系统的端口。好处是可以更快地构建模型框图，更容易解释结果。 · 增强的 3-D 建模环境 . 3-D 建模环境在许多方面得到改进，让你更容易构建和探索 3-D 模型。 MapleSim 5 允许自由缩放选择部件或光标位置。对于同一位置的多个元件，你可以方便地通过列表选择指定的元件。 MapleSim 5 提供快捷键连接元件，自定义网格属性，更好的动画控制。 · 强大的工具帮助创建自定义分析模板 . MapleSim 提供预置的分析模板，自动提取模型的系统方程和其他信息，你可以立即开始研究你的系统。 MapleSim 5 提供了一个应用程序界面（ API ）进入这些功能，因此你可以更容易地开发自定义分析任务模板。这些新的命令让你更容易操作模型，你可以提取参数和方程、初始化模型、运行仿真、等等。 · 对系统方程提取的改进 . MapleSim 让你可以获取模型的底层系统方程。在 MapleSim 5 中，这些方程表示为可读性更好的形式，让你可以利用 Maple 中广泛的分析工具更好地理解、操作、分析系统。 · 更容易对模型设置 . 在 MapleSim 5 中，你可以直观地设置模型，即使你同时在观察一个子系统。模型设置可以从 inspector 面板或项目管理器中进入，并且归类到折叠的段落中，你可以快速发现要找的值。 · Modelica 导入 . MapleSim 5 提高了 Modelica 模型的导入速度。此外， Modelica 导入功能得到拓展， Modelica 标准库中基于电磁和热流体的元件和模型可以直接导入到 MapleSim 中。 仿真更多类型的系统 · 代码生成支持所有的 MapleSim 模型 . 优化的代码生成现在支持所有的 MapleSim 模型。代码生成工具得到增强，现在支持包含离散时间的连续系统， MapleSim 现在可以生成高度简洁的 C 代码对任意的 MapleSim 模型进行仿真。代码生成提供选项，代码可以包含固定步长的求解器，这些免费的代码可以脱离 MapleSim 集成到其他系统中，例如在 VC++ 环境中将 MapleSim 模型输出的 C 代码作为虚拟工厂模型使用。 · 启发式建模的增强 . MapleSim 可以自动识别复杂模型中更多的初始条件。 · 大型系统计算效率的重要改进 . 模型的预处理采用了最新开发的算法，这个关键的步骤让大型系统的计算有了显著的改进。此外，内存管理方面也得到了改进，进一步降低了仿真的内存需求。由于这些重要的改进， MapleSim 5 可以明显超越早期版本，能够仿真更大型的系统。 · 更快的仿真 . 多个特定领域中的仿真速度得到提高，例如大型液压网络、以及传动系统中的离合器、刹车、和摩擦力。 · 对 Maple 计算功能利用的改进 . 全部的模型仿真现在可以无缝连接到 Maple ，包括参数化模型、编译、和连接，允许你在 Maple 中完成超快的参数扫描和优化计算。你也可以使用 Maple 的网格计算工具更快地得到计算结果。 MapleSim 附加工具箱 新的和改进的工具箱，让你可以充分组合使用 MapleSim 和其他产品各自的技术优势。 · MapleSim Connector for dSPACE® Systems . MapleSim 与 dSpace 系统的接口工具箱，自动转换高性能、高保真的 MapleSim 模型到 dSpace 实时应用程序中，在 DS1104 控制器板中运行。 · 扩展的模型输出 . MapleSim Connector ， MapleSim Connector for LabVIEW™ and NI VeriStand™ Software 现在可以输出所有的 MapleSim 模型，包括包含离散事件的连续系统，因此你可以利用 MapleSim 建模环境获得更多的模型。所有的 MapleSim 模型现在可以输出到 Simulink® ， LabVIEW ， NI VeriStand ，和 dSPACE 。 · 其他更新 . MapleSim Control Design Toolbox ， MapleSim Tire Component Library ，以及接口工具箱同步更新支持 MapleSim 5 ，自动利用 MapleSim 5 和 Maple 15 的新功能。 关于 Maplesoft Maplesoft 是全球领先的工程、科学研究和数学计算的高性能软件开发商。公司产品的体现了 “Given great tools, people can do great things” 的理念。 Maplesoft 公司的核心技术包括世界上最强大的符号计算引擎和创新的物理建模技术，这些领先的技术提供了尖端的工具用于设计、建模、和高性能仿真。 Maplesoft 公司的产品帮助用户降低出错率、缩短设计时间，以及管理数据、模拟和结果。 Maplesoft 产品组合包括 Maple ，解决各种复杂的数学问题和创建丰富的技术文档；以及 MapleSim ，用于对物理系统的高性能、多领域建模和仿真。 全球众多的公司和机构在几乎所有的技术领域中应用着 Maplesoft 的解决方案，用户渗透超过 96 ％的世界主要大学和研究所，包括 MIT ， Stanford ， Oxford ， the NASA Jet Propulsion Laboratory ， the U.S. Department of Energy 等，他们使用 Maplesoft 解决方案提高教育和研究活动工作；商业用户覆盖超过 81 ％的世界财富五百强企业，如 Ford 、 BMW 、 Bosch 、 NASA 、 Boeing 、 Canon ， Motorola ， Bloomberg 、 Microsoft Research 、 DreamWorks 等，应用领域覆盖汽车、航空航天、电子、国防、能源、金融服务、船舶、快速消费品、娱乐等。 2007 年， Maplesoft 与丰田成为战略合作伙伴，开发新的基于模型开发（ MBD ） 技术应用于汽车工业。 Maplesoft 是 CYBERNET Systems 集团下属全资子公司，中国办事处是莎益博工程系统开发 （上海）有限公司。更多信息，请访问： http://www.cybernet.sh.cn/
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[转载]依托高性能计算机学习仿真技术
Helmholtz 2011-7-22 17:51
德国仿真科学研究学院为明日的专家提供量身打造的培训课程 于利希亚琛科研联盟（ JARA ）新闻 于利希 / 亚琛 ， 2010 年 4 月 28 日 消息 。来自政府 、产 业和科学界的代表今天在于利希的园区为新建起的德国仿真科学研究学院 （ GRS ） 的教学科研楼举行了剪彩仪式。 GRS 的教授、学生、博士生以及企业界伙伴向客人们演示了高性能计算机仿真可以为解决不同领域的复杂问题提供怎样的渠道。 GRS 是由 亚琛工业大学与于利希研究中心共建的项目 ，它将向硕士生和博士生 提供结合欧洲最先进的超级计算机的教学课程。这个教学项目综合了与仿真与高性能计算机相关的所有学科领域，其教学内容涵盖了从物理、化学和生物学直到数据学和计算机科学等交叉学科。 随着超级计算机能力的不断提升，仿真科学作为理论与实验之外科学的第三个支柱的重要性也随之增加。正是因为超级计算机的模拟仿真具有支撑科研获得重大突破的巨大潜力，亚琛和于利希希望向学生和博士生提供获得这种关键技术的专家资质的培训。 GRS 项目的资金将由五个伙伴单位平分，他们分别是 BMBF 、 MIWFT 、亥姆霍兹联合会、亚琛工业大学和于利希研究中心。在于利希 GRS 大楼的启用仪式上， BMBF 的议会国务秘书托马斯．雷切尔强调了现代专业化的教育对于培养高性能计算机仿真专业人才的重要意义：“我们需要训练有素的懂得发挥使用于利希超级计算机的巨大潜力的科学家。我深信，德国研究学院将为此做出卓越贡献。所以联邦政府为本项目投入 250 万欧元，另外还向在于利希园区运行的德国研究学院提供每年 120 万欧元的运行经费。” 北莱茵威斯特法伦创新、科学、研究和技术部国务秘书迈克尔．斯图克拉特（ Michael Stückradt ）博士在解释该提供财政经费的理由时说：“在 GRS 将培养出德国最好的计算机科学家。我们北莱茵威斯特伐利亚州恰恰正需要这些冲劲十足的年轻的专业人员，从而继续保证我们在超级计算领域的欧洲的领先地位。因此，我们现在的参与就是对于保障未来创新区域所做的重要投资。” GRS 已经与一些知名机构开展了国际合作。已经拟就的一项合作协议是与法国科技中心 Ter@tec 和圣昆廷恩伊夫林省的凡尔赛大学。其他潜在合作还包括正在审议中的与英国爱丁堡大学、都柏林三一学院和斯德哥尔摩皇家工学院开展的联合教学。
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