计算机仿真辅助设计

计算机仿真辅助设计（精选十篇）

计算机仿真辅助设计 篇1

运用计算机科学技术对城市原水系统进行仿真模拟是开发城市原水调度决策支持系统的基础工作,是加强城市水资源管理、提高水资源利用效率的有效手段。在城市化建设的推动下,城市原水系统(Urban Raw Water System, URWS)的规模迅速扩大、结构也日渐复杂,这对仿真模型提出了更高的要求:不仅能够模拟原水系统的现状,同时还需要具备一定的可扩展性以适应未来规划的发展要求。

本文通过分析城市原水系统的结构特征,对系统主要元素进行抽象和概化,采用基于面向对象的程序设计方法构建了模拟水库、水厂、泵站、闸门、管线等各类实体的对象模型,设计它们之间的数据通讯接口(API),研制了可适用于大型城市原水系统动态仿真模型,并开发了模拟软件平台。

1 面向对象技术概述

面向对象技术(Object-Oriented Technology, OOT)的核心思想是:现实世界中的对象都具有一定的属性和操作,因此可以通过数据结构与相应算法一并构成对实体对象的全面描述[1]。与传统的结构化程序相比,面向对象程序更加注重系统整体关系的表示和数据模型技术,将算法与数据结构看做是一个整体,通过将数据结构与算法的封装形成相对独立的类。为类赋予不同的数据可以实例化不同的对象,将系统描述为若干对象的有机组合体,每个对象各司其职同时又相互联系。在面向对象的程序中类的抽象描述使系统中的对象关系的更加清晰,更加适合处理复杂的大规模系统问题,并已经广泛应用到军工[2]、交通运输[3]、水利[4]等多个行业的复杂系统仿真中。C#是一种现代的面向对象语言,结合了C/C++和Visual C++的强大功能同时具备了Visual Basic 的易用性,因此本文以C#语言为基础探讨城市原水系统计算机仿真模型的设计与实现。

2 城市原水系统结构特征及其概化

大型城市原水系统的发展与城市化进程密切相关。随着城市的发展,为满足不同历史时期的供水需求而逐步形成的由多个水源、多种水源类型、多种输配水工程、多级提升设备构成的自然与人工相结合的复杂原水系统。

根据以上结构特点,以面向对象方法的基本概念为基础,通过将原水系统中具有共同特性的各类实体概化为具有相同属性结构与方法的基本元素,研究各类基本元素间水力联系的描述方法。

2.1 系统的主要元素

尽管各地的原水系统结构各不相同,但概括起来都包含以下几类元素:水源(包括境外水源、地下水、本地水库等)、输水线路(包括管线、明渠等)、加压泵站、取水闸门等。采用拓扑关系描述方法可以将这些对象概括为点、线、面三类基本元素,分别对应节点、线路、区域单元(表1)。

2.2 系统的概念化模型

系统概念化模型是实现由现实系统向数学表达的转换[5,6],采用以上基本元素描述系统的拓扑关系,构建系统概念化模型。在进行系统概念化的过程中需要提取系统关键信息,忽略与模拟无关的信息(例如水库形状、地理位置等),以达到简化模型、突出重点的目的。通过系统概念化模型可以清晰表达系统中所包含的主要元素以及元素之间的水量传递关系,在此基础上才能够建立全面、合理的系统仿真模型。

3 类的设计与封装

在仿真模型类的设计中,按照功能分为数据类、对象类、模拟算法类三种。通过数据类封装模型的输入、输出数据,规定接口函数的参数结构;对象类主要作用是利用类的属性和方法对实际对象的特性和功能进行描述;模拟算法类中封装了模型的通用求解方法以及算法所用到的参数,模拟算法类是对模拟方法的一种抽象描述,需具备与数据、原型结构无关性。

3.1 数据类

数据类主要包括输入数据类和输出数据类,通过两个类将所有输入、输出数据进行封装,作为用户界面与后台仿真模型的数据通讯协议,其实例则为界面与模拟算法之间的通讯数据包。用户界面负责从数据库提取数据、接收用户输入数据,在模拟计算之前对这些数据进行组装和整理生成输入数据类,并通过接口函数传入模拟算法类,通过模拟算法类的解析和配置,生成各种对象类的实例,并对实例对象进行模拟计算,最后将计算结果按照输出数据类的结构进行实例构造,并将实例返回给用户界面,由用户界面实现模拟结果的可视化(如图1)。

3.1.1 输入数据类

输入数据类(CSoluInput) 中按照数据的性质不同主要包含了时间序列数据和参数数据两种基础类型;按照数据所属对象类型不同,输入数据类包含了水库输入数据类(CReseInput)、水厂输入数据类(CPlantInput)、管线输入数据类(CPipeInput)、泵站输入数据类(CPumpInput)以及用户在界面上设置的模拟控制数据类(CConfInput)等多种类型的数据。

水库输入数据类:主要封装了水库的水位库容曲线、特征水位和特征库容、集雨面积、水库编号、所在区域、所属单位、上游水源编号、下游供水对象、与水库相连的管线编号等参数数据,同时还封装了水库各时段径流量、时段最高水位、时段最高低位等时间序列数据。

水厂输入数据类:主要封装了水厂规模、水厂引水水源编号、引水管线编号、所属单位、所在区域等参数数据,以及水厂时段需水量时间序列数据。

管线输入数据类:主要包含管线编号、管线摩阻系数、流量损失系数、起点水源编号、终点节点编号、管线最大供水能力、入口高程、出口高程等参数数据,以及管线时段最大流量、时段最小流量等时间序列约束数据。

泵站输入数据类:主要封装了泵站编号、泵站规模、峰谷电价,机组的台数、设计流量、扬程、功率、调节方式、效率曲线等参数数据,以及各时段的可用机组台数、最大抽水流量、最小抽水流量等时间序列数据。

模拟控制数据类:主要封装界面上用户的选择选项与设置参数,包括所选仿真模型、模型最大迭代次数以及模型算法的相关参数。

3.1.2 输出数据类

与输入数据类对应,输出数据类(CSoluOutput)中主要包含模拟结果的统计数据和时间序列数据两种基础类型;按照所属对象类型,输出数据中包括水库输出数据类(CReseOutput)、水厂输出数据类(CPlantOutput)、管线输出数据(CPipeOutput)、泵站输出数据(CPumpOutput)以及按所属区域、单位对模拟结果的统计分析数据类(CStatOutput)。

水库输出数据类:主要包括模拟得到的各时段的水库水位、末库容、供水量、转供水量、从各个水源的引水量、总引水量、各类水质指标的时段平均浓度(进行水质模型模拟时)等时间序列数据,以及水库方案总引水量、引水费用、总供水量等统计数据。

水厂输出数据类:主要包含水厂时段引水量、时段缺水量、时段缺水破坏深度等时间序列数据,以及水厂总引水量、总缺水量、引水总费用等统计数据。

管线输出数据类:主要包含管线各时段的流量、损失水量,以及整个调度周期管线的总输水量。

泵站输出数据类:主要包括泵站各时段流量、开机台数、功率,以及泵站总电费,总抽水量等。

统计分析数据类主要包含了各个单元的总供水量、总缺水量、方案水资源费、电费、境外引水总量以及各个管理单位的引水量、供水量、费用支出情况等。

3.2 对象类

根据原始系统概念化模型的结构特征,以概念模型的基本元素为基础,采用图的表达方式将各类实体概括为节点、连接弧以及控制节点,应用面向对象的方法设计节点类(CNodeBase)、连接弧类(CLinkArc)及控制类(CCtrlUnitBase)三种基类,再通过类的继承方法派生出描述各类实体的派生类。

节点类主要包含节点的通用属性和方法,如节点编号、节点名称、水量平衡计算方法,在基类中所有的方法都定义为虚函数,方法的具体实现由派生类进行重载,利用类的多态性起到统一派生类接口的作用。

在节点类基础上分别派生出水库类(CReservoir)、水厂类(CWaterPlant)、汇水节点类(CJointNode)等3个派生类。其中水库类(对应本地水库、虚拟境外水源、地下水库等原型)主要封装了水库输入数据、水库输出数据、水库水量平衡计算方法、约束条件检验方法以及生成输出数据类方法等多种属性与方法。水厂类主要封装了水厂输入、输出数据,以及水厂需水量分配、水厂缺水量统计等方法。汇水节点类主要封装了节点水量平衡验证方法。

连接弧类主要包含了管线的输水能力约束验证、下游时段蓄水与上游可供水量平衡验证、流量损失计算、输水费用统计等方法。

控制类是以泵站、闸门等可控元素为原型,作为系统模拟中人工干预介入的主要手段,设计包含泵站、:泵站类、闸门类。

3.3 模拟算法类

模拟算法类(CSimulateAlgori)主要功能是接收外部传入的输入数据类,根据对象类输入数据实例化所有对象实例,按照输入数据类模拟控制数据配置模拟算法参数,在模拟计算中协调对象类、处理对象之间的数据通讯,利用模拟算法或优化算法控制模拟进度,并在模拟结束后组织各对象实例的输出数据,构造模拟结果输出数据统一返回用户界面。

由于采用了封装技术,在用户界面开发中模拟算法类的调用显的非常简洁明了,只需通过构造函数传入输入数据,调用初始化方法配置数据及拓扑关系,然后调用模拟算法进行模拟计算并判断模拟是否成功,当模拟成功时获取模拟结果,如果模拟失败,则获取失败信息,分析失败原因,具体核心代码如下。

在模拟算法类中为了保证结果满足各项约束条件采用的循环迭代的方法,模拟流程图如图4所示。

3.4 业务流程

模拟算法类是整个仿真模型执行过程的核心纽带,输入数据类与输出数据类的封装成为后台模型与用户界面的数据通讯协议,由用户界面、数据类、算法类共同构成了整个仿真模型的数据通讯原理及业务流程(如图5)。

4 关键技术

4.1 拓扑结构动态存储

与关联矩阵存储方式相比邻接表存储方式具有很大的灵活性[4],可以存储各种类型的图结构,且原水系统拓扑结构一般为稀疏图,因此选取邻接表存储方式存储原水系统的网络结构,避免了关联矩阵所造成的存储空间的浪费。以图6所示的有向图代表一般的原水系统。

采用数据库表(表2)存储图6所示的拓扑关系。每个节点中利用一维数组存储其上游节点编号以及与上游节点相连的管线编号,当一个节点存在多个上游节点时,上游节点存储顺序代表引水优先级,当下游节点需要引水时优先从第一个水源引水,如果从第一个水源的引水量不能满足水库的需求,则从第二个水源引水进行补充。当原水系统结构发生改变(例如接入新的水库或者扩建新的管线连接),只需修改数据表中的相应数据,该存储方法保证了仿真模型的可扩展性和可移植性。

4.2 拓扑关系还原及优化

由用户界面负责从后台数据库中读入网络拓扑关系的邻接表数据,在模拟算法类中进行实例化后,还需要针对实例对象之间的拓扑关系进行配置还原,本文利用C#中的引用存储方式,在节点对象实例中保存了其直接相连的上下游节点对象以及相连管线的对象引用,避免了迭代过程中重复进行关联对象查找运算,提高数据通讯的效率。为了保证模型中的节点能够满足多对多的不规则复杂网络,在节点类中将其直接上、下游的节点及管线分别定义成两个对象数组形式的数据成员,并且使数组按照一定优先级排列。

在模型模拟的每一次模拟过程中需要按照一定的顺序对所有的对象逐个进行计算,一般采用图的遍历算法来实现。为了避免在迭代过程中重复进行遍历操作,本文对所有的实例对象进行了预处理,按照图的遍历算法求出每个节点实例的计算顺序编号,并根据求得的编号将对象数组排序,采用循环控制语句控制节点计算顺序替代了遍历操作,通过一方面确保每个节点都进行了计算,另一方面避免的迭代过程中重复遍历有效提高了模型的仿真模拟速度。

4.3 扩展接口设计

计算机仿真模型是开展系统优化调度[7]、风险分析及管理决策的基础,仿真模型行还需要为优化模拟提供接口函数。在原水系统模拟中,一般以水库的蓄水量作为状态变量,以管线流量作为可控决策变量,仿真模型通过开放管线流量修正的接口和优化目标统计接口,实现与各种优化模型及优化求解技术的对接。通过重载优化目标统计接口实现不同的优化模型;不同的优化算法根据其寻优策略确定管线流量修正矩阵并通过管线流量修正接口返回到仿真模型中实现对仿真模型的控制。

5 应用实例

深圳市原水系统结构复杂、规模庞大、影响人口近1000万,在我国众多城市原水系统中最具有代表性。本文以深圳市原水系统中的7个重点水库及相连的水厂、管线等所构成的供水网络为研究对象(图7)。

根据以上设计思路,开发深圳市原水系统调度管理系统中的仿真模型库及用户交互界面(图8)。

实例化节点对象45个(其中汇水节点15个、境外虚拟水库2个、水库7个、水厂21个)、管线对象41个、泵站对象14个,并且利用本文提出的拓扑结构存储、还原及优化配置方法实现了系统中各类实例对象的动态组合(图9),保证了系统的可扩性。

在模拟结束后将模拟结果封装成输出数据类返回用户界面呈现(图10)。

6 结 语

通过将城市原水系统抽象成由有限的几类基本元素及元素之间的关系所构成,揭示系统对象之间的本质联系,建立系统概念化模型。采用面向对象设计城市原水系统仿真模型能够保证模型的通用性,以系统基本构成元素为对象将原水系统分解为若干对象类,并利用类之间的继承、多态、重用技术能够有效提高模型的可扩展性。本文所设计的模型作为原水调度决策支持系统的基础,有力推动了原水系统信息化管理的技术的实施。然而与其他系统相比,原水系统调度中存在人为主观因素干预性强及政治因素复杂等的特性,如何在仿真模型中纳入反映主观调度经验,并提出相应的通用范式,将是下一步的研究重点和难点。

摘要：由于城市原水系统网络结构复杂、规模庞大、存在地区差异性等特征,针对城市原水系统的仿真模拟问题,通过对原水系统进行概念化分析提出由点、线、面基本元素所构成的原水系统概念化模型,运用面向对象技术设计了与可视化界面通讯的数据类、描述基本元素的对象类以及负责模拟仿真的模拟算法类,并针对网络拓扑结构的动态存储、关系还原、遍历算法优化以及与优化求解技术的接口设计等问题展开讨论。提出的仿真模型在深圳市水源调度管理系统开发中得到应用,结果表明运用面向对象技术设计的仿真模拟具有思路清晰、结构层次分明、更容易实现模块化功能等特点,并且能够保证模型的可扩展性,提高代码的重复利用率。

关键词：城市原水系统,面向对象,仿真,拓扑结构

参考文献

[1]刘烨,季石磊.C#编程及应用程序开发教程[M].北京:清华大学出版社,2007.

[2]常晓航.面向对象的导弹模型仿真软件系统架构研究[J].战术导弹技术,2009,(3):71-75.

[3]唐亮,于天彪,丁军妹等.基于面向对象Petri网的供应链运作建模[J].东北大学学报(自然科学版),2008,29(7):37-40.

[4]梁思振,张昌兵,葛静.电站引水系统面向对象的非恒定流建模与应用研究[J].水力发电学报,2010,29(1):147-151.

[5]游进军,王忠静,甘泓.概念化水资源系统及其面向对象架构设计[J].清华大学学报(自然科学版),2007,47(9):1457-1461.

[6]游进军,甘泓,王浩,等.基于规则的水资源系统模拟[J].水利学报,2005,36(9):1043-1049.

[7]吉根林,陈波.数据结构教程(C++版)[M].北京:电子工业出版社,2009.

计算机仿真辅助设计 篇2

针对车载定位定向系统中存在的缺陷,设计了一种新的车载定位系统.完成了由低成本、高可靠性的`捷联惯性参考系统与高分辨率里程仪组成的捷联惯性/里程仪组合定位、定向系统的方案设计及仿真计算.仿真结果表明,系统对姿态角、航向角等误差具有极高的在线对准及标定精度.组合系统无需停车,可进行零速校正.

作 者：吉翠萍 雷宏杰 冯培德 JI Cuiping LEI Hongjie FENG Peide  作者单位：吉翠萍,JI Cuiping(西北工业大学,西安,710072)

雷宏杰,冯培德,LEI Hongjie,FENG Peide(飞行自动控制研究所,西安,710065)

刊 名：弹箭与制导学报  PKU英文刊名：JOURNAL OF PROJECTILES, ROCKETS, MISSILES AND GUIDANCE 年，卷(期)：2008 28(4) 分类号：V249.322 关键词：捷联惯性参考系统   里程仪   定位定向  

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计算机仿真辅助设计 篇3

关键字：计算机仿真软件；电子技术；教学；应用；优势

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2012） 16-0141-01

电子技术是一门基础学科，为学生学习电子知识打下坚实的基础，然而传统的电子技术教学存在着较多的问题，教学效果不明显，主要是因为理论知识枯燥，不利于调动学生的积极性，同时对于电路的分析过多的强调理论，增加了学生学习的难度，同时实验课的教学不规范，造成了仪器的损坏或者是不足，难以培养学生的动手能力和解决问题的能力。为了改变电子技术教学效率低的现状，需要引进新的教学方法和手段，其中计算机仿真软件的应用对提高电子技术教学质量起了巨大的促进作用。

一、计算机仿真软件的概述

近年来，电子技术的教学在计算机仿真软件的推动下获得了很大的进步，对于提高电子技术的教学质量起了积极的促进作用，特别是电路仿真软件和EWB仿真软件。

电路仿真软件是具有丰富的元器件库，能够对及时的对直流和交流的特征进行分析，并提供复杂电路的性能参数，进而将结果以文本或者是曲线的方式呈现出来，大大的提高了电路分析的稳定性和高效性。在电路仿真软件提供的性能参数的比对下，对理论的数据进行检验，给学生以更加直观的认识，大大的提高了教学的效果。另外，在电路仿真软件的作用下，学生可以对线路的工作效果进行观察，进而提高其理解和分析复杂电路的能力。

EWB仿真软件作为一种电子线路仿真软件，具有直观和操作方便、设备齐全的特点。在该软件的帮助下，使电子技术教学更加生动具体，不仅能够反映出电路的仿真测试，还可以对线路的故障进行设计，同时提供多种分析的工具，提高了分析线路性能的有效性。凭借着其直观性和有效性，EWB在电子技术的教学中得到了广泛的应用，并发挥了积极的促进作用。

二、计算机仿真软件在电子技术教学中的应用

（一）计算机仿真软件对于电子技术教学的促进作用

首先，计算机仿真软件具有很强的分析功能。在电子技术的教学中，单纯的理论堆积不易于学生对知识的理解和接受，但是计算机仿真软件具有强大的分析功能，通过直观的体现引起学生对知识的思考，进而提高学生的分析能力。计算机仿真软件的元件数量很多，可以根据教学的需要进行选用并对随意的进行更改，在课堂的仿真教学中，学生可以对电路的每一个步骤进行观察，进而加深了对知识的理解和应用能力。

其次，加强学理解基础知识的同时培养了学生的综合能力。在计算机仿真软件的帮助下，学生和教师处于一种特殊的教与学中，给学生以身临其境的感觉，进而使学生加强了对理论概念的理解。由于可以利用仿真软件进行故障设定，这样可以为学生设定学习难题，进而在课堂的练习中增强学生排除故障和分析问题的能力。

另外，在仿真软件的帮助下，教师与学生进行了深入的交流，便于教师及时的了解学生的接受情况，进而为教学进度的制定提供借鉴，即在保证教学质量的同时，合理调整教学的进度。

（二）计算机仿真软件在电子技术教学中应用的策略

1.发挥仿真软件优势，提高学生兴趣

在计算机仿真软件的协助下，克服了实际元件不足的情况，在大量的仿真实验练习中，使学生明确仿真实验和传统实验的区别，使学生在虚拟的环境中进行实验的学习，不仅要完成实验的任务，还要进行交流，分析实验的结果和电路的规律，进而提高学生学习电子技术的兴趣和热情。

2.正确处理虚拟实验与实物实验的关系

电子技术具有很强的操作性，需要加强对实验的重视，进而培养学生的动手能力。虚拟的实验只是作为教学的辅助手段，学生的最终目的是运用所学的知识解决实际生活的难题，因此，电子技术的教学离不开实物教学。在电子技术的教学中，虚拟实验要与实物实验相互配合、相互促进，共同提高电子技术教学的质量和效果。在电子技术的教学中，既要重视对基本功的训练，促进学生动手能力的增强，还要学生掌握现代的实验手段，进而培养出符合需要的创新型人才。

总之，电子技术作为一门基础性课程，是学生综合能力培养的基础和前提，需要加强对该课程的重视，既要重视电子技术教学的理论性，又要重视其实践性。

计算机仿真软件的应用对提高电子技术教学起了积极的促进作用，使理论得到了验证。因此，在电子技术教学中，教师要加强对计算机仿真软件的应用，创设积真实的学习环境，同时加强对虚拟实验和实物实验的结合，确保学生在掌握坚实的理论基础的前提下，重视学生动手能力的培养。

参考文献：

[1]曾湘英.在数字电路教学中应用EDA技术[J].实验技术与管理，2006，23（05）.

[2]张跃勤，张海涛.用OrCAD9.2开设电工电子设计性实验[J].实验技术与管理，2006（09）.

计算机仿真辅助设计 篇4

随着计算机技术的发展, 人们开始采用数值计算方法解决复杂边界问题。Ansoft HFSS是基于电磁场有限元分析 (FEM) 微波工程的三维电磁仿真软件, 在我们熟悉的windows界面下对任意3D设备进行建模并进行高性能的全波电磁场仿真。Ansoft HFSS已成为微波工程师进行天线、微波电路、电磁兼容等设计的最基本、最有力的工具, 广泛应用于射频、无线通信、封装及光电子设计等领域。

近年来.以Ansoft HFSS、CST MI—CROWAVE Suite 5等电磁仿真软件在天线实验教学中逐步得到了应用。通过采用计算机仿真技术来代替天线实物教学实验, 可以有效的节约教学成本, 提高教学效率。下面从理论上介绍Ansoft HFSS的基本建模方法, 同时以具体的实例介绍Ansoft HFSS的建模仿真, 创建结果报告。

1 Ansoft HFSS软件的介绍

Ansoft HFSS可以仿真分析、设计各类天线, 精确计算天线的各种性能, 包括二维、三维远场和近场辐射的方向图、天线的方向性系数、增益、轴比、半功率波瓣宽度、输入阻抗、电压驻波比、S参数以及电流分布特性等。实践表明, HFSS仿真结果与其实际天线的实测结果非常吻合。因此借助HFSS仿真技术, 可大大减少天线设计成本, 提高设计精度和效率。

Ansoft HFSS的工作环境窗口由菜单栏、工具栏、状态栏、工程管理窗口、属性窗口、进度窗口、3D模型窗口和信息管理窗口等部分组成。运用HFSS建立工程的过程为:

1) 运行Ansoft HFSS软件;

2) 新建一个工程设计;

3) 选择求解类型;

4) 为建立模型设置合适的单位;

5) 在3D窗口界面下建立模型;

6) 设置辐射边界;

7) 为模型设置激励;

8) 设置求解频率及扫频等操作;

9) 求解当前工程, 并对已求解的工程创建结果报告。

2 Ansoft HFSS教学实例

调幅广播发射台发射天线有860 k Hz、1MHz、1359k Hz三个频率的天线构成, 三个天线由高到低一字排列从左至右:860 k Hz、1MHz、1359k Hz, 取=348.8m, 天线设为圆柱体, 高度分别为174.4m、150m、110.375m, 天线间距分别取0.25λ、0.5λ、1λ、2λ。经过建模仿真, 创建方向图, 研究天线间耦合度问题, 得到其对方向性的影响。

1) 选择Driver Modal源激励方式;

2) 选择长度单位, 在Set Model Units对话框中选中meter项;

3) 创建ground, 模型设为Rectangle模型, 设置相应的ground参数;

4) 设置天线结构antenna1, 为圆柱体模型, 设置圆柱体的XYZ三位坐标, 设天线材质为Cu (铜) ;

5) 创建并设置激励窗口port1, 为Rectangle模型并设置坐标, 将port1的激励方式选定为Lumped port并设置其积分线;

6) 用同样的方式创建天线结构antenna2、antenna3和激励port2、port3, 并输入相应的参数;

7) 创建空气腔体air-box, 设置三维坐标;同时选中air-box的5个面 (与ground重合的面不选) , 设置辐射边界;

8) 求解设置:设置求解频率、迭代步数、迭代误差;

9) 频率扫面设置:设定扫频方式、起始/终止频率、步进频率并保存;

10) 验证并仿真工程;

11) 导出增益方向图。以天线间距分别取0.25λ为例, 频率860k Hz的方向图如图1所示, 频率1MHz的方向图如图2所示, 频率1359k Hz的方向图如图3所示。

当三天线的间距为0.25时, 由于天线间距离较近, 两天线之间的相互影响较大。从图2、3和4中可以看出, 1359k Hz的天线方向图影响较大。

将计算机仿真技术应用到电子实验教学中, 可很好解决天线课程实验难以开展的问题。所以学生熟练掌握Ansoft HFSS软件是必要的, 也是十分重要的。

摘要：Ansoft HFSS是第一个微波技术的电子设计自动化软件, 它是基于电磁场有限元分析微波工程的三维电磁仿真软件。对于电子通信和无线电技术专业的学生来说, 了解HFSS软件的基本概念, 掌握HFSS软件的使用方法 和技巧, 能更好的加深学生对天线辐射机理与特性的理解, 激发学生的学习兴趣与研究潜力, 培养其解决实际工程问题的能力。

关键词：计算机辅助设计,HFSS,仿真技术,天线

参考文献

[1]姚伟红.一种分布式交通控制算法及其计算机仿真[J].山西交通科技, 2006 (3) .

[2]万衡, 陈江岸, 江彩玉.计算机仿真技术在城市轨道交通设计中的应用[J].华东理工大学学报:自然科学版.2007 (2) .

转轮数控计算机仿真思考论文 篇5

1冲击式转轮整体三维建模

以某型冲击式转轮为例，其材料为超低碳不锈钢，直径约1.2m，共19个水斗，单个水斗高度约为20cm，水斗根部之间的最小距离为25mm。应用UG软件对转轮进行整体三维造型。

2冲击式转轮结构特点及加工难点

由转轮的三维造型可以看出，转轮水斗具有结构紧凑，开放性差，单个水斗狭长，正背面形状变化比较复杂，水斗背面凸起和凹陷部分变化很大，局部出现凸棱和凹棱，曲面数量繁多而且复杂，曲面之间过渡方式多样等特点［8］。因此，在数控加工过程中易发生干涉、颤振等现象，再加上坯料为难切削的不锈钢材质的整体毛坯，切削余量大，故对刀路的要求很高。为了保证样件的加工精度和表面质量，提高加工效率，尽量减少走刀路线、刀具空行程和编程工作量，需要根据水斗的曲面特征、加工情况和刀具特点，以加工路径最短、切削平稳、加工精度与效率高等为原则，选择合理的走刀方式或走刀路线的组合，使被加工曲面在理论上和实际切削中均可得到良好的精度［9］。

3冲击式转轮整体数控加工走刀路线

由于转轮结构复杂，在确定数控加工走刀路线的过程中，会出现许多加工和数控编程难点，因此需要对传统的数控加工方式进行改进和优化。结合转轮结构特点及生产实际，经过工艺技术分析，可以采用三轴数控机床结合数控转台的方式来加工转轮水斗内外表面，最后通过光整成型。在编制零件轮廓粗加工程序时，考虑零件表面余量大，应采用逆铣加工方式，以便减少机床的振动。在编制零件轮廓精加工程序时，由于精加工要求保证零件的加工精度和表面粗糙度，应采用顺铣加工方式［10］。另外，在确定走刀路线时需要注意:刀具在进刀和退刀时应沿着转轮轮廓曲线的延长线切向切入和切出转轮表面，以避免加工表面产生驻刀痕迹，影响被加工表面的粗糙度。同时，可以采取数控编程过程中的毛坯多层次的顺序继承调用方法，即每一次完成三维模拟加工后形成的过程工件都可以作为下一序列加工的理论毛坯，以减少数控过程的走空刀现象，提高加工效率［11］。

3．1转轮加工部位的选择

转轮毛坯采用的是整体超低碳不锈钢锻件。以转轮的一部分数控加工为例，包括一个水斗的正面及相邻一个水斗的背面，如图2所示。转轮在开槽加工前应首先完成轮毂上的孔、槽、凸台、端面等部位的加工，以作为后续加工工序的基准面和定位面，同时也可以减少切削量，简化走刀路线，提高加工效率。转轮开槽加工前的坯料上部和底部如图3所示。

3．2转轮的开槽及成型加工

转轮开槽及成型加工的目的是去除水斗的大面积余量以及加工出水斗的外表面轮廓。由于开槽过程中的切削量较大，刀具会受到较大的振动和切削力，加上转轮曲面复杂、结构紧凑，使得刀具的走刀空间受限，同时也极易与工件发生干涉，因此采用三轴铣削很难一次性完成开槽加工。针对这种情况，可以采取分层、分区的方法，将水斗的开槽部位分为对称的上下2部分，每一部分单独进行数控加工。对水斗的上部分进行开槽粗加工，可以加工出水斗的正面部分和相邻水斗的背面凸起部分。采用+ZM轴方向的立式三轴型腔铣，刀具为50mm的立铣刀，逆铣切削，采用层优先的切削顺序，切削方式为跟随周边，保留6mm的加工余量，同时每一刀的全局深度控制在1.5mm。为了避免加工过程中刀具、刀柄与转轮发生干涉，将最小安全距离设置为5mm。水斗下部的加工方式及走刀路线与上部类似。开槽粗加工后的过程工件如图5所示。接下来需要对水斗正面其余部分、相邻水斗的背面凹陷部分和水斗根部进行成型粗加工，使水斗的轮廓初步显现出来。由于水斗背部曲面曲率变化大，曲面连接复杂，若采用+Z轴方向的立式加工，一方面水斗背部的凹陷部位难以加工到，另一方面也容易产生加工干涉和过切。因此采用卧式三轴型腔铣，刀轴与水斗正面平行的加工方式，既可以加工到水斗背面难加工部位，有效避免产生加工干涉和过切，又可以保证水斗表面加工质量和加工效率。采用50mm的立铣刀，UG加工参数的设置与转轮上半部单个水斗开槽粗加工时的.参数类似，生成的走刀路线如图6所示。粗加工出水斗轮廓后紧接着需要进行水斗轮廓的半精加工和精加工。由于粗加工后的水斗表面类似于山坡上的梯田，半精加工就是铣掉“梯田”的台阶，从而使加工余量进一步减少，更加接近实际形状［12］。在半精加工的基础上再进行精加工，最终加工出水斗的理论曲面，并同时保证加工精度，包括尺寸精度、形位精度以及表面粗糙度等。由于粗加工时已经去除了坯料大部分加工余量，通过采用+ZM轴方向立式等高轮廓铣的半精加工、精加工方法，使其产生的加工路径在水斗曲面轮廓的等高线上，走刀轨迹被限制在二维平面中，方便了刀具轨迹的优化，空走刀现象大大减少，从而可以保持切削速度和进给率，提高加工效率。半精加工和精加工时生成的走刀路线如图7所示，开槽精加工完成后的转轮工件。

3．3水斗的内表面加工

水斗内表面的加工是整个数控加工过程中极为关键的一环，其加工质量的优劣直接关系到水轮机的发电效率和使用寿命。由于水斗内表面的开放性差，水斗的间距小，走刀空间十分有限，使得在加工过程中刀具极易与被加工水斗及相邻水斗发生干涉。因此，选择合理的进退刀方式以避免发生干涉，是数控编程过程中需要首先解决的问题。针对水斗的结构特点以及表面特征，采用卧式进退刀、刀轴与水斗正面呈一定角度的加工方式，同时在编程过程中采取多区域干涉检查及刀具和刀柄防撞干涉检查，合理解决了加工过程中的干涉问题。接下来需要选择合适的铣削方法。由于铣削时刀轴需要与水斗正面呈不同的夹角，仅仅采用三轴卧式铣削是不够的，还需要加上数控转台。这样就可以通过旋转转轮，使水斗正面与刀轴呈一定夹角，并控制刀具与水斗内表面切触点的位置，从而控制刀具在铣削过程中的受力状态，尽量减小刀具的径向受力，减轻刀具的磨损及振动，最终提高加工质量及加工效率。在加工过程中，刀具在轴向进给的同时又要径向进给，因此，内表面的数控加工均采用带中心切削刃的球形铣刀。在粗加工内表面时采用50mm的球形铣刀，以刀轴方向与水斗正面分别呈60°、30°夹角的加工顺序进行卧式型腔铣，每一刀的全局深度控制在2mm，安全距离控制在10mm，加工余量6mm。半精加工时的UG参数与粗加工时类似，采用25mm带中心切削刃的球形铣刀，以刀轴方向与水斗正面分别呈75°、45°、15°夹角的加工顺序进行卧式型腔铣，每一刀的全局深度控制在1mm，安全距离控制在8mm，加工余量2mm。同样，精加工时采用8mm的球形铣刀，以刀轴方向与水斗正面分别呈85°、70°、67°、50°、25°的加工顺序进行卧式型腔铣，每一刀的全局深度控制在0.3mm，安全距离控制在5mm，加工余量为0.2mm。

3．4走刀路线的后置处理

在UG加工模块中产生的转轮数控加工走刀路线需要进行进给率平顺化、转弯减速及加速、碰撞及过切检验、材料切除率均匀化检验等一系列优化［13］。将优化后的走刀路线进行验证并确认准确无误，然后进行后置处理，最后将后置处理生成的NC文件(即自动生成数控加工程序)直接输入数控加工设备，即可用于转轮水斗的实体加工。

4结束语

计算机仿真辅助设计 篇6

DYTS60系列是烟台北极星表业有限公司开发、生产的多功能、大三针指示系列石英电子手表机心，附有日历、周历、月历、二十四小时、日月星辰指示功能，性价比高。众所周知，产品质量的好坏直接决定市场的接纳认可程度，而该系列机心虽然自2006年投放市场以来，几经优化、多次改进，客户满意度、一次装配合格率已逐年提高(图1)，但时轮打齿、周历慢爬停表的问题仍没有完全解决。本着精益求精的态度，北极星表业公司技术质量管理部运用计算机模拟仿真技术，查找出造成时轮打齿、周历慢爬停表等问题的主要因素，并进行改进，提高了DYTS60系列手表机心的质量。

现状分析

2009年3月—9月，我们从客户退回的不良机心中，随机抽取了106只进行全面的质量分析和问题归类，对机心问题进行了统计，并制作了不良机心问题原因排列图 ( 图2 )。

确立目标

根据以上抽样分析和分类统计，结合实际情况，我们制定了“DYTS60系列机心一次装配合格率达到96%”的预期目标。

根据现状分析，不难发现时轮打齿、周历慢爬停表占不良率的56.60%，是主要问题。只要能够解决这两个问题，就可以实现预期目标；而且通过解决“周历慢爬停表”问题，同时可以解决不良率占8%的分轮脱片问题，从而进一步促进目标的实现。

什么是时轮打齿?

时轮打齿是指手表在正常运转过程中，每天周历完成自动拨历的整个过程需要3～5个小时，当周历进入自动拨历时，如强行按动周历快拨按钮，使周历拨历机构快速拨动，在周历拨动机构没有与传动系统脱离的情况下，迫使手表的传动系统产生逆向运动，破坏了原有的运动规律，对时轮齿造成损伤。这是周历快拨操作不当造成的。因此，在周历进入自动拨历这段时间里，是不允许对周历进行快拨的，在产品说明书上一并给出了相应的提示说明。

什么是周历慢爬停表？

周历慢爬停表是周历进入自动拨历状态，周历拨头带动周历轮旋转，在周历轮向外推动周历快拨杆进行“爬坡”运动的过程中，出现周历失灵的现象。

什么是分轮脱片？

分轮脱片是指由于传动力矩过大或者本身摩擦力矩不足，造成分轮片不能随着分轮齿轴同步转动，丧失了传动能力的现象。

通过演示看出：当机心周历进入自动拨历后，快拨周历，传动轮上的小拨头越过周历拨头保险间隙，越位28°( 见图5 )，带动传动轮、时轮发生逆向转动。由于时轮材料比跨轮材料硬度低，因此，时轮被正常传动的跨轮破坏，造成时轮打齿。

为进一步确认周历慢爬停表的原因，我们继续运用计算机仿真模拟手段，对周历轮与周历拨头相啮合的过程进行传动控制演示，观察周历轮与周历拨头整个过程存在的问题。结果显示：周历慢爬停表的机心，周历轮与周历拨头，基本停在如图 ( 见图6 ) 所示位置，并发现两轮在此处形成共轭直线接触，极易形成传动“死点”，此点数据显示传输力矩变大，对齿轮的传动造成影响。这也是造成“分轮脱片”的主要原因之一。

可见，时轮打齿、周历慢爬停表以及分轮脱片的部分问题主要由以下因素造成：① 周历快拨操作不当；② 周历拨头保险间隙小；③ 齿轮啮合面较大 。

对策实施

通过分析三个主要原因，发现时轮打齿、周历慢爬停表以及分轮脱片的部分原因都是由周历拨头这个零件在设计上和控制上存在缺陷造成的；只要对该零件进行技术改进，相关问题就迎刃而解了。为此，经过部门成员共同讨论，结合“分析、计算、设计、绘图、仿真、试制、验证”的原则，制定了以下对策：

实施一：改进周历拨头齿形

1.根据计时仪器齿轮设计原理及要求，结合相啮合的周历轮齿形特点，重新计算了周历拨头的齿形数据。

2.绘制了周历拨头齿形图 ( 见图7 ) 。

3.在计算机中，模拟仿真了整个周历轮与周历拨头啮合传动的全过程。

通过仿真验证，发现两轮接触方式变为完全点接触，消除了死点的存在，从理论上讲，消除了周历慢爬停表的情况，减少了传动中所需的传输力矩，降低了分轮脱片的概率。

实施二：改进周历拨头保险间隙

1.根据原因分析中，发现小拨头越位28°的实际情况，将保险间隙增加到35°。

2.绘制了周历拨头零件图纸 ( 见图8 ) ，并确定了零件全部相关尺寸和公差要求。编写及下发试制工艺单，组织进行小批量生产试制，装配出1000只试制样品机心。

3. 通过跟踪，试制样品符合产品新设计要求，符合进一步验证的要求。

实施三：验证快拨周历无需限时

组织对新试制的1000只样品机心按照相关操作规定，在全时段特别是周历进入自动拨历阶段进行快拨周历操作，均没有出现时轮打齿的现象，时轮打齿问题彻底解决。验证成功。

按照国家标准 ( GB/T 6044—2005 ) 的规定，对新试制的1000只样品机心全部进行出厂合格检查，结果符合国家标准要求，走时质量好，换历可靠，没有机心在周历慢爬时出现停表情况。试制成功，可以投入批量生产。

效果检查

运用计算机模拟仿真技术，彻底解决了DYTS60系列机心的时轮打齿、周历慢爬停表两个问题，通过半年来市场营销部反馈的数据来看，实现了预期目标 ( 见图9 ) 。

DYTS60系列机心质量的提高，扩大了市场对该系列产品的接纳程度，为此，公司于2010年以DYTS60系列机心为基础开发出DYT211CG时装成品表，更好的满足了客户的需求。

分析原因

计算机仿真系统的评估方案设计分析 篇7

关键词：仿真系统,评估方案,设计

一、计算机仿真系统总述

1. 计算机仿真系统

计算机仿真技术, 主要应用在对复杂系统的研究工作中。复杂系统的设计和建设特点决定了在整个研究开发过程中必须重视仿真技术的应用。我们利用仿真系统进行项目评估, 就是为了在建设复杂系统的过程中, 能够对这些分布的系统和研究人员的工作成果进行检测, 通过单项质量性能的检测, 来确保整个系统的质量。当前, 评估仿真系统的办法较多, 其中比较常用的方式是VV&A (Verification, Validation and Accreditation) 技术, 这项技术的特点就是通过对仿真系统的检测结果与真实系统性能之间的差距对比来反映出整个系统的准确性和可信度。我们应当注意的是, 这项技术并不能完全直接的应用在仿真系统的评估工作中, 因为它虽然有着很强的专业性和应用性, 但是依旧没有达到全面评价的标准。

2. 如何建立仿真系统的全面指标评估因素

从本质上来讲, 仿真系统也是一个软件。对于一些复杂的系统, 主体的数量很多, 研究工作往往是处于分布式的状态, 要进行研究就需要在系统以及工作人员之间进行交互, 每一个成员, 每一个系统构成的性能都会对整体的性能产生重要的影响。在对复杂系统进行交互研究之前我们应该确认的是这个软件系统的是否符合要求。所以, 要从整体全面的角度对系统进行评估, 我们就需要既考虑指标体系也要考虑评估模型, 这是构成系统评估方案不可缺少的两个方面。

通常状况下, 确立一个指标评价的综合体系, 必须充分考虑各种因素。要确立这些因素, 我们就要结合仿真系统设计的具体模式和特点, 联系国内外的相关经验和理论知识, 经过选择和排除, 选择最具有评价意义的因素。评估工作中既要体现出全面性, 还要体现出系统评估的专业价值。下面是我们选择的8个大类的因素, 并且在每一类下又有着不同的子集。这样做的好处是, 既考虑到了评估因素的全面性, 同时又兼顾到评估因素的专业性。

二、确立整套仿真系统的综合模糊评价系统模型

为了建立起一种计算机仿真系统的综合评估模型, 需考虑到以下方面:

1. 指标体系评估因素Fi

模糊因素的确立, 与上文提到的指标体系评估因素有关, 同样是按照每一个类因素下面建立不同的数据子集。假设模糊因素为F= (f1, f2, f3, f4, f5, f6, f7, f8) , 那么在这每一个F分类下就会有因素子集假设是Lin, 那么就有Fi=Lin= (Li1, Li2, Li3, ……Lin.)

2. 因素评估模式集Ci

我们邀请了六个国内外行业领域的专家, 针对对我们已经提出的指标体系按照不同的评价标准来生成一个因素评估集, 可产生以下几个评估模式:

其一, 单因素评估。顾名思义, 单因素评估就是对其中每一个独立的因素进行评估, 假设参与评估的专家为N, 每位专家对每项评估因素评定Y中的一个且仅一个等级。假设有N位专家, 评定因素F给出等级为Yj的数量为Nij个人, 则评估因素fi对Y的评估模糊向量可定义为:Ri= (ri1 ri2, …, rim) = (Ni1/N, (Ni2/N, …, (Nim/N) 。那么, 基于这个假设和定义之上, 对单因素的所有模糊评估向量会构成一个对多因素的模糊评估矩阵R= (R1, R, …, R) 。

其二, 基于综合模糊评估的模型, 有以下序列:

针对开发人员的因素模糊评估:C1= (ab1, ab2, ab3) (rbl, rb2, rb3) T= (d1, d2, d3, d4, d5)

针对仿真模型的因素模糊评估:C2= (ab4, ab5, ab6, ab7, ab8) (rb4, rb5, rb6, rb7, rb8) T= (e1, e2, e3, e4, e5)

针对系统输入的因素模糊评估:C3= (ab9, ab10, ab11, ab12) (rb9, rb10, rb11, rb12) T= (i1, i2, i3, i4, i5)

针对系统运行的因素模糊评估:C4= (ab13, ab14, ab15, ab16, ab17, ab18) (rb13, rb14, rb15, rb16, rb17, rb18) T= (m1, m2, m3, m4, m5)

针对系统界面的因素模糊评估:C5= (ab19, ab20, ab21, ab22) (rb19, rb20, rb21, rb22) T= (l1, l2, l3, l4, l5)

针对系统测试的因素模糊评估:C6= (ab23, ab24, ab25, ab26, ab27) (rb23, rb24, rb25, rb26, rb27) T= (p1, p2, p3, p4, p5)

针对系统输出的因素模糊评估:C7= (ab28, ab29, ab30, ab31) (rb28, rb29, rb30, rb31) T= (q1, q2, q3, q4, q5)

针对系统用户的因素模糊评估:C8= (ab32, ab33, ab34, ab35, ab36) (rb32, rb33, rb34, rb35, rb36) T= (x1, x2, x3, x4, x5)

3. 评价等级集合Y

评语集指的就是我们对仿真系统做出的一种评价表示, 通常是以等级的形式表现出来, 不同的等级代表在整个系统中的性能差别。假设整个评语集为Y= (y1, y2, y3, …, ym) , 对于这其中的每一项Y我们又分为五个等级, 那么最终的表现就应该是Y= (y1, y2, y3, y4, y5) = (优、良、中、差、极差) = (1、2、3、4、5)

4. 评估因素集的权重向量P

权重子集的建立, 需要综合各种不同的意见和观点, 为了确保子集具有权威性和说服力, 我们邀请了六位专家对指标体系进行量化, 并且给出各自的打分。随后, 采取均值的方式来取得了每一个层次评估因素的判断矩阵, 通过层次分析的方法来确定具体的权重。针对已有8类因素提出的具体评估判断矩阵如下:

求得式 (1) 的特征向量如下, 即为评估因素集的权重向量:

一致性检验:R I=1.4 1, λmax=8.1269, CI=O.0181, CR=CI/RI=O.0106<0.1满足一致性检验。按照对这八种类因素的矩阵判断方式, 我们可以具体到对每一个因素子集权重的判断上。

四、结束语

在本文中, 我们建立了用于评估仿真系统的指标体系, 并根据这些指标建立综合评估的模型, 同时根据专家意见确定了判断的权重, 兼顾了全面性和专业性, 能够用于项目验收或者检测工作中, 保证整个项目的顺利完成。

参考文献

[1]Liu F, Yang M, Wang Z C.VV&A solution for complex simulationsystems[J].International Journal of Simulation:System, Science andTechnology, 2008, 9 (1) :21-29.

[2]吴晓燕, 刘兴堂.任淑红.仿真系统VV&A研究[J].空军工程大学学报:自然科学版, 2006, 7 (5) :91-94.

计算机仿真辅助设计 篇8

CAXA制造工程师是由北航海尔软件有限公司研制开发的面向数控铣床和加工中心的计算机辅助设计与辅助制造 (C A D/CAM) 软件。CAXA制造工程师软件计算机辅助设计模块可以进行零件建模 (线框建模、实体建模、曲面建模) , 实体造型可进行拉伸、旋转、导动、放样、倒角、圆角、打孔、筋板、拔模、分模等特征造型, 可以将二维的草图轮廓快速生成三维实体模型。曲面造型包括直纹面、旋转面、扫描面、导动面、放样面和网格面等, 软件还可以进行实体与复杂曲面混合的造型。

计算机辅助加工:面向加工中心二至五轴, 生成刀具轨迹、仿真加工、生成加工程序、生成工艺单。数控加工方法可根据加工实际, 灵活选用。加工方法有多种粗、半精、精、补加工方式。例如:平面区域粗加工 (2D) 、区域粗加工、等高粗加工、扫描线粗加工。平面轮廓精加工、轮廓导动精加工、轮廓线精加工、等高线精加工、扫描线精加工。等高线补加工、笔式清根加工和区域补加工等。

系统提供轨迹仿真手段以检验数控代码的正确性。可以进行编辑修改达到刀具路径规划的目标。系统提供常见的数控系统后置格式, 用户自定义专用数控系统的后置处理格式, 直接输出G代码指令。

本文利用CAXA 2011制造工程师对典型零件转接盘进行了三维建模, 并在此基础上进行计算机辅助加工和虚拟仿真, 并自动生成数控加工G代码和相应工艺文件。

2 转接盘零件实体造型与CAM加工

CAXA制造工程师具有强大的计算机辅助设计功能, 软件能完成复杂的实体造型设计包括线框造型、实体造型、曲面造型和曲面实体混合造型等, 可方便的建立各种复杂结构的三维实体模型, 并运用CAM功能模块设置工艺参数, 自动生成用于加工的数控代码等。[1,2,3,4]

2.1 转接盘实体造型

(1) 建立底座实体。进入草图模式, 利用拉伸增料/固定深度建立底座实体。如图1所示。

(2) 应用打孔命令或拉伸除料/贯穿, 生成孔特性。如图2所示。

(3) 利用拉伸除料、贯穿、倒角等命令生成转接盘的实体特征造型, 如图3所示。

2.2 转接盘CAM加工

启动CAM加工模块 (如图4所示) , 选择合理加工方法, 设置相关加工参数, 进行CAM仿真加工。

根据加工实际, 转接盘零件的加工过程中选用区域粗加工、轮廓线精加工、啄式钻孔、区域式粗加工、等高线精加工和倒角等加工方法和操作命令, 实现转接盘零件的CAM加工, 如图5所示。

选择加工仿真命令, 如图6所示:在仿真加工中可以检查刀具规划路径是否合理, 是否参数加工干涉现象, 加工下刀方式是否合理等加工信息。如不合理可以及时修改和重新规划。

2.3 转接盘零件加工工艺分析

(1) 虎钳装夹90×90外形, 装夹深度5mm, 找正外形中心, 顶面对刀设Z值为正1mm (注:对Z值时深度不可太深, 由于毛坯厚度为25mm, 装夹5mm+找正值1mm+铣削深度17mm=23mm, 虎钳钳口只有2mm的安全距离) 。 (2) 调用程序加工零件外形与型腔。 (3) 翻面选择合适的垫铁加工, 虎钳钳口上面与垫铁顶面的高度不得大于14mm, 对Z值, 铣一刀上面见光即可, 测量一下毛坯厚度, 用测量值减15mm, 得出毛坯余量厚度。Z值直接输入余量厚度 (余量值为正值) , 调用程序加工即可。

3 结语

转接盘零件计算机辅助设计与制造数控加工的探讨, 充分运用CAXA软件的CAM功能, 并运用软件进行虚拟数控加工, 验证加工代码的正确性。进行了刀具路径的规划和优化, 阐述了实际加工过程的工艺分析, 软件的使用对数控零件的加工具有很好的效果。

参考文献

[1]杨伟群.数控工艺员培训教程 (数控铣部分) [M].北京:清华大学出版社, 2002.

[2]北京北航海尔软件有限公司.CAXA制造工程师XP用户手册[M].北京:北京北航海尔软件有限公司.

[3]吴为.CAXA制造工程师2008机械设计与加工教程[M].北京:人民邮电出版社, 2011.

计算机仿真辅助设计 篇9

在理工科大学生的培养过程中,实验教学是重要的教学环节之一,而物理实验是所有实验的基础,“大学物理实验”是工科院校所有专业学生进行科学实验训练的重要基础课,该课程除了通过对物理学理论的验证,加深学生对理论的理解外,更重要的是培养和提高学生的物理实验技能,使学生理解和掌握基本实验方法和常用实验数据的处理,逐步具备应用物理思想、物理方法进行思维和科学实验的能力。

在以往的教学中,一直存在教学内容多与教学时数少的矛盾,存在实验教师少与学生人数多的矛盾,同时伴有实验经费、实验场地、实验设备不足等问题,而且在每年扩招的形势下日益明显。在现有的实验室条件下,实验教师如何引导学生进行学习?学生如何在有限的学时内得到有效的训练?如何在师资力量和实验设备不足的情况下仍使教学质量不受影响?为解决这些问题,我们在大学物理实验教学中引入了“大学物理实验”计算机仿真实验软件。

2 基于计算机仿真实验的教学设计思路

在传统的大学物理实验教学中,只有一本文字教材,贯穿学生预习、实验操作、数据处理、实验报告的全过程。学生只能在上实验课的3个学时内可以动手操作,其余时间只能捧着书本看实验。

引入计算机仿真实验软件后,大学物理实验的学习可分为虚拟操作与实际操作两部分。我们在进行教学设计时,主要结合在传统教学中存在的问题进行考虑。

1)用计算机仿真实验软件预习和复习。在传统教学中,学生的预习只有一本实验指导书,无仪器在旁,凭空想象,有时并不太明白,用仿真实验计算机软件进行课前预习,可以较直观地了解仪器结构、实验原理、实验内容和实验步骤,并可进行实验的模拟操作,还可以模拟进行数据处理,撰写实验报告,这样的预习使学生对实验内容已有一定的认识,再到实验室进行实际操作时就可轻车熟路,能较快较好地完成实验任务,在实操完成后还可用计算机仿真实验软件进行复习,可起到巩固知识的作用。

2)用仿真实验软件补缺,扩大知识面。“目前在物理实验教学中,由于有些实验仪器复杂、精密和昂贵,往往不能允许学生自行设计实验参数、反复调整仪器,这对学生剖析仪器性能和结构、理解实验的设计思想和方法是很不利的,计算机仿真实验可在相当程度上弥补实验教学上这方面的缺撼。”用计算机仿真实验软件教学可以做在实验室无条件做的实验,大大拓宽了实验的内容,使学生能学习更多的知识,还能了解一些在现有条件下不能实现的物理实验,接触一些实验室没有的大型或先进新型的仪器,开拓眼界,扩大知识面。

3)在实验室教学中用视频设备显示微观视场和操作示范。在传统教学中,教师讲解实验仪器的原理、结构和示范操作时,学生围成一圈观看听讲,站在后排的学生往往看不清,效果不理想,对此我们用摄像机将实验仪器的真实结构和教师的示范操作现场拍摄直接在电视机上播出,使所有的学生都能看清楚,效果好而且效率高。由于学生已经用仿真软件进行了预习,教师只需讲解关键问题及注意事项,将更多的时间留给学生自己动手操作。实验教学不同于理论教学,主要是技能训练,学生要掌握的知识主要靠自己的实践获得,教师只起一个引导的作用。

3 教学效果测量及分析

我们应用多媒体计算机仿真实验软件首先在三个年级的部分学生中进行了教学实践,共计455个实验组次,7903人次,23709人时数,均取得了很好的教学效果。在教学过程中,我们通过问卷调查和实验操作观察了解教学情况和存在的问题,对教学效果进行测量,根据反馈的信息及时调整和完善教学设计,使教学设计更符合学习规律;在学期末,我们通过期末考核等方式检查学生的学习达标情况。

3.1 采用调查问卷的方式了解学生的学习态度及有关问题

通过问卷调查了解学生对应用计算机仿真实验软件教学的反应,问卷内容包括:1)学生的学习兴趣与态度;2)学生对教学内容的理解程度和实验技能的掌握程度;3)学生对多媒体计算机仿真实验软件教学的认同程度,等等。

调查问卷统计数据反映学生普遍欢迎大学物理实验课采用多媒体仿真实验软件进行教学,他们认为多媒体仿真实验创建了一种全新的学习环境,溶知识和娱乐于一体,原来感觉很烦枯燥无味的实验变得感兴趣了,提高了学习自主性,提高了学习效率,开发了学生在实验中除遵循课本外所缺乏的创造性,通过一种新的感受巩固了课程内容,多媒体仿真实验教学还能发掘学生自觉深入思考的能力,可以大胆尝试和进行猜想,完全实现自己动手、自己寻找方法去完成实验的良好目的。多媒体仿真实验还使学生了解和认识了一些在本课程中未开设的物理实验,接触了一些实验室没有的大型或先进新型的仪器,开拓了眼界,扩大了知识面。

3.2 采用实验观察的方法观察学生的实验操作情况

我们对应用仿真实验教学试验组和非试验组中进行实验操作观察,发现试验组的学生做实验时注意力集中,实操的积极性和主动性较强,实验过程较顺利,问题较少,实验数据误差较小,实验质量较高,在动手能力、实验效率、实验数据及处理能力、实验报告等方面都较非试验组有明显的强势。

3.3 采用期末考核等方式检查学生的学习达标情况

我们采用期终笔试和实验操作考核相结合的方式测量学生对学习内容的认知程度和实验技能的掌握程度。课程总成绩由平时成绩(包括实验预习成绩、实验能力观察成绩、实验报告成绩)和期终考核成绩(包括笔试和实验操作成绩)组成。从学生的课程总成绩分析,学生的平均成绩与参加试验的次数成正比,参加试验次数越多的学生成绩越好。

通过以上测量可见,应用多媒体仿真实验软件辅助物理实验教学,在增大教学信息量、突破教学难点、提高教学效率、提高教学质量、加强专业技能训练、促进学生能力培养、激发学习兴趣和学习动力等多方面都取得了很好的效果。

4 结论

经过三年的教学实践,多媒体仿真实验软件辅助物理实验教学的实践给了我们许多有益的启示,得益于信息技术、多媒体技术和网络技术综合运用的仿真实验软件具有许多传统教学所没有的优势及不可替代的作用。

1)应用多媒体仿真实验软件辅助物理实验教学,对解决教学难点效果明显,实验室内讲课时间缩短,效率提高,能有更多的时间给学生动手操作,受到师生的普遍欢迎。

2)仿真实验突破了实验教学受时间、地点和形式的限制,提供了一个虚拟实验室和一个“自主学习”的环境,在这里,学生可以对实验设备随意拆卸和组装,可以自行设计实验参数,可以根据自己的需要自主地学习,任何想法都可以大胆地尝试而不必有过多的顾虑,计算机良好的交互作用使教学过程成为双向的和相互交流的,不仅能呈现教学信息,而且能够对学生的实验操作进行判断,进而能对学生进行学习指导,帮助完成学习任务。在这种学习环境下,可以充分发挥学生的认知主体作用,轻松愉快地学习,有利于开发学生的创造性思维。

3)基于多媒体虚拟现实技术的仿真软件,通过图、文、声、像呈现丰富、逼真、生动的教学信息,可有效地激发学习兴趣,提高学习主动性和参与性,学习印象深刻,对学生掌握必要的实验知识和技能有事半功倍的效果。

4)除了物理实验,仿真实验还可广泛应用于各个学科和领域,尤其是受设备、技术、条件限制的实验,有毒及危险环境下的训练,微观的动态过程等等在实验室难以完成的实验更是需要用仿真实验进行学习。而大型、精密、昂贵的设备在虚拟实验室反复操作,熟练后再到真实设备上操作,可保护昂贵的设备,减少误操作的危险,提高设备的使用率和完好率,等等。

5)尽管仿真实验具有许多优势,但始终不能代替实验室内真实的实验,真正的技能掌握还必须在实验室内亲自动手实现。虚拟操作必须与实际操作相结合,才能使学生真正掌握所学知识,达到对实验的理解、仪器设备的掌握和动手能力的培养,同时可扩大实验室的教学承载能力。

6)仿真实验教学是一种新的教学方式,它的应用已给传统实验教学带来新的生机和活力。在实验教学中引入多媒体技术、网络技术和虚拟现实技术并综合运用,充分发挥现代信息技术的集成性、控制性和交互性,可实现实验教学质的飞跃。

参考文献

[1]李秉德.“教学设计”与教学论[J].电化教育研究,2000(10):38.

[2]田丰.虚拟实验与真实实验的整合研究[J].实验技术与管理,2005,22(11):91-92.

计算机仿真辅助设计 篇10

随着计算机应用技术的快速发展,微型计算机已广泛应用于公安边防部队的各个单位。我校作为边防部队唯一一所培养计算机应用技术人才的摇篮,对培养部队需要的高科技人才具有十分重要的作用。《微机原理与接口技术》作为计算机应用技术专业的重要专业基础课,对提高学员的创新意识、培养其综合素质,最终适应边防部队科技含量高的工作岗位具有决定性的作用。但由于该课程涉及的知识面较广,同时学员的基础知识又相对薄弱,在实验教学的有限课时内全面消化课程内容比较困难。

基于上述难点,实验教学应该解决以下两点问题:首先要能满足学员在教室、宿舍等场所随时利用课下时间消化实验教学过程中遗留的问题,也就是便于学员课下学习,提供一种网络学习、仿真实验的自学环境;其次是建立的仿真环境要与真实的实验平台一致,便于学员具体操作。

1、系统设计

1.1 系统设计思想

仿真实验室是一种共享型仿真系统,它能够利用计算机创造的仿真实验环境来模拟各种真实实验的外部连接过程,给人以直观的印象,增强学员对实验内容的理解与掌握。采用仿真实验系统,实验室将成为一个无墙的中心,这个中心可以有逻辑上的限制,但没有物理空间的限制。仿真实验系统将使教学不再局限于在有形的实验室中,教学和动手操作实践的空间和时间得到无形的扩展。

本仿真实验系统就是利用A S P.NET+Flash技术实现,从而为学习《微机原理与接口技术》实验提供直观、逼真、形象、方便、可重复使用的实验环境。同时也可以解决由于实验设备不足、经费不足等方面带来的困难。它的出现为微机原理与接口技术的实验教学构建了一个崭新的网络教学模式。

1.2 系统设计方案

微机原理与接口技术仿真实验室涵盖《微机原理与接口技术》课程29个实验内容,形式以拖拽、连线、程序填空等形式出现,体现了课程实验的逼真性。通过仿真实验平台的实用性、易用性和可拓展性,为全体学员呈现一个全新的、参与型的互动环境。

1.2.1 程序补缺模块实验设计

汇编语言的程序设计是《微机原理与接口技术》课程的重要基础知识训练阶段,完整的代码序列中间存在着若干关键指令代码行,其起到一个承上启下的作用。在本实验内容中,我们把这些关键指令代码行从完整的程序中移出,打乱顺序集中放在屏幕的右侧。当学员进入到此训练模块后,通过认真地阅读、理解,可以通过鼠标拖动的方式把正确的代码行放到正确的位置。通过此模块的训练,较大程度上提高了学员对课程内容的掌握程度,加强了思考问题、解决问题的能力。外观图如图1、图2所示。

1.2.2 接口技术模块实验设计

此模块可以完成《微机原理与接口技术》课程的20个实验科目,涉及到基本输入/输出接口实验、地址译码电路设计实验、8259、8253、8255等内容。通过此模块的训练,可以较大程度上加深学员对计算机接口应用的认识。

1).连线形式实验

根据连线图连接线路,将鼠标指针放置于所用到的针脚区域,单击左键后,将显示出相应的排线插口。如果继续移动鼠标时,就会出线一条直线,当它移动到正确的针脚位置并单击时,将会出现一个排线接口与之连接。如果连接错误,直线与排线插口将无法实现连接。这种形式在实验出现大量的排线连接时显得格外清晰,让人产生多而不乱的感觉,更加贴近实际,具有真实感。外观图如图3、图4所示。

2).拖拽形式实验

这个仿真实验方式是将放置在面板右侧的排线组,按正确的连接到相应的系统区针脚上,如果连接正确,排线将出现插头,直接与针脚结合在一起,当连接错误时排线将无变化,表示此排线无法与所选针脚结合。这种形式简单直接,很容易让学员接受理解。外观图如图5、图6所示。

2、软件设计

2.1 拖拽实验的实现方法

拖拽实验具体实现方法说明如下。

步骤1:运行flash且新建文档,在这个文档中新建“背景”、“静态排线”、“动态排线”、“透明”4个图层,点击“修改”“文档”,将其背景大小定义为1699*1365。

步骤2:然后将处理过的实验设备背景图拖到“背景”层中,使之与背景框对齐,作为整个仿真实验的背景。

步骤3:新建10个影片剪辑元件,用椭圆工具画出排线组模型,分别命名为R11至R00建立名称为“排线”影片剪辑,再将这些元件拖放到背景层的适当位置,作为备选工具。

步骤4:新建10个透明的矩形框影片剪辑,分别命名R1至R0,将它们放置到背景图片相应的针脚位置,作为放置排线组的正确显示区域。

步骤5:新建10个影片剪辑元件,在其中加入排线接口图片,并将其命名为tu至tu0。将这10个元件放置到与排线对应的相应针脚位置。在此图层输入如下代码:

2.2 连线形式实验的实现方法

步骤1:新建Flash文档,建立一个命名为“背景”的图层。

步骤2:然后将加工后的实验设备背景图拖到“背景”层中,作为整个仿真实验的背景。

步骤3:新建按钮元件,将其命名为元件2,选择矩形工具,填充色为透明,在第一帧画一个透明的框,居中对齐。

步骤4:新建影片剪辑元件,取名托一,在第一帧将按钮拖进来,居中对齐,实例名t1,在按钮上输入

3、结束语

仿真实验室的网络教学系统设计,推动了计算机应用专业现代实验教学技术的发展,同时也促进了教员教育观念、内容和体系的变革。通过此系统平台使得实验教学不受时间、空间的限制,将所实验的对象化小为大、化远为近,从而使实验内容变得直观具体、生动形象,激发学员学习的兴趣,同时也将提高教学速度、节省教学时间、减少实验设备的无故损坏,最终达到提高微机原理与接口技术实验教学质量和效率的目的。

参考文献

[1]王向慧,朱江宁.在微机原理及接口技术教学中的课件应用[J].辽宁师专学报(自然科学版).2006,(01):89-91

[2]吴学金.基于超文本的CAI课件的实现[J].天津师范大学学报(自然科学版).1999,(04):20-23

[3]周雄俊,冉鸣,王应红,黄健敏,彭蜀晋.积件思想在CAI开发中的实现[J].四川师范大学学报(自然科学版).2001,(01):35-36

[4]杨宏伟,李峰.CAI课件制作理论及方法[J].松辽学刊(自然科学版).2001,(04):60-61