数值仿真
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数值仿真范文第1篇
为研究网格尺寸、加载速率及仿真试件的单元数和单元长度等对夹层板压皱性能的影响，用Abaqus对UI形折叠式夹层板的压皱性能进行数值仿真，提出精度高、效率高的数值仿真模型化技术，分析不同变形模式和夹层结构尺寸对压皱性能的影响.结果表明：变形模式是决定夹层板压皱性能的关键因素；不同的结构参数组合会形成不同的变形模式，进而影响结构的压皱载荷和吸能特性；存在较优的夹芯壁厚、高度、间距和夹角的尺寸组合使夹层结构的吸能效率较优.
关键词：
折叠式夹层板； 压皱性能； 模型化技术； 变形模式； 结构参数； 吸能
中图分类号： U663.94；TQ328.7
文献标志码： B
0引言
夹层钢板是具有层状结构的复合板材，具有比强度高、比刚度大、密度低、减振、隔音隔热以及耐腐蚀性高等优点，广泛应用于航空航天、建筑、电机电器以及防护工程等行业，特别适用于各种防撞缓冲结构.[14]近年来，各国相继开展船舶结构夹层板设计、制造和性能等方面的研究，目的在于设计出性能优良、成本低廉、施工方便和安全可靠的船舶结构.
金属夹层板按其夹芯类型可分为蜂窝式、折叠式、桁架式和混凝土夹层板等.夹层结构是连接上、下面板的中间结构，对夹层板的力学性能尤其是吸能特性起关键作用.[4]夹层结构在横向压力作用下的动态响应是影响夹层板结构在冲击载荷下动态性能的关键因素之一，国内外学者先后对各式夹层在冲击载荷下的动态损伤机理和能量吸收展开研究.LEE等[5]分析金字塔桁架结构在冲击压力作用下的动态响应，认为材料应变率硬化、微惯性（micro inertia）对夹层结构的能量吸收有显著影响；XUE等[6]和VAZIRI等[7]采用简化理论，分析四边形蜂窝、折叠和桁架式夹层结构的动态压溃响应；TILBROOK等[8]对折叠式、Y形夹层结构动态压溃响应进行试验，并与数值仿真结果对比；AKTAY等[9]提出几种数值仿真分析技术，对Nomex蜂窝式夹芯结构动态压溃行为进行分析，并进行准静态压缩试验；COT等[10]通过数值仿真和试验研究分析金属蜂窝式夹层横向压溃性能，基于夹层单元弹性和塑性屈曲提出简化理论分析模型，并与试验分析结果对比，二者吻合较好.
本文利用Abaqus对UI形夹层板结构进行数值仿真分析，通过研究网格尺寸、加载速率、变形模式以及试件长度和宽度等对压皱性能的影响，提出分析精度高、效率高的数值仿真模型化技术；同时，研究夹层结构尺寸对压皱性能的影响.
数值仿真范文第2篇
关键词:多维独立成分分析；多维Amari； 数值仿真；信号测试
中图分类号: TP301.6；O242.1 文献标志码:A
Numerical simulation and analysis based on multidimensional independent component analysis
XIE Yong.hong1*, ZHANG Guo.wei2
(1.Department of Computer Science, Harbin Finance University, Harbin Heilongjiang 150030, China
;
2.School of Electronics and Information Engineering, Xian Jiaotong University, Xian Shaanxi 710049, China
Abstract:
By introducing a indicator to evaluate performance of Multidimensional Independent Component Analysis (MICA) algorithm, the separation was studied by numerical simulation. Using multidimensional Amari separation error as an important indicator of a measurement of multidimensional independent component analysis algorithm performance. In the comparative analysis of four algorithm named vkMICA, cfMICA, MSOBI, SJADE in the separation performance, a random distribution of letters signal was used for simulation and testing, and get a visual representation of MICA model of separation and uncertainty. The results show that MICA is a very effective method for multidimensional source signal analysis.
By introducing an indicator to evaluate performance of Multidimensional Independent Component Analysis (MICA) algorithm, the separation was studied by numerical simulation. The multidimensional Amari separation error was used as an important indicator of the measurement of MICA algorithm performance. In the comparative separation performance analysis of four algorithms named vkMICA, cfMICA, MSOBI, SJADE, a random distribution of letters signal was used for simulation and testing, and a visual representation of MICA model of separation and uncertainty was got. The results show that MICA is a very effective method for multidimensional source signal analysis.Key words:
Multidimensional Independent Component Analysis (MICA); multidimensional Amari; numerical simulation; signal testing
0 引言
法国学者Cardoso［1］于1998年首先给出了标准的多维独立成分分析(Multidimensional Independent Component Analysis, MICA)定义，提出了加法模型并通过几何参数化方法对MICA的算法进行分解。MICA算法估计的系统框架如图1所示。
在图1中，A是混合矩阵，V是白化矩阵，U是局部的正交分离矩阵，B是利用算法最终确定的全局解混矩阵，它实际上是对A－1的估计，而得到的y是对源的估计。所以，MICA估计算法的中心任务就是确定分离矩阵B，使得能够对源S【图上是小写？】或混合矩阵A实现有效地估计。对于MICA估计算法，可分为批处理(离线)和在线算法，把批处理算法结合独立成分分析（Independent Component Analysis，ICA）算法，并将其推广到多维的情况，从而讨论四种MICA算法的分离性能，即基于向量峭度的不动点算法［2］(vector kurtosis based MICA, vkMICA)，基于第二特征函数Hessian矩阵联合块对角化的算法［3］(characteristic function based MICA, cfMICA)， 基于特征矩阵联合块对角化的算法［4］(Subspace JADE, SJADE)和基于时延协方差矩阵联合块对角化的算法［5］(Multidimensional Second Order Blind Identification, MSOBI)。通过引入一个用于评价MICA算法性能的指标，进行数值仿真来研究其分离性。
2.2 处理点数K的选取对算法的影响
以cfMICA算法为例，使用式(7)所示的混合矩阵得到观测信号X(t)=As(t)，取处理点数K分别为K=10,20,…,100，对每个K分别运行50次，得到混合矩阵的估计AU，求取每个K对应的平均多维Amari分离误差E(2)(AU-1A)，得到的结果如图5所示。
由图5可知，对于不同的处理点数K，算法的分离误差E(2)(AU-1A)约为0.059，且波动范围不大，这说明在处理点选取为［-0.025,0.025］的均匀分布时，处理点的个数对于算法的性能并无明显的影响，算法是比较稳健的。但当K=60时，分离误差是最小的，故在比较各算法的性能时，将选取此值。
2.3 时延个数L的选取对算法的影响
以MSOBI算法为例，仍然使用式(7)所示的混合矩阵得到观测信号X(t)=As(t)，取时延个数分别为L=10,20,…,100，对每个L分别运行50次，得到混合矩阵的估计AU，求取每个L对应的平均多维Amari分离误差E(2)(AU-1A)，得到的结果如图6所示。
4 结语
本文检测了MICA的四个算法的性能指标，主要分析了处理点的个数的选取、不同时延个数的选取对算法的影响；在无噪声和有噪声条件下，基于联合块对角化(JBD)的CFMICA、SJADE、MSOBI三个算法都表现了一定的抗噪声性能。但当高能量的噪声下，需要在算法处理前加上降噪处理环节。仿真与测试分析表明，四个算法均能够在一定程度上完成对源信号的分离，在此基础上，再进行联合块对角化的协方差矩阵相应增加，从而更好地反映了信号空间的“平均特征”，得到更好的分离效果。MICA的算法可以非常有效地进行多维源信号分析，也是后期研究和实际应用的内容。
图片
图12 以SJADE算法为例分析得到的对3个字母信号的估计参考文献:
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数值仿真范文第3篇
关键词：三维刚体弹簧元 拱坝地基破坏 拱坝 仿真
近年来，用非连续介质力学模型研究高坝地基、高边坡与地下工程的变形稳定有长足进展，离散元[1～4]、DDA[5]、刚体弹簧元[6]等的发展提供了求解非连续介质力学问题的有效工具.关于高坝-地基系统的破坏机理与仿真分析，由于问题的极端复杂性，迄今仍未见诸报导，本文利用改进的刚体弹簧元研究玛尔帕塞拱坝溃坏的机理与过程，是试图用连续-非连续介质统一的数值模型研究高坝-地基系统破坏过程的尝试.
法国玛尔帕塞拱坝1959年12月2日的溃坝事故是坝工史上的重大事件[7，8]，引起了坝工界的极大重视.世界各国专家和学者从未停止过对玛尔帕塞拱坝失事原因的探究，并提出了各自见解[9]，归纳起来有以下3种看法：(1)坝基变形，认为左岸坝基修建在弱风化顶层上，岩体弹性模量低，仅1000MPa左右，地基的过大变形使拱的推力向上向下转移，其中向上转移的推力使左岸重力墩超载而产生位移，导致拱坝失去支撑而破坏.(2)坝体上滑失稳，认为岩体浅层的裂隙在不利的条件下不能提供足够的抗滑力，致使坝体沿建基面向上和向下游滑动，拱圈拱弦被拉长，使坝沿一岸或两岸拱端转动，导致拱冠断裂，坝体崩毁.(3)坝肩岩体滑动，认为左岸坝基存在一个潜在的由下游断层、发育的节理面，以及下游临空面组成的滑动楔形体.由于地质条件在楔形岩体上游侧形成很高的静水扬压力使岩体滑移失稳.本文利用改进的三维刚体弹簧元对玛尔帕塞拱坝的失稳破坏过程进行仿真，对该坝的失稳机理作进一步的探讨.
1 拱坝破坏仿真模型
1.1 三维刚体弹簧元模型 假定三维刚体弹簧元的单元块体为不可变形的刚性体，在引入了刚度、强度等效准则后，将块体变形与强度指标统一集中于接触弹簧上.块体的运动符合刚体的平动和转动定律，块体与块体依靠相互之间连接的切向和法向弹簧和阻尼器来传递相互之间的作用，如图1.弹簧的作用力由块体间的相对位移确定.如图2，块体P对块体Q的相对位移为Δu，则他们之间的弹簧力变化量为
式中：Ks、Kn分别为切向和法向弹簧的刚度；Δs、Δn分别为相对位移增量的切向和法向分量；Δs、Δn分别为切向和法向弹簧力的变化量.
图1 接触模型
图2 相对位移增量示意
1.2 使用三维刚体弹簧元模拟非连续介质 三维刚体弹簧元模型基于离散元方法提出，是非连续介质模型的1种，由于块体之间可以错动、分离，因此可以方便地模拟非连续体如裂隙发育岩体的大变形、大位移问题.离散元方法中接触关系一般可分为角面、角边、角角和边边四类，关于各类接触关系的检索和其它离散元的详细内容已在Cundall和鲁军等人的文章中有详细叙述，参见文献[1～4].
1.3 使用三维刚体弹簧元模拟连续介质
图3 刚体弹簧元模拟连续介质原理示意
图4 中心受拉杆件
1.3.1基本原理 如图3，通过将连续介质的变形和应力凝聚到单元之间连接的法向和切向弹簧上，可以用刚体弹簧元模型来模拟连续介质.即由弹簧的变形刚度(Kn、Ks)来等效连续介质的变形模量(E、G)，由弹簧力系统(Fn、Fs)来推求与之静力等效的连续介质的应力(σ、τ)分布，从而将刚体弹簧元系统和连续介质联系起来.(1)刚度等效.如图4所示，一连续的l×l1×l2方杆，弹性模量为E，泊松比为υ.将杆沿长度方向等分成n个l3×l1×l2的块体，其中l3=l／n，每个块体间的面面接触被视为四个角点处的点面接触，当n足够大，取弹簧的法向刚度Kn=l1×l2×E/4l3时，使用三维刚体弹簧元计算它在中心作用力P下的变形与使用材料力学方法的结果是一致的.弹簧的切向刚度借用弹性模量和剪切模量的关系可取Ks=Kn/[2(1+υ)].单元应尽可能采用长方体，对于不规则的块体可以将其均化成长方体使用上述估算式，或另外推求相应的计算式.
(2)强度等效.如果刚体弹
簧元网格划分得比较密，则可以取单元面上每个弹簧力合力除以该面的面积求得其平均应力作为该面上的应力值.因为单元网格较密，可以认为当面上的平均应力达到材料的强度时该面上的弹簧全部断开，则单元在该面发生破坏.由于刚体弹簧元的计算工作量比较大，当为了节省计算工作量，网格划分得较稀疏时，可以按照材料力学方法假定单元面上的应力分布方式，由弹簧力根据静力等效原则求出该面上的应力分布.
(3)荷载等效.对于集中荷载，将荷载作用在相应的块体形心上，并将荷载对中心的力矩加入到该块体的合力矩中即与原荷载的作用等效.对于分布荷载也要等效成集中荷载加入到相应的块体中.
图5简单算例
1.3.2简单算例 如图5，一长40m，高4m，宽1m的悬臂梁受均匀荷载P=105N/m2作用，支座A固定，不考虑自重，坐标见图中所示.悬臂梁弹性模量E=1010N/m2，泊松比υ=03，密度ρ=2.4×103kg/m3，离散网格如图5(在厚度方向为一层，厚1m).使用上述的刚体弹簧元方法计算悬臂梁的变形和应力并与有限元的结果进行对比，图6为悬臂梁沿y轴的位移对比结果，图7和图8分别为x方向的正应力σx和剪应力τxy的对比结果.从图中可以看出两种方法计算的位移和应力结果除有限元法在固定端能反应局部应力集中外，整体应力具有很好的近似性.
图6 y方向位移等值线(单位：m)
图7 x方向正应力σx等值线(单位：MPa)
图8 剪应力τxy等值线(单位：MPa)
刚体弹簧元通过引入单元表面应力分布假设和变形近似等效来模拟连续介质，利用这些假设，刚体弹簧元通过上述的刚度等效、强度等效和荷载等效，能够把连续介质和非连续介质统一在一个模型之中，为研究坝肩失稳导致拱坝断裂破坏需要仿真连续与非连续耦合介质的大变形与破坏断裂的复杂过程提供了有力的工具.
2 玛尔帕塞拱坝失稳机理的研究
2.1 模型的建立
2.1.1 坝肩和坝体的离散和计算条件的设定 法国玛尔帕塞拱坝坝高66m，坝顶高程102.55m，坝顶长222.7m，长高比3.3，坝顶厚1.5m，底厚6.78m，厚高比为0.1.坝址岩体由带状片麻岩组成，含千节理倾向下游右岸，倾角30°～50°.该坝于1954年建成，蓄水历时5年至1959年12月蓄至最高水位约100m时，坝在短瞬间溃决，左岸与中部坝体全部冲走，右岸底部坝体残存.根据玛尔帕塞拱坝的地形和地质资料以及拱坝的体形和横缝设置将坝址处的岸坡简化成如图9所示，坐标系设置和拱坝离散网格如图10.在分析中边界条件设定为除“二面沟”内的岩体外，其他岩体均被固定.坝体、右岸坝肩和中间岩体依照连续介质进行模拟，坝体弹性模量取E=1010Pa，坝体材料的抗拉强度取2.0MPa，抗压强度为20MPa，摩擦系数f=1.0；考虑到右岸坝基事后调查仍有坝体残存，表明该区岩体强度较高，故将坝体右岸及中间部分与基础的交界面强度较坝体提高1倍.左岸坝肩依照非连续体计算，重力墩和地基之间的摩擦系数设定为1.0，坝体和左岸坝肩之间以及“二面沟”内的岩体两组节理面与水平层面取相同的摩擦系数f1，根据不同的工况选取，上、下游断层摩擦系数为f2，亦根据不同的工况进行选择.计算中未考虑粘结强度c的作用.主要荷载为库水作用，稳定分析中库水水位均取100m，考虑左坝肩扬压力时，按静水压力作用施加在沿上游面坝基线的裂隙处，作用面见图9中虚线段所示.为了简化计算，所有荷载均一次施加.计算中阻尼参照Cundall提供的阻尼模式选取刚度与质量成比例的Rayleigh阻尼型式，阻尼系数α、β由试算确定，试算表明：如不出现过阻尼或阻尼过小情况计算结果均收敛于一稳态解的近似值，详见参考文献[3].
2.1.2位移分析 计算拱坝位移时左坝肩暂按连续介质考虑，并且不考虑扬压力作用，得到拱坝在1955年9月(水位79.75m)蓄水至1959年7月(水位94.19m)拱坝产生的位移，并与相应实测位移值进行比较，图11列出了顶拱和拱冠梁处的比较结果.可以看出二者最大值基本接近，但在拱冠梁坝基附近，实测的位移值较计算大1cm左右，顶拱计算结果较实测结果略偏大.这一比较结果表明选择的弹簧刚度参数Kn、Ks以及单元等效模型基本符合实际.
2.2 玛尔帕塞拱坝稳定性分析及失稳过程的仿真 通过改变坝体和左岸坝肩之间以及左岸坝肩“二面沟”内岩体的摩擦系数f1和上下游断层面的摩擦系数f2可以模拟和分析拱坝在各类参数条件下失稳破坏的情形.
图9岸坡离散
图10刚体弹簧元离散网格
图11拱坝位移计算结果与实测结果比较
2.2.1工况1——不考虑扬压力的浅层滑动 不考虑左岸坝肩处的扬压力，将坝体和左岸坝肩之间以及左岸坝肩“二面沟”岩体的摩擦系数f1和上、下游断层面的摩擦系数f2设为相同，从1.0开始折减，逐步计算，直到拱坝发生破坏.计算结果表明当摩擦系数f1和f2折减到0.6时坝肩失稳，拱坝破坏.图12列出了左坝肩附近的块体1(见图10)的位移过程.f=0.7时，块移量陡增，接近30cm，此时拱坝处于失稳的临界状态，f=0.6时，块移不再收敛，开始沿着坝肩向下游、向上滑动，整个拱坝随之破坏.
图12 块体1的位移过程(工况1)
图13 f=0.6时左坝肩重力墩位移过程(工况1)
分析图13～图15，拱坝的整个破坏过程可以分为两个阶段，第一阶段是大约3s以前拱坝整移，第二阶段是3s以后由于过大的变位使拱坝的工作方式发生改变，应力恶化，坝体溃毁.描述如下：在第一阶段，拱坝利用拱的作用将水压力转化为水平作用在坝肩上的推力，沿坝肩向上的分量使拱圈产生向上滑动的趋势，由于左坝肩岩体的摩擦系数较小，不能提供足够的抗力，巨大的拱推力转移到了左岸的重力墩上，使重力墩沿着墩轴线偏向下游移动了近2m(见图13，3s前重力墩主要以平动为主)，同时整个坝体沿建基面向下游、向上滑动，带动坝体以右岸为轴向下游转动(由图14中y方向的位移分布，坝体向下游位移由右到左依次增大，显示以右坝肩为轴向下游转动)和向上旋转(见图14中z方向的位移分布，坝体上抬量由右到左依次增大，显示以右坝肩为轴向上转动).此时，整个拱坝基本上保持整体发生变位，同时有沿右岸转动趋势.
(a)y方向位移等值线
(b)z方向位移等值线
图14 f=0.6，3s时拱坝坝移分布(工况1，单位：m)
拱坝在经过了第一阶段后，拱圈拱弦拉长，逐渐被压扁，承载能力极度降低，应力发生恶化，坝体破裂，拱坝的破坏进入到第二阶段——破坏阶段.由于中、下部块体受水压力较大，拱坝坝体从该部位偏左岸发生断裂，向下游弯折，首先被冲出，随后其周围坝块跟着折向下游，上部坝块受水压力较小，发生翻转后随在中下部坝块之后冲出，拱坝彻底破坏.与重力墩连接的坝段在被向下游冲出的过程中又带动重力墩发生了向下游的位移和旋转(见图13中3s以后的位移，向下游移动1m左右，在平面上旋转约3°).图15给出了上述过程
一些典型时刻拱坝的状态，拱坝破坏后最后残留状态见最后一幅.
图15 f=0.6时拱坝破坏过程(工况1)
上述拱坝破坏过程的计算结果和拱坝失事后的调查结果基本相符：(1)f值的大小，“实有摩擦角为30°～35°”，本文计算表明f值取0.7时拱坝处于临界状态，对应的摩擦角为35°，当拱坝左坝肩的实有平均摩擦角小于该值时，拱坝会发生上滑失稳，与拱坝破坏事实相符；(2)坝体的残留部分，拱坝失事后“右岸部分的坝体和中间部分的坝体底部基础留存了下来”，坝基由于嵌固作用，一般不易破坏，当拱坝上滑失稳时，应力发生恶化，拱坝沿横缝和工作缝等薄弱处断裂，同时底部的坝体得到卸载，从而保留了下来，计算中将坝体右岸及中间部分与基础的交界面强度较坝体提高了1倍，坝体的残留部分如图15，和拱坝破坏后的结果相符；(3)重力墩的位移，“左按重力墩在沿墩轴线方向上已移动约2m，沿垂直于墩轴线方向，向下游移动了约80cm，并略有倾侧”，本文计算的过程解释了上述重力墩先沿轴线方向移动(拱坝整体滑动时的推力所致)，又向下游移动并转动(拱坝破坏后，重力墩附近的坝段向下游破坏时的带动)的现象，位移量也基本接近；
(4)残留部分的位移规律，“AB坝段的位移很小，各坝段的位移值自右岸向左岸逐渐增大，至JK坝段处增达80cm；位移方向与坝轴线略呈斜交，并沿上游至下游方向略偏向于左岸.”，“左右岸，建筑物上游的岩石从混凝土与基岩接触点的几十cm处发生破裂，并有一条张开裂隙从底部沿岸坡脚向上延伸至接缝B处；这条裂隙在底部宽40～50cm，向上续渐减小.在右岸坝的下游可以看到若干在建筑物发生位移时所压碎的岩石区”，由于本文计算原来主要希望研究左岸坝肩滑动安全，未对中间坝基和右岸坝肩做离散和参数研究，因此未能计算出上游的裂缝和残留坝段80cm的位移量，但3s时的位移分布可以看出整个拱坝沿右岸的旋转和向下游的倾侧现象，这和上述调查结果相吻合，是产生上述裂隙和位移的原因，如果坝基岩体强度不够，整个拱坝沿右岸的旋转以及沿坝基向下游的倾侧必然产生很大的对上游面岩体的拉力和对下游面岩体的压力，使其开裂或破坏.
2.2.2 工况2——考虑扬压力时的浅层滑动在左岸坝肩处施加扬压力，重复工况1的计算.其结果与工况1基本一致，f=0.7时，拱坝处于失稳的临界状态，f=0.6时，拱坝破坏.表明扬压力对于浅层滑动的情况影响较小.
2.2.3 工况3——不考虑扬压力的深层滑动取坝体和左岸坝肩之间以及左岸坝肩“二面沟”岩体的摩擦系数f1为1.0并保持不变，在不考虑左岸坝肩处的扬压力情况下，将上、下游断层面的摩擦系数f2从1.0开始折减，逐步计算，直到拱坝发生破坏.计算结果表明：直到f2折减到0.1时坝肩仍然保持稳定，拱坝没有溃毁.因此，如果没有扬压力的作用，拱坝发生深层滑动的可能性极小，依靠岩体自身的重量基本上就可以保持稳定.
2.2.4 工况4——考虑扬压力时的深层滑动在左岸坝肩处施加扬压力，重复工况3的计算.计算结果表明当上、下游断层的摩擦系数f2折减到0.3时坝肩发生滑动失稳，拱坝破坏，见图16.分析图17、图18，与拱坝发生浅层滑动相对应，整个破坏过程也可以分为拱坝整移和坝体溃毁两个阶段.其过程如下：在第一阶段，作用在坝肩上的拱端推力向坝肩岩体深层传递，在最不利的滑动面(下游断层面)上，坝肩推力沿该面向上的分量和作用在坝基岩体上的扬压力有使坝肩岩体沿滑动面产生滑动的趋势，当岩体自重和滑动面上的抗滑力不足以阻止岩体的滑动时，整个坝肩岩体将沿着断层面产生滑动，巨大岩体的滑动带动整个左坝肩和重力墩运动(见图18中6.25S时的状态，坝肩岩体向上和下游滑动，重力墩折断破坏)，使重力墩发生平动和旋转(见图17，625S前重力墩的旋转)，拱坝坝体左边坝肩部位被抬起并推向下游，带动拱坝整体沿着右岸发生向下游转动.以后的拱坝运动、破坏的过程和工况1十分类似，不再赘述.
图16 块体1的位移过程(工况4)
图17 f2=0.3时坝肩重力墩位移过程(工况4)
深层滑动的计算结果和拱坝失事后的调查对照如下：(1)f2值的大小，“下游断层面中充填的粘土(摩擦角)的试验值只有30°”，本文计算的结果表明f2值取0.4时拱坝处于临界状态，对应的摩擦角为22°，当拱坝左坝肩上下游断层的平均摩擦角小于该值时，拱坝会发生深层滑动；(2)坝体的残留部分，深层滑动计算结果亦与其相似.(3)重力墩的位移，深层滑动计算的过程是重力墩一直在发生转动，稳定后在平面内的位移量和转动与实际调查结果接近；(4)残留部分的位移规律，这一现象和浅层滑动相同，不再重复.
图18 f2=0.3拱坝破坏过程(工况4)
3 结论
(1)计算表明玛尔帕塞拱坝在坝肩岩体抗滑强度较低时两种滑动失稳模式均有可能发生.当左坝肩岩体节理、裂隙的摩擦系数小于0.7时拱坝将发生浅层滑动失稳，而左坝肩上、下游断层的摩擦系数小于0.4，且坝肩作用有扬压力时拱坝会发生深层滑动失稳，因此，似乎拱坝发生浅层滑动的可能性更大一些.
(2)对拱坝沿坝肩岩体的浅层滑动和深层滑动失稳破坏过程的仿真计算均较好的解释了拱坝失事原因，再现了拱坝溃坏的过程和坝址处的残留情况.浅层滑动失稳过程似乎与调查结果符合得更好，然而由于计算资料并不十分充分，考虑的因素也不可能很全面，另外在计算中有所简化，深层滑动过程与浅层滑动过程亦有很多相似，因此很难排除或肯定拱坝失稳确切是那一种滑动模式.
(3)扬压力对浅层滑动影响很小，它主要是由于库水荷载的作用产生沿坝肩的滑动，但扬压力对深层滑动起着重要的影响，如果没有扬压力，对于玛尔帕塞拱坝发生深层滑动失稳的可能性很小.
数值仿真范文第4篇
Abstract： Combined with a practical engineering project， the article applies the FLAC-3D software which is about Fast Lagrangian Analysis of Continua to build up a model of a tunnel. The model applies the Mohr-Coulomb Elastic-Plastic Model to have a numerical simulation study about the construction of the tunnel， by means of which we can get some results of stresses and displacements. Based on the results， we can have a good simulation process and give some reference and bases， which made the practical projects more safe， economical and reasonable.
关键词： FLAC；隧道；数值仿真模拟
Key words： FLAC；tunnel；numerical simulation
中图分类号：U45 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）12-0076-02
0 引言
随着科学以及经济的告诉发展，使得城市建设越来越快，越来越多的地方需要开挖隧道，用于民用或者工业。在城市地下隧道，一般都修建在城市中心地带，隧道周围建筑物密集、地下管道网密布，且地面来往人群较多、交通拥堵，所以对隧道设计施工有着严格的要求[1]。
隧道的开挖过程中，周围土质的应力、应变以及其他物理特性对隧道开挖建设有着紧密的联系。这些变化可能对地面造成不同程度的沉降[2][3]。特别是在软弱地区，显得尤为重要，为避免施工造成不当后果引发的经济和人为损伤，且现场检测虽具有直观的显示，但成本过高，周期过长，隧道开挖施工模拟十分必要，且现在对于工程的应用也十分广泛，可以对工程施工过程中做出有效的、可靠的预测和预报。数值模拟方法在现今岩土工程问题中已成为了有效的工具。
FLAC是指快速拉格朗日差分分析，目前已成为岩土力学计算中的重要数值方法之一。它可以准确模拟材料的屈服、塑形流动、软化直至大变形，特别是在弹塑性分析、大变形分析以及模拟施工过程等方面有着较大的优点[4]。
1 工程概况
场地位于浦东，采用盾构法施工。各土层参数主要如表1所示，主要为②层的粉质黏土，③层的的淤泥质粉质黏土层和④层淤泥质黏土。
衬砌材料按弹性材料计算，厚度30cm，密度2500kg/m3，体积模量16.67×109Pa。
1.1 模型尺寸 计算模型取隧道的其中一部分断面，X正方向为沿隧道轴向，长度取42m；Y向分析总长度取为25m；Z轴正方向为垂直方向向上，取值15m，模型上边界为地表，整个模型大小为：X×Y×Z=42m×25m×15m，隧道外径为6m，衬砌厚为0.3m，如图1隧道计算三维模型和图2隧道模型截面。
1.2 计算假定 1）不考虑隧道衬砌间接缝对地表沉降和隆起的影响，而将隧道衬砌考虑成一个均质圆环体[5]；2）对岩层材料采用理想弹塑性模型和Mohr-Coulomb屈服准则，大应变变形模式，结构材料均采用线弹性；3）衬砌材料按线弹性材料考虑。
1.3 单元类型 所有单元均采用实体单元，地层土体采用摩尔―库仑本构模型，衬砌为线弹性本构模型。
1.4 边界约束条件 模型的左右侧面（X=±21面）设置水平约束，前后面（Y=0面、Y=10面）设置纵向约束，底面（Z=-12）设置竖向约束，上表面为自由面。
2 数值模拟结果及分析
2.1 位移场分析 工程实例中的隧道处于地面下13米处，由于上覆土厚度不是很大的原因，隧道周围的承载圈较难形成，表现出周围土体的发生回弹形变，并指向洞口内部。隧道两边主要为水平位移，如图3所示。隧道上面顶部与下面底部主要以竖向位移为主，如图4所示。
而由图3的计算结果我们可以得到，隧道周围土的变形以隧道左边墙向左发生变形，右边墙向右发生变形，也即是边墙都向两侧外侧发生变形。
从图4的计算结果我们可以看到，隧道周围土的变形主要为隧道上部的沉降，同时隧道底部则是发生向上的隆起，并且隧道的竖向变形基本对称。
从水平位移等值线看出，由于施工横洞的大断面交叉直入，隧道边墙这里的收敛值不是很大。
之后，为有效改善隧道周围土的位移，隧道进行了初衬，后的水平和竖向位移如图5和图6所示。我们可以看到初衬改善了水平和竖向的位移。
通过图5初衬后水平位移等值线图与图3开挖后竖向位移等值线图的对比可以发现，隧道洞口的水平向位移减小得很多，同样的，图6初衬后竖向位移等值线图与图4开挖后竖向位移等值线图的对比中发现，经过初衬，土体变形的范围也减小了，并且隧道洞口顶部与底部一定范围内的土体应力减小。
2.2 应力场分析 隧道周围土体的应力可由太沙基理论得知，但是由于隧道的开挖后对周围土体进行了相对程度上的扰动，使得隧道洞口周围土体的应力发生了重新分布，所以可以发现应力集中发生不同的地方，隧道周围的径向应力得到了释放，而同时环向应力变大[5]，如图7和图8。
由最小主应力图可以看出，压应力集中出现在隧道两侧，在实际工程开挖中，可能会发生破坏[6]。
由最大主应力图可以看出，开挖过程中，拉应力集中的现象在隧道顶部和底部均是出现。
再由初衬后的竖向应力图，如图9，可以较为直观的看出隧道洞口周围竖向的应力分布。
3 小结
为指导地铁、隧道等大型地下工程的设计与施工，对其进行数值模拟是十分必要的，也是经济的。本文采用弹塑性理论，并应用FLAC软件对地铁开挖进行有限元模拟和分析，直观而真实地表现了隧道开挖时所产生的周围土移和应力的分布情况，据此对隧道开挖的力学特性及其相关问题进行了研究和探讨。分析得出，隧道开挖后和初衬后的隧道是稳定的，可以满足相应工程的功能和要求。
参考文献：
[1]刘招伟，赵运臣.城市地下施工监测与信息反馈技术[M]. 北京：科学出版社，2006.
[2]王梦恕.地下工程浅埋暗挖通论[M].合肥：安徽教育出版社，2004.
[3]Y.D.Murray. Computational Modeling of Underground Tunnels in Intact and Jointed Rock[R]. DNA-TR-96-16，Defense Nuclear Agency，USA，1997.
[4]刘波，韩彦辉. FLAC原理、实例与应用指南[M]. 北京：人民交通出版社，2005：3-6.
数值仿真范文第5篇
关键词：汽车模型风洞；试验段；压力平衡口；数值仿真；计算流体力学；FLUENT
中图分类号：U467.13；TP391.9；TB115文献标志码：A
Numerical simulation on effects of breather on flow field of open-jet automotive model wind tunnel
JIA Qing， YANG Zhigang
(Shanghai Automotive Wind Tunnel Center, Tongji Univ., Shanghai 200092, China)
Abstract：To set up an automotive test environment as accurate as real environment, numerical simulation is carried for the characteristics of flow field in test section of open-jet automotive wind tunnel. The characteristics of flow field are studied with or without breather. The operating conditions with breathers of different area and form are simulated and the results of characteristics of flow field in different test section are obtained. It is concluded by comparison and analysis that the test section of open-jet automotive wind tunnel has advantage on testing automotive performance with breather, especially with 140 m×140 m breather.
Key words：automotive model wind tunnel; test section; breather; numerical simulation; computational fluid dynamics；FLUENT
0引言
自19世纪末汽车诞生以来，100多年风风雨雨的发展，使得汽车工业成为驱动整个社会发展的首要动力之一.为此，各国都不惜重金加速发展汽车行业，竞争相当激烈，如何用更少的时间生产数量更多、质量更高的汽车成为汽车工业共同面临的问题.为此，各大汽车生产国都拥有自己先进的汽车风洞作为研发工具.目前我国还没有自己的整车风洞，这无疑成为国内汽车行业蓬勃发展的绊脚石；但上海地面交通工具风洞中心项目[1]已经全面启动并顺利开展，该项目志在汲取各家风洞之长建立真正符合国内汽车特点的整车风洞，为此必须对风洞的各种性能进行全面研究.
汽车行驶环境的空间无限大，不受边界条件干扰，但由于资金和场地等硬件条件的限制，用于汽车测试的风洞不可能建成近乎无限大的、完全没有壁面干扰的巨大空间，而只能提供有限的空间作为汽车的测试域，所以如何尽可能少用资金而更准确地模拟汽车的实际运行环境，成为风洞设计和建设的关键技术问题之一.具体归结为如何在尽可能小的风洞试验段测试区域内，尽可能大地降低风洞试验段的壁面干扰.对于一个有限空间，壁面干扰主要是因为其内部压力能在气流的流动作用下不断损失而得不到及时补充所致，如何消除这种损失就是本文研究的重点.针对此问题，在试验段内开设压力平衡口，对其内部的流场进行一系列研究.
近年来，飞速发展的计算机工业使得计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值仿真技术迅速，并已逐渐成为各行业空气动力学设计的一种省时省力、经济有效的基本工具.本文以此为工具，首先，在计算机上依据模型风洞的尺寸分别针对试验段内有无压力平衡口的两种形式，建立风洞的数值模型，对其进行数值仿真，通过对计算结果的分析比较，充分验证压力平衡口的积极作用；接着，分别建立具有不同形式压力平衡口的试验段模型，对它们分别进行数值仿真，比较结果，对不同形式压力平衡口的压力平衡效果进行分析比对，得到一种最优的压力平衡口形式.这样就能很好地模拟汽车的实际运行环境，为汽车的测试提供可靠的研发实验平台，为将来整车风洞的研究提供相应的理论依据.
1风洞试验段数值仿真
1.1建模
首先对已经过数值计算验证的模型风洞试验段[2]进行结构改进，在试验段与收缩段相交处的喷口上方设置两个压力平衡口，以平衡试验段内外的压力，减小段内负压.
根据模型风洞尺寸建立如图1所示的几何模型，其中图1(a)为原始无压力平衡口的几何模型，由收缩段、试验段、收集口和扩散段几部分组成；图1(b)为加设压力平衡口后的几何模型.(a) 无压力平衡口的模型风洞
(b) 加上压力平衡口后的几何模型
1.2离散
本问题采用全隐式时间方案下的2阶迎风格式离散方程.流动问题的解在单元内部节点上定义，解的精度由网格中单元的数量决定.一般而言，单元越多、尺寸越小，所得到解的精度越高，但所需要的计算机内存资源及CPU时间也相应增加.为了提高计算精度，在有限的内存条件下，只在物理量梯度较大和所感兴趣的区域加密计算网格.[2]主要关注试验段内流体的压力和速度，所以这部分的网格较其他地方密集.在近壁面处会有边界层效应，因此加上边界层网格有利于提高数值计算精度，能更好地计算图 2网格边界层区域和壁面剪切力.由于流动方向的单一化，使用结果准确且数量经济的六面体网格.总体网格数约为200万.部分网格及边界层网格见图2.
1.3求解
当马赫数(Ma)小于0.3时就可认为流动是不可压的，这里流出喷口的来流速度为30 m/s，Ma=u/a
计算采用工程上广泛应用的可实现化的k-ε湍流模型[3]及标准的壁面函数.将进出口的边界条件分别设为Velocity-inlet和Outflow，其中设压力平衡口的边界条件为inlet-vent.入口速度取5 m/s的均匀来流.计算首先选用较小的松弛因子和1阶迎风格式得到初值，然后采用能有效减少数值扩散的2阶迎风格式得到最终结果.残差均控制在1E-4.整个计算过程中保证数值收敛和物理收敛.[4]
1.4结果分析
在分别进行1 000步迭代后，达到精度要求，现分别给出设置压力平衡口前后模型风洞内流场的计算结果，见图3.
(a) 无压力平衡口的速度云图
(b) 有压力平衡口的速度云图
图3给出沿流动方向的速度云图，从中可以很清楚地看出速度分布情况.从图3(a)可以看出，气流从进口进入后，经过收缩段的增速降压，以很高的速度(约30 m/s)从喷口喷入到测试段内，随着流体在主流区内的流动，由于壁面作用以及不可避免的流体黏性效应使得其速度逐步降低，然后经过收集口进入到扩散段内，动能在扩散段的降速增压效果下有所降低，在扩散段内充分流动一段距离后逐步达到稳定状态.
将图3(b)与(a)比较后发现，加上压力平衡口后其主流区内的流体高速区范围增加，这有利于汽车在其中的测试.当气流继续流动进入扩散段后更加平稳，相应的流场速度梯度减小，为下一段的进口提供较好的边界条件，有利于整个风洞流场品质的增加.为了进一步从数值上给予定量分析，下面分别在两种工况下的测试段内，沿流体的3个不同流动方向取相同位置的测点进行压力梯度的比较分析，见图4.
(a) y方向测点布置
(b) y方向压力梯度
(c) z方向测点布置
(d) z方向压力梯度
(e) x方向测点布置
(f) x方向压力梯度
如图4(a)和(b)所示，在距离测试段内下壁面0.08 m处沿流动方向(y方向)等间距取15个点，并且取其中从喷口到收集口的10个点进行压力梯度比较；图4(c)给出z方向的测点分布，由地面到测试段顶壁面，以0.11 m为间隔纵向(沿z方向)取7个观测点，得到压力梯度(见图4(d))；图4(e)为沿x轴方向的测点分布情况，以0.13 m为间隔横向(沿x方向)取9个点，其相应的压力梯度在图4(f)中给出.其中Cp=2ρv2(dp/dx)从图4(b)看出在加上压力平衡口后，试验段内的流体在纵向流动方向上压力梯度的变化明显平稳很多，尤其是测试段部分(1.72～2.2 m)，压力梯度基本趋于平稳；从图4(d)和(e)也可看出，试验段内加上压力平衡口后，流场在z方向和x方向的均匀度也明显好于没有平衡口的工况，压力梯度变化较平稳.这说明压力平衡口十分有效地平衡了试验段内外的压力差，压力波动降低，为汽车测试提供一个近似于无限大空间的测试环境，更真实地模拟汽车的真实运行环境.
通过以上分析可知，加上压力平衡口可以改善试验段乃至整个风洞的流场品质，设置压力平衡口很有必要.下面进一步研究压力平衡口的优化问题.
2压力平衡口优化
为了取得最优的压力平衡口，在以上研究基础上继续对模型进行数值计算和分析研究，在综合考虑结构安全性和实际可操作性后，设计4种压力平衡口的形式见图5.
(a) 压力平衡口为435 mm×140 mm(b) 压力平衡口为140 mm×140 mm
(c) 压力平衡口为122 mm×140 mm(d) 压力平衡口为40 mm×140 mm
为了验证比较4种压力平衡口的性能，对其分别进行同工况的数值计算，计算模型仍采用第1阶段数值计算时采用的模型，边界条件也一致，在分别进行1 000步计算使各残差收敛达到精度要求后，在各个模型试验段内距离下壁面0.08 m处取15个点，进行静压梯度的比较，见图6.
从图6知，当压力平衡口为140 mm×140 mm时，其静压梯度曲线最为平缓，说明开设此形式的压力平衡口，试验段内的流场品质最好，最有利于汽车在其中的性能测试.
3结论
采用目前广为使用的CFD技术分别对模型风洞试验段内有无压力平衡口的两种工况进行数值仿真，对试验段内的流场品质进行比较分析，得到以下结论：对于风洞，在试验段喷口上方加设压力平衡口，可提高试验段内的流场品质，有效平衡试验段的内外压力差，更加真实地模拟汽车实际行驶时的环境，有利于汽车在其中的测试，同时也提高流出扩散段流体的均匀度，为下一段的流动提供较好的边界条件，从而提高整个风洞内的流场品质.另外，还对不同形式的压力平衡口分别进行数值仿真，通过对结果的比较分析得出一种较好形式的压力平衡口，为整车风洞的建设提供理论依据.
参考文献：
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[4]王福军.计算流体动力学分析――CFD软件原理与应用[M]. 北京: 清华大学出版社， 2004.
数值仿真范文第6篇
【关键词】Ansys/Ls-dyna；数值仿真；井巷工程；教学
Application of Anays/Ls-dyna Numerical Simulation in Roadway Engineering Class Teaching
XU Xue-feng LIU Shao-wei WEI Si-jiang
（School of Energy Science and Engineering，Henan Polytechnic University， Jiaozuo Henan 454000， China）
【Abstract】Because the blasting theory is abstract， and is difficult to understand and explain， Ansys/Ls-dyna soft is used to simulate dynamite blasting in rock.. According to the simulation results， the dynamic stress field evolution during dynamite blasting is described quantitatively and qualitatively. In the teaching with multimedia technology， the simulation results are playing an important part through pictures and animation effect.
【Key words】Ansys/Ls-dyna； Numerical simulation； Roadway engineering class； Teaching
0 引言
井巷工程是采矿工程专业的主要专业课之一，是研究井巷施工方法和施工技术的综合性课程[1]。课程的特点是理论联系实际，并且有些理论知识还比较难于理解和讲解，比如岩石性质与工程分级里面的动载荷作用下岩石的力学性质以及钻眼爆破中炸药爆炸的相关理论，讲解起来很抽象，也不容易理解。结合本课程多媒体教学的特点，以及对于岩土工程数值模拟软件的学习，利用岩土和结构方面的权威仿真软件Ansys/Ls-dyna对炸药爆炸的过程进行了数值计算。模拟计算主要分析了炸药爆破过程中动应力的演化特征，将抽象的理论用数值模拟的图片、动画等效果显示出来，作为理论教学的重要补充，在教学中起到了很好的辅助作用，这也是工科多媒体教学中的必要元素。
1 井巷工程课程理论教学内容
井巷工程是煤炭行业采矿工程、安全工程等专业重要的专业基础课程，该课程主要内容包括岩石的力学性质与工程分级、钻眼爆破、巷道施工技术等内容。该课程的特点是理论联系实际，掌握好理论基础对学好其他章节内容及施工技术都有很好的指导作用。理论教学内容中有些知识点比较抽象，难于讲解，学生也难于理解，需要通过合理的辅助教学手段提高教学效果。比如在岩石力学性质及其工程分级这一章节里面涉及到在动载荷作用下岩石的力学性质。岩石在动载荷作用下的应力及应变以应力波和应变波的形式显现出来，这个问题很抽象，教师授课讲解和学生的理解都比较抽象。另外对钻眼爆破章节里面涉及到炸药爆炸的特性介绍，也是比较抽象，很难用定量的形式生动形象的描述出来。
目前多媒体教学已经成为工科教学中的主要教学手段[2-5]，它集图、文、音、像、动画等为一体，表现出突出的优越性，当然随着这一技术的发展，对多媒体的制作质量也提出了新的要求[6-7]。由于井巷工程的特点，本课程适合采用多媒体教学，并且对与理论性比较强的章节最好能表达成生动形象的图片和动画等，但单独的爆破方面的图片和视频只能从视觉上和宏观上解释爆炸现象，不能从科学理论的角度讲述爆破的原理，以及炸药爆炸产生的应力波的传播过程。对于这些问题适合采用一些数值模拟软件进行定量的分析，图形结合，便于理解，从而对炸药爆炸特征的理论达到深层次和微观的认识。针对以上问题的分析，结合自己在数值模拟技术中掌握的方法，拟采用Ansys/ls-dyna数值模拟技术的图形及动画结果，作为该教学内容的辅助教学手段。
2 Ansys/Ls-dyna软件功能特点
Ls-Dyna是世界上最著名的显式动力分析有限元程序，可以精确可靠地处理各种非线形问题[8-9]，如碰撞分析、爆炸分析等，对于计算冲击动载荷作用下材料的变形、应力分布以及炸药爆炸过程中应力波的传播特性具有突出的优势，结合Ansys强大的前处理功能，已经在岩土结构等多种领域应用。与该软件对应的有许多出色的前后处理软件，其中LS-PREPOST是LSTC公司开发的专用前后处理软件，该软件对LS-DYNA数值模拟的结果通过图形、动画显示，对模拟结果的有限元网格、实体变形、应力云图能清晰的显示，这对于显示炸药爆破过程中的岩石应力、应变及炸药爆破的特征等十分直接、明确，既有定量的数据，又能生动形象的反映问题。所以Ls-Dyna及其后处理软件能够满足教学中研究动载作用下岩石的应力演化过程及炸药爆炸时的应力波演化过程，即能定性演示，又能定量分析，在相关学科的科研和教学过程中具有重要的应用意义和前景。
现代多媒体教学手段的需要图文结合，即要从宏观上介绍爆炸的现象，又能从理论上分析爆炸特征的科学理论，所以采用本软件数值模拟的结果配合多媒体教学是十分必要的。
3 数值访真技术应用
利用Ls-Dyna模拟炸药在岩土中爆破过程中的力学行为，该问题既分析了岩体在动载荷作用下的应力波和应变波的传播规律，又分析了炸药爆炸过程的特性。具体的条件是在一定深度的岩土中布置一立方体形炸药，模拟采用三维模型，为了计算方便建立1/4模型，但后处理时可整体显示，求解时间3000ms，每5ms输出一个计算数据。
图1 数值模拟模型
这里我们主要分析炸药爆破过程中岩土体中的应力演化过程，图2为炸药爆破后某一剖面上应力的演化过程，限于篇幅只显示部分时刻的应力分布。每一幅图片中左侧是某一个剖面的应力云图表示不同区域的应力分布情况，右侧的数据表示不同颜色代表的应力等级，这样从定量和定性上真实的分析了炸药爆炸后动应力的演化过程和爆炸特性。
从图中看出炸药爆炸后，产生的应力以炸药为激发源，以应力波的形式向周围传播，这样形象的揭示了动载作用下，岩体中的应力变化规律及显现形式，又描述了炸药爆炸的特征。定性和定量的揭示了课程教学中的问题，授课及学生听课都比较容易。当然还要把这些图片通过Gif Movie Gear软件制作成动画图片，表现得更加形象。
4 结论
通过Ansys/Ls-Dyna数值模拟软件对井巷工程中的炸药爆炸科学理论的模拟，以及多媒体教学，取得了较好的效果，具体体现在以下几个方面：
（1）加深了学生对动载应力及炸药爆炸过程中应力的演化过程的理解，结合多媒体教学不但从宏观上定性解释了该现象，而且从微观角度定量分析了科学理论，加深了理解的深度，也便于授课讲解。
（2）提高了学生对专业课的兴趣，不但对本课程增加了兴趣，而且对相关的领域，比如数值模拟软件，提高了对科学知识追求的信心，并对后期深造起到了启发意义。
（3）数值模拟软件主要是在科研中运用，也是科研与教学结合的应用，同时也提高了教师教学中对不同学科知识学习，拓展视野，同时增强责任感。
【参考文献】
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数值仿真范文第7篇
关键词：全宇宙，最优探索方法，物质系统反设计，并行-云-系统仿真工程，有止境的科学探索
中图分类号：N3文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）01（a）-0000-00
1. 引言
人类自然科学探索研究的最终目标是占领控制全部宇宙多维空间，并完全自由地应用全部宇宙物质[1-4]。为此，人类祖先与人类一直在探索宇宙物质中的无穷无尽的未知现象、无数的未解之谜，等等。所谓科学研究，是基于当时的物质环境、生存与发展条件与科学技术基础，研究者采用全部可能的各种科技手段，来探索宇宙物质世界的全部未知的各种客观现象及规律，希望探索出新发现，并且该新发现能够经过各个学科在不同环境条件下的长期实践检验，以及广泛实际工程应用等，以确认新发现的正确性[2-3]。从人类科学技术研究发展史可以看到[5-14]，人类祖先对未知物质及特性的探索从零开始，不断发展，自近代以来，人类的科学技术研究有了突飞猛进的、爆炸式的发展，但新的“未来科学问题”不断呈现[10]。值得指出：人类的祖先（如原始人、猴子、.....、微生物、.....）一直在进行科学探索研究，否则，人类不可能可以不断地生存、发展壮大而进化成今天的人类。科学探索研究并非（但包括）只是在实验室中由科技工作者进行......。
值得注意：对全宇宙系统，人类最优的科学探索方法是什么？人类通过什么科学探索研究的技术方法，可以付出最小的代价并最尽快地实现人类自然探索的最终目标？
基于宇宙物质原始自然运行的统一数值算法与数值仿真过程[1]，考虑到在人类的潜意识中对宇宙物质的科学探索研究的最终目标，本文提出人类科学探索研究的最优科学探索技术方法是基于系统数值仿真而对全宇宙物质系统的反设计；同时文中分析了该全宇宙物质的系统反设计方法，结论是该系统反设计可以尽快实现人类科学探索研究的最终目标：占领、控制与自由地使用全部的多维宇宙空间与全部的各种物质；而人类传统的自然探索研究方法需要人类付出无比巨大的代价、付出太长太长的时间才有可能（但不一定可以）实现人类科学探索研究的最终目标。因此，本文提出的科学探索全宇宙的最优的方法，可以回避掉人类传统自然探索科学的严重缺陷。
2. 科学探索全宇宙系统的最优化方法问题的描述
在人类生存的多维空间与现有科技储备条件下，现代人类对全宇宙系统的科学探索，需要寻找最优的探索方法 ，使得科学探索研究的成果与代价比 达到最大：
（1）
式中， --- 科学探索研究的成果； ---科学探索研究的代价比，包括付出的探索研究时间，人类生存的多位空间的损失； --- 科学探索研究的方法； 依次是时间、3维几何空间，NS是指空间的维数（NS>4）。
同时，需要满足以下约束条件：即人类的多维生存空间
（2）
即人类必须有足够大的NS维生存空间，使人类不仅保持生存状态，而且可以不断进行相关的科学探索研究而发展壮大自己。
， 如果 （3）
式中， 是宇宙物质系统的根基底（即全宇宙物质构成及其运行过程与特性，该多维宇宙空间与物质的内部参数， ），是人类科学探索的最终目标； 是人类寻找宇宙物质系统的根基底过程中系统仿真（第k次迭代）产生的物质现象； 是（数字化的）人类积累的知识库； 是可以接受的系统仿真误差。
3. 全宇宙物质构成及运行过程与特性的数学模型
人类科学探索研究的对象是：完全彻底系统地、准确可靠地、高精度地掌握充满在全宇宙多维空间中的物质构成及其运行过程与特性，该多维宇宙空间与物质的内部参数， 。因此，需要可以对全宇宙物质进行系统数值仿真，关于系统数值仿真的数学模型，即宇宙物质的构成、物质运行的统一基理及其运行过程的普适性数值算法[1]，现介绍如下：
3.1 宇宙物质的构成与运行过程
宇宙空间S是一个NS维的空间，其大小为： ，其中， Ai（i=1，2， ， NS）是第i维空间的大小（A1为时间，A2， A3， A4为三维几何物理空间，…）。宇宙由一系列（共NMax种）物质基素（物质最底层的基本元素）及其转变成的物质组合体构成，这些各物质基素单元与（各层次级别的各类）物质组合体之间，以及各层次级别的各类物质组合体之间，是在NS维空间中作不停的运动，并且相互不停地（分解与组合）转变，该相互转变如图1所示，各层次级别的各类物质组合体的NS维运动过程如图2所示，多维运动过程中物质体的逻辑关系如图3所示，前面的众多种类的大量现象是后面一个现象的条件，后面的一个现象是前面众多个种类的大量现象共同协同对抗产生的结果。
宇宙物质的NS维对抗运行过程与形成的构成，遵循宇宙物质运行的统一基理，详细运行过程的结果可由宇宙物质运行过程的普适性数值算法作数值仿真获得。
3.2 宇宙物质运行过程的普适性数值算法
基于宇宙物质运行统一基理体系[2][3]，在一个NS维空间区域 中，宇宙物质运行统一的普适性数值算法 Universal为：
（4）
式中，宇宙物质普适性算法 Universal具有以下功能：输入宇宙空间维数与大小以及充满在其中的物质的基底参数，以及指定的一个宇宙子空间，等；经过 Universal的运行（即：全部宇宙物质的NS维对抗运行）。全部宇宙物质基素单元的NS维运动之后，输出在NS维全宇宙空间中，表现为无穷无尽（巨大数量）的、奥妙无穷的、无奇不有的、……现象。
宇宙物质运行统一的普适性数值算法 Universal的具体详细的数学描述，数值仿真的数学表达，全程计算步骤，数值仿真计算流程图，等等，参见文献[1]。
具体的输入如下：
（1） 宇宙空间的维数为NS维。
（2） 各维宇宙空间大小：A1为时间，A2， A3， A4为三维几何空间，…，第NS维空间，构成NS维空间S。
（3） 宇宙物质基素信息：①在NS维空间全区域中，存在NMax种类（系列）的宇宙物质基素单元，各类具有不同的特征功能与数量，如第k类物质基素存在Nk，Max个单元（k=1，2， …， NMax）；②在宇宙空间全区域中总共存在 种类基素，全部种类基素单元总数 ；③内部参数： 是物质基素单元 的内部参数；④约束条件：各种类物质基素单元的内部参数约束函数 ；⑤各种类物质基素单元的功能运动方程 ，第k类物质基素，k=1，2， …， BMax，第i个物质基素单元；⑥物质基素控制量 ；⑦基素单元的性能指标 为追求掌控最大的NS维空间（及充满在其中的全部物质）。
（4） 指定一个NS维子空间区域 。
具体的输出如下（在全宇宙 维空间中）：
（1） 全部物质体的总体信息：①全部物质组合体级别的总数 。②全部物质组合体级别各种类的总数 。③全部各级别种类物质组合体的总数 。
（2） 各种物质体（基素单元与物质组合体）的详细信息：①全部各种类物质基素单元的状态 ，全部各级别种类物质组合体的状态 [在NS维空间中的参数，如时间、三维空间、…，（包括相互之间的导数，即速度，等等）]。② 物质组合体运动方程。③（所导出的）该物质体的一序列的概念及概念性参数【如：约束条件（物质基素单元或组合体的状态变量约束函数 、控制对策约束函数 、性能指标约束函数 ），运动方程，子性能指标，…】。④各种物质基素的不同单元、与各层次各种类的不同物质组合体的性能指标P= ，如物质体所占据的NS维空间，如（人类在不同条件下可以观测到的）物质体形状随着NS维空间的变化，以及这形状在不同条件下观测到的结果不一样，等等。⑤各种物质基素单元与物质组合体的控制量 。⑥ 是物质相互作用特性方程， 是（在该物质系统所在的 维宇宙空间 区域内）各级别各种类物质组合体对周围物质（如对物质基素单元 ）的作用特性现象，如物质体的各种特性：各种作用力，如“万有”引力、磁场力、电作用力、等等；物质体的形状；…。⑦各物质体所在更高级别的一些物质组合体，以及该物质体的组成（由较低级别物质体，…，物质基素单元）。⑧各物质体在 维运动过程中的分解与重新组合。⑨不同级别层次、不同种类的众多物质组合体分别采用各自的对策 追求各自的性能指标 达最优。
（3） 针对一个指定的 维子空间区域 ，存在的物质体，可观察的现象信息：①总共存在 种类（系列）宇宙物质基素，各种基素分别存在 个单元；②在该子空间 中，所存在的物质组合体级别的总数 ，物质组合体级别各种类的总数 ，各级别种类物质组合体的总数 ，各种类物质基素单元的状态 ，各级别种类物质组合体的状态 ，等等。
4. 人类科学探索全宇宙物质系统的最优方法是：基于超大系统-云-并行数字仿真的系统反设计
科学探索研究的方法 起源于人类祖先发源的地球及其附近的多维空间，“优化计算”到现在， 的选取是非常规的、“非科学的无稽之谈”，主要技术方法是超大系统数值仿真，最后获得宇宙物质最底层的基素时，再进行实物物理实验作验证，宇宙物质反设计的流程如图4所示。
人类探索到宇宙物质的最底层的基素及其各种特性，可以直接接近基素单元法：宇宙物质基底的系统反设计数值仿真方案，宇宙物质的系统反设计数值仿真优化计算方法与步骤是：
第0步：整理人类长期探索宇宙物质所积累的巨大的、全部各种类学科领域中所知的全部现象、概念、原理等知识库 ，将该巨大知识库 全面系统地整理成数字化表达；
第1步：猜想而设立宇宙物质基素单元及其内部特性参数、运动方程等的初始方案 ，（k=0）；
第2步：采用 与宇宙物质的数学模型，进行超大系统-云-并行数值仿真，生成不同层次、不同种类、数量巨大的物质及其运动现象，该仿真结果 以数字化形式表达；
第3步：将仿真结果 与巨大知识库 进行比较，并计算比较误差，如果比较误差很大（不可接受），则进入以下第4步，否则（即仿真计算误差可以接受）进入以下第5步，这里指出，采用系统数值仿真方法进行宇宙物质系统的反设计仿真，如图3中从宇宙物质基底人类可以理解的现象的过程中，反设计仿真不考虑中间仿真结果（即物质结构及其运行的现象等）是否正确，而只考虑人类已经积累的膨大的知识库（即与该知识库作与比较，如图4所示）；
第4步：基于系统仿真结果误差，迭代修改物质基素单元及其运动方程的方案 ，再转入第2步；
第5步：已经获得最优的宇宙物质的系统反设计数值仿真结果 ，进行物理实验，作最终的验证。
基于本文提出的宇宙物质基素、宇宙物质运行的统一基理与物质自然运行的普适性数值算法，以及人类长期探索宇宙物质所积累的巨大的学科原理等知识库（这些即是宇宙物质的系统数值仿真反设计的条件），采用图4所示的宇宙物质反设计方法，经过超大规模系统并行-云-仿真计算，直接探索发现宇宙物质的最底层的基素及其内部特性参数、运动方程等。最后进行物理实验，验证在反设计过程中生成的且人类无法想象猜测的物质现象：物质的组成结构、在宇宙的分布、各种物质形式、层次种类、各种类物质运动现象及其规律，等等，进行最终的验证。
5. 超大系统数字仿真进行全宇宙物质系统反设计的优点
宇宙物质的反设计的系统并行-云仿真研究方案与人类传统的传统自然探索科学方法相比，人类传统的自然探索科学方法不是探索全宇宙系统基底的最优科学探索方法[1-4]，而采用超大系统数字仿真避免了历时上亿年的人类传统自然探索科学方法的缺陷，是现在最优的方案，体现在：
5.1 全局大范围进行宇宙物质的寻根探索，所付出的成本代价很小，探索研究的速度很快
宇宙物质系统基底探索所需付出的代价很小，主要需要数以千计万计的计算机进行超大系统-云-并行数字仿真，以及各个专业的研发人员等将人类积累的知识库数值化；如果采用传统科学探索方法，只是从人类自身生存环境出发，“摸着石头过河”，想尽一切办法“获得一个历史性惊人重大突破的新发现，再更深入探索多步”地靠近宇宙物质系统基底，所付出的成本代价太大太大……太大。
显然，“一步一批物理实验室”将付出巨大巨大的代价，付出太长太长的时间，即 太大；而采用全宇宙物质系统的全局最高精度数值仿真反设计，需要成千上万台计算机与各个专业的研发者，这些成本代价是很微小，系统数值仿真几年就可能出一些结果，探索研究的速度是“快的离谱”，即 。避免了“人类沿着传统科学研究路径进行下去，人类可能不能满足约束条件（2）式”。
另外，由宇宙物质系统仿真产生的因果关系逻辑图（如文献[1]中图3）可知，采用物质反设计系统数值仿真方法可以“胡思乱想地”、“答非所问地”、……“不符合逻辑地”、“偷换概念地”假设宇宙物质的最底层根基 ，存在一定的可能性探索到全宇宙物质基底。
5.2 全局大范围进行宇宙物质的寻根探索，效率极高，探索不是无止境的，可行性很强：人类已经到了结束宇宙无穷无尽探索的冲刺阶段
传统自然探索科学寻找宇宙物质基底过程中，付出无比巨大的多维代价，经过“无穷无尽的”探索，取得了大量的“历史性、惊人的重大新发现”等时，才探索向前走了一小步，并且大量的“一小步”在全局中都可能是无效的。与人类传统自然探索科学方法相比，宇宙物质的反设计系统仿真过程中将出现“无穷无尽的”、“无奇不有的”、“不符合科学原理的”、“不合逻辑的”、“不可思议不可想象的”、……、“可以想象的”、“符合科学原理的”现象，因此，这个超大规模系统-云-并行数字仿真是效率极高的，探索不是无止境的；同时实现该宇宙物质的反设计，所需的人力、物力等并不多，是可行性很强的，因此，全局大范围进行宇宙物质的寻根探索，宇宙物质的反设计系统仿真研究方案是一个可行的方案。
因此，基于超大规模系统-云-并行数字仿真的宇宙物质反设计系统仿真研究方法，是全局大范围进行宇宙物质的寻根探索的全局最优的方法 ，将获得最优效果 ，并能够容易满足约束条件（2）与（3）式。
总之，基于现代人类计算机技术，人类积累的知识库以及宇宙物质的反设计方法，人类现在已经到了寻找到宇宙物质基底的时候了，即人类已经到了结束宇宙无穷无尽探索的冲刺阶段。
6. 采用超大系统数字仿真进行科学探索全宇宙系统时存在的问题
6.1 可能还需要更多的宇宙物质的反设计的标本，有可能得出的一些结果，现代科学不能解释
在宇宙物质的反设计系统仿真过程中将出现“无穷无尽的”、“无奇不有的”、……、“符合科学原理的”现象 ，在这些无数的多维现象中，如果可以寻找到一群现象与人类积累的知识库 完全重合，这就可能是反设计的系统仿真成功（即满足约束条件（3）式）；如果可以寻找到一群现象 与人类积累的知识库 基本重合，即一些是完全重合，另一些是现代科学不能解释，这可能是反设计的系统仿真成功吗？是否一定要等待现代科学探索到这些不能解释现象与规律，才能说明反设计的系统仿真成功了，而现代科学探索到这些现象与规律，是要付出太长的时间与太大的代价 等。
6.2 宇宙物质的反设计是超大系统-云-并行数字仿真，数字仿真量太大-太大-…-太大
宇宙物质的反设计是超大系统-云-并行数字仿真，一个系统仿真反设计组就需要成千上万台计算机来进行，即使是很多系统仿真反设计组同时来进行宇宙物质系统的反设计，也不一定会很快反设计成功，数字仿真量太大-太大-…-太大，但在这个宇宙物质的反设计的超大系统-云-并行数字仿真过程中，探索是有止境的，有待我们去尝试。
7. 结论
基于人类科学研究的历史与现状，以及宇宙物质结构组成及其运行的统一基理，基于超大规模系统-云-并行数字仿真，本文给出了全宇宙物质系统反设计的数值仿真算法（包括仿真步骤以及流程图），通过与人类自然探索科学发展历史与现状的比较分析，认为该基于并行-云-数字系统仿真的全宇宙物质系统反设计数值仿真算法是科学探索全宇宙物质系统基底的最优方法，是全宇宙中第一优工程。
该基于超大规模系统-云-并行数字仿真而进行全宇宙物质系统基底反设计，其优越性主要体现在：①探索速度很快，超大规模系统-云-并行数字仿真几年内就可以获得一些不太正确的（临时迭代）宇宙物质系统基底仿真结果，以供系统仿真反设计迭代；②宇宙物质系统基底的探索效率很高，科学探索不是无止境的，虽然反设计迭代过程中的临时迭代结果不对，但人类无法想象与猜测的、现代最先进设备无法观测的物质也可能被仿真出来，避免了人类上亿年形成的人类特色自然探索方法的缺陷；③宇宙物质系统基底探索所需付出的代价很小，主要需要数以千计万计的计算机，以及各个专业的研发人员等，明显优越于人类传统自然科学探索方法，即可以想象到的就可不择手段地探索，并且“一步一批实验室”，因而，全宇宙物质反设计是探索全宇宙系统基底的最优科学探索方法。
因此，未来人类科学探索研究的发展方向，是进行宇宙物质基底系统反设计的云-并行数字仿真。建议人类未来的科学探索研究的技术与方法是：基于我们人类长期科学研究取得并积累的巨大而临时有效的因果关系知识库，以及宇宙物质构造组成及其原始物质运行的普适性数值算法，进行宇宙物质基底的系统反设计，寻找到宇宙物质的最根基要素，即实现人类科学探索研究的最终目标：占领、控制与自由地使用全部的多维宇宙空间与全部各种物质；不需要任何科学探索，不需要任何科技创新。
人类已经到了结束在宇宙中进行无穷无尽探索的冲刺阶段，该宇宙探索的冲刺阶段是全宇宙物质系统反设计，这是人类针对全宇宙的第一优工程。
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数值仿真范文第8篇
关键词：Multisim；仿真实验；电路设计
中图分类号：TN702 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 06-0091-01
滤波器的发展经历了无源滤波器和有源滤波器两个阶段。无源滤波器是由三个无源元件R、L、C所组成，为了能够不断的提高无源滤波器的性能，研究人员删除了滤波器中的电感元件，用电阻R、电容C以及晶体管三部分所共同构成的有源网络来代替，这种包含有有源网络的滤波器就被称为有源滤波器。
预处理电路中经常需要运用到模拟滤波器，之所以要使用滤波器，就是想把制定频率信号之外的所有信号进行一定的抑制、消除或者衰减。虽然说数字滤波器的性能经过多年来的发展，有了很大的提高，但是模拟滤波器所具有的的独特性能是数字滤波器所不能替代的。譬如说，使用数字滤波器进行信号处理时，均需要先进行微弱信号预处理，同时还要对信号的最高频率进行限制，这些操作就目前而言只有模拟滤波器能够完成。下面就简单介绍一下如何使用Multisim来仿真带通滤波器。
一、巴特沃兹滤波器
该滤波器的主要特点有：通带内包含有最大平坦段，同时信号在过渡段衰减时，衰减速度较为缓慢，通带中的相频特性（尤其是低频时）几乎可以线性表示。
设定阶数为8的带通滤波器，按照级联形式将8阶低通以及8阶高通滤波器组成次带通滤波器。在Multisim软件中输入设定的电路形式进行仿真，其中输入频率为19kHz，幅度为90微伏，截止频率为2dB。实验设计的数据采集板示意图，如图1所示。经分析可以知道，当理论增益的数值达到30分贝时，实际实验测量得到的数值要比理论计算出的数值稍小一些；电路中的电阻R，电容C的测量得到数值要比理论计算出的数值存在一定的差异，而且滤波器的各个测量获得参数与理论设计的也有一些差异；因为实验过程中所有的数值均是由人工来记录，这就会造成实验过程中误差的出现；电路中信号的微小变化，会造成电路微小噪声的出现，一定程度上影响测量结果的准确性。但经过比对可以发现，总体上测量结果与理论分析的结果大致相同，各种误差的出现并未太严重的影响实验准确性，所以使用Multisim软件进行仿真，与实际电路还是比较吻合的。
参考文献：