Имитационное моделирование систем: что это такое и где используется

Проектирование любого объекта – это многоступенчатый процесс, который требует анализа данных, их систематизации, конструирования и проверки результатов. В зависимости от объема предстоящих работ, трудности его воплощения в жизнь, используется либо реальные испытания, либо имитация. Это упрощает процесс, делает его менее дорогостоящим, а также позволяет вносить коррективы, доработки уже на моменте эксперимента.

В статье мы расскажем про имитационное математическое моделирование систем – что это такое, какие модели получаются, где они находят свое применение.

Особенности технологии

Любая работа с моделями состоит из двух основных этапов:

• разработка и создание образца;
• его аналитический анализ.

Затем уже вносятся коррективы, или утверждается данный план. При необходимости можно повторить процедуру несколько раз, чтобы добиться безупречного построения.

Таким образом, этот способ можно назвать наглядным познанием реальности в миниатюре. Есть объекты, которые дорого и трудоемко воплотить в реальность в натуральном размере без точной уверенности в эффективности всех конструктивных элементов, например, космические корабли или все использование имитационного моделирования в области аэродинамики методом фотоупругости.

Создание идентичной модели с повторением особенностей всей системы помогает добиться не только отражения внутренних закономерностей, но и внешних действующих сил, например, воздушных потоков или сопротивления воды.

Конструирование копий объектов началось с появлением первых компьютеров и сначала имело схематический характер, с развитием технологий прем получил все большее развитие и начал применяться даже на небольших производствах из-за своей наглядности.

Где, в каких случаях используется и для чего применяется метод имитационного моделирования

Есть несколько рекомендаций для случаев, когда актуально использование ИМ:

• стоимость объекта намного выше, чем затраты на разработку модели;
• деятельность продукции проходит с большой переменчивостью, есть необходимость просчитать все возможные сбои;
• в конструкции находится большое количество мелких деталей;
• важно увидеть наглядный образец с акцентом на внешний вид;
• эксплуатация происходит в трудных для изучения средах – в воздухе или воде.

Применение обусловлено тем, что появляется возможность:

• просчитать реальные значения и коэффициенты деятельности инженеров;
• увидеть недостатки, исключить их, внести коррективы;
• посмотреть работу объекта в реальном времени;
• сделать наглядную демонстрацию.

Метод имитационного моделирования используется для:

• Проектирования реальных бизнес-процессов.

• Имитации боевых действий – действуют макеты реальных боеприпасов, снарядов, военной техники и мишеней. Так анализируют дальность выстрела, его разрушительные способности и радиус затронутой территории, проверяют оружие перед запуском в производство.
• Анализа динамики населения.
• Создания проекта инфраструктуры города, района.
• Аутентичного изображения исторической реальности.
• Логистики.
• Проектирования перемещений пешеходов и автомобилей на проезжей части.
• Производственного процесса – в виде экспериментального метода.
• Аналитики рынка и конкурирующих фирм.
• Ремонта автомобилей.
• Управления предприятием.
• Воссоздания экосистемы с животным и растительным миром.
• Медицинских и научных опытов.

Мы будем рассматривать особенности имитационного моделирования на примере производственных работ и проектирования. Но разновидность систем показывает необходимость применять способ в разных сферах деятельности. Так исследуются характеристики конкретных областей – какие изменения могут произойти, как их контролировать и что предпринять, чтобы предотвратить возможные негативные последствия.

Все возможности создания модели реализуются с помощью компьютера, но различают две основных разновидности процесса:

• Математический – он помогает разработать схему физических явлений с заданными параметрами.
• Имитации – их основная задача – показать изменчивость поведения, поэтому исходные данные можно варьировать.

И математическое, и компьютерное имитационное моделирование основано на программах для автоматизированного проектирования, поэтому нужно ответственно подходить к выбору программного обеспечения. Компания ZWSOFT предлагает свои продукты по невысокой цене. ZWCAD – является аналогом ACAD, но при этом становится со временем популярнее старого софта. Это обусловлено:

• облегченной системой лицензирования;
• приемлемой ценовой политикой;
• переводом на русский язык и адаптацией под пользователей многих стран;
• широким выбором надстроек и модулей, которые созданы для узких специальностей и расширяют базовый функционал ZWCAD.

Виды имитационного моделирования

• Агентное. Оно чаще используется для анализа сложных систем, где изменения не обуславливаются действием определенных законов, поэтому не подвергаются прогнозированию. Переменчивость зависит от агентов – нефиксированных элементов. Часто такая разновидность находит применение в таких науках, как социология, биология, экология.
• Дискретно-событийное. Такой способ используется для вычленения из общей последовательности событий конкретных интересующих действий. Часто применяется для управления производственным циклом, когда важно отметить только результат определенных участков деятельности.
• Системная динамика. Это основной способ для вычисления причинно-следственных связей и взаимовлияния. Именно он используется при производственных процессах и конструировании моделей будущего товара, чтобы проанализировать его характеристики в реальной жизни.

Основы аэродинамического и гидродинамического имитационного моделирования

Самыми трудоемкими для разработки являются объекты, которые изготовлены для эксплуатации в условиях повышенного давления, сопротивления или труднодосягаемы. К ним обязательно подходят с точки зрения ИМ, создают математические схемы, меняют исходные данные и проверяют влияние различных факторов, совершенствуют модель. При необходимости создается трехмерный макет, который погружается в имитацию реальной среды. К таким объектам относят:

• Конструкции, которые погружаются под воду или находятся частично в жидкости, там самым испытывая на себе давление потоков. К примеру, для макетирования подводной лодки необходимо просчитать все силы, которые будут влиять на корпус, а затем анализировать, как ни изменятся при увеличении скорости движения и глубины погружения.
• Предметы, созданные для полета в воздухе или даже для выхода из атмосферы Земли. Искусственные спутники, космические корабли до запуска проходят множественные проверки, причем инженеры не довольствуются только компьютерной визуализацией, а делают макет вживую по заданным на компьютере данным.

В основе ИМ аэродинамики часто лежит метод фотоупругости – определение воздействий на вещество определенных сил за счет двойного преломления лучей в материалах оптической природы. Так можно определить степень напряжения и деформации стенок. Этим же методом можно определить не только статичное воздействие, но и динамичное, то есть последствия взрывов, ударной волны.

Гидродинамическая модель задается несколькими параметрами вручную, учитываются все геологические, биологические, химические и физические свойства среды и объекта. На основе этих данных создается объемная модель. Задаются начальные и максимальные границы воздействия на конструкцию. Далее происходит адаптация к условиям нахождения предмета и последующий вывод конечных данных.

Активно применяют этот метод в горнодобывающей промышленности и при бурении скважин. Здесь учитываются сведения о земле,воздушных и водных ключах, возможных неблагоприятных для работ слоях.

Разработка модели

Воссоздаваемая проекция – это упрощенный вариант реального объекта с сохранением характеристик, особенностей, свойств, а также с причинно-следственными связями. Именно реакция на воздействия обычно становится самым важным элементом изучения. Понятие «имитационное моделирование» предполагает три этапа работа с моделью:

1. Ее конструирование после тщательного анализа натуральной системы, перенос всех характеристик в математические формулы, построение графического образа, его объемный вариант.
2. Эксперимент и фиксирование изменений качеств макета, выведение закономерностей.
3. Проецирование полученных сведений на реальный объект, внесение коррективов.

Далее этот цикл можно повторять столько раз, сколько это будет необходимо. Так образ является изменчивым в зависимости от введенных исходных данных.

Программное обеспечение для имитационного моделирования систем

При выборе программы для реализации проекта необходимо выбирать софт с поддержкой трехмерного пространства. Также важна возможность 3D-визуализации с последующей объемной печатью.

Компания «ЗВСОФТ» предлагает свою продукцию.

Базовый САПР, ZWCAD 2018 Professional, является аналогом популярного ПО – AutoCAD. Но многие инженеры переходят на «ЗВКАД» из-за облегченной системы лицензирования, более низкой цены и удобного, русскоязычного интерфейса. При этом новая разработка совсем не уступает по функционалу:

• поддерживается работа как в двухмерном, так и в трехмерном пространстве;
• интеграция с практически любыми текстовыми и графическими файлами;
• удобство и большая функциональная панель инструментов.

При этом на ZWCAD можно установить множество надстроек, направленных на решение тех или иных задач.

Form•Z Pro – программа для создания и работы со сложными 3D объектами. Ее преимущества:

• Удобный, доступный для пользователя с любым уровнем навыков интерфейс и автоматизированный процесс выбора элементов.
• Легкое структурирование объектов на базе сетки, которую можно менять (их можно сжимать, растягивать, увеличивать или уменьшать высоту, клонировать, проецировать, делать впадины и выпуклости и многое другое).
• Элементы из кривых и поверхностей NURBZ, их модификация профессиональными инструментами редактирования.
• Создание объемных фигур на основе производных базовых и сложных объектов.
• Моделирование поведения предметов, описанное в виде математических функций.
• Трансформация одних форм в другие с выделением отдельных переходных элементов.
• С плагинами RenderZone и V-Ray становится возможной детальная прорисовка всех деталей и фактур.
• Анимация позволяет задать движение объектов как независимое, так и в зависимости одних от других.
• 3D печать моделей.
• Экспорт в системы инженерного анализа.

Еще одна разработка – это программа ZW3D. Универсальная CAD-система в трех версиях – облегченная, стандартная и профессиональная. Возможности:

• Создание трехмерного объекта любой сложности.
• Гибридное моделирование.
• Использование математических формул и функций при построении фигур.
• Реверсивный инжиниринг, или обратная разработка продукции для внесения коррективов.
• Моделирование движения с помощью анимации.
• Работа с моделью, как с твердотельным, полым или каркасным образом.
• Получение образцов на 3D принтере.
• Использование переменных и математической среды для имитации поведения.

В статье мы рассказали, что относится к методам имитационного моделирования и что является его целью. За новыми технологиями будущее науки и производства.