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.
![основы имитационного моделирования](https://sapr-soft.ru/sites/default/files/inline-images/%D0%98%D0%BC%D0%BC%D1%82%D0%B0%D1%8B-%D1%81%D1%85%D0%B5%D0%BC.jpg)
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.
![использование имитационного моделирования](https://sapr-soft.ru/sites/default/files/inline-images/sokr-pers_ris1.gif)
- 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.
![имитационные модели систем](https://sapr-soft.ru/sites/default/files/inline-images/35366-12_1.jpg)
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.
![модели имитационного моделирования](https://sapr-soft.ru/sites/default/files/inline-images/m605a81c4.gif)
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.
![что является целью имитационного моделирования](https://sapr-soft.ru/sites/default/files/inline-images/wind_tunnel.jpg)
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.
![что относится к методам имитационного моделирования](https://sapr-soft.ru/sites/default/files/inline-images/aerodynamics-1.jpg)
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:
- Ее конструирование после тщательного анализа натуральной системы, перенос всех характеристик в математические формулы, построение графического образа, его объемный вариант.
- Эксперимент и фиксирование изменений качеств макета, выведение закономерностей.
- 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.
![в каких случаях используется имитационное моделирование](https://sapr-soft.ru/sites/default/files/inline-images/ql3OiaS.jpg)
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.