基于LightTools的大倾角红外滤光条的光路仿真与实现

针对行业内日益普及的红外触控式智慧黑板在粉笔书写时易产生积粉的行业难题,提出一种45°倾角的红外发射端滤光条设计,通过理论计算以及LightTools模拟仿真,确定了设计的理论可行性。最后通过实际设计开发并装配测试,测试结果显示,相比行业内传统的15°、20°滤光条倾角设计方案,45°倾角设计方案不仅可以有效保障触摸信号强度,同时粉笔书写后的积粉率降低25%以上,大幅降低了积粉对触摸信号的影响,保证了系统可靠性,并提高课堂效率。

基于LightTools的大口径积分球辐射特性仿真

为了研制辐射特性相对理想的大口径积分球,采用LightTools仿真分析了5种光源位置和3种照明模式,共15种直径为3 m积分球模型的辐照度面均匀性和朗伯特性。相比依靠经验设计积分球,计算机仿真研究具有周期短、成本低、重复性高等优点。仿真结果表明:照明模式和光源位置对积分球开口处辐照度面均匀性影响很小;而对开口处朗伯特性产生较大影响。首先,光源方向上的朗伯特性最差,其次,对称式照明模式则会改善朗伯特性,另外,随着光源与积分球前后半球交汇面的距离不断增加,积分球的朗伯特性逐步变优。最后,测试了直径为3 m积分球在不同照明模式下的辐照度面均匀性、光源方向和垂直方向的朗伯特性,实测辐射特性与仿真结果相吻合。

基于V-REP自动垂直泊车的教学仿真实验

泊车对驾驶员的操作技能有很高的要求,自动泊车系统的出现能够很好地解决这一问题,帮助驾驶员安全精准地完成泊车操作。该文对典型的自动垂直泊车进行仿真研究,针对标准和狭窄停车通道的垂直泊车,研究了C字型与人字型的泊车规划路径算法。基于机器人仿真平台(virtual robot experimentation platform,V-REP)搭建了典型的泊车仿真场景,利用用户数据协议(user datagram protocol,UDP)构建V-REP与MATLAB之间的通信,开展了V-REP与MATLAB的联合仿真实验,充分展示了自动垂直泊车的泊车过程,总结了垂直泊车的路径特点,对自动垂直泊车进行了可视化演示。此外,基于该平台为学生提供了虚拟仿真实验环境,激发了学生对无人驾驶的学习兴趣和勇于探索的精神,提高了学生的操作能力与创新思维能力,获得了良好的教学效果。

结构化网格快速生成工具的开发及其在冶金模拟仿真中的应用

结构化网格在模拟计算高精度、复杂问题时具有更高的计算准确度和更好的收敛性,但其划分难度大且耗时较长,如何快速生成高质量结构化网格是进行CFD(Computational fluid dynamics)等模拟计算领域的前沿问题.根据冶金容器的几何结构特征,引入了参数一体化建模+网格划分的理念,利用Python脚本快速批处理数据和开源CFD软件OpenFOAM的优势,成功开发了适用于冶金反应器的网格快速生成工具.以钢包–中间包–结晶器及其附属连接装置为例,进行了案例分析测试.结果表明,该工具软件生成的结构化网格在扭曲度和正交性等方面质量较高,可以满足各类模拟仿真的需求.该工具在解决冶金容器几何结构更新和网格分布调整方面相比于传统前处理方法可以在几十秒内快速生成高质量结构化网格.此外,开发了便于用户使用的图形用户界面,界面中仅需输入关键的几何结构和网格参数,即可对冶金容器快速便捷地生成相应的结构化网格,有效提升了前处理的简易度和效率.这一工具软件有望应用于冶金数字化和智能化转型发展的多种场景,并为其提供有效的软件支撑.

生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心的建设与应用

生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心通过优秀科研项目转化以及与高新技术企业合作开发,建设了一批高质量的生物类虚拟仿真实验教学资源。多层次、多元化的资源为学生前沿科学知识学习、综合性科研训练和生物下游产业技术训练提供有利环境,有效地实现教学模式的转变以及学科交叉知识的学习和延伸。全天候开放共享虚拟仿真实验教学平台,实现虚拟仿真实验教学软件、实验标准化视频、教学课件和测试题库等线上教学资源的有机整合,满足随时随地实验教学需求,支持了一系列的混合式线上线下实验教学课程开展。生物科学与技术虚拟仿真实验教学中心与国家级生物科学实验教学示范中心形成了“双中心”融合发展的创新人才培养实验教学体系,“虚实结合”的实验教学模式,提升了学生的综合科研能力与教师的业务水平,培养了满足社会需求的生物技术创新实践人才。

基于DEM-MBD耦合的液压挖掘机动力学仿真分析

在实际工况下,液压挖掘机工作装置受到的载荷较大且具有强时变性,因此工作装置各组成杆件及液压缸较易出现各种形式的失效。针对以上问题,选取某型号液压挖掘机作为研究对象,根据液压挖掘机工作装置实际挖掘物料工况,利用多体动力学软件ADAMS建立液压挖掘机虚拟样机模型并利用离散元软件EDEM建立物料模型。通过DEM-MBD耦合仿真分析方法,对液压挖掘机工作装置进行动力学仿真分析,主要获取挖掘物料过程中铲斗受力变化曲线、不同时刻铲斗受力云图,通过对其分析,能够获取铲斗在挖掘作业过程中受力变化情况,为铲斗的有限元分析、优化设计提供理论依据。

新工科背景下化工虚拟仿真实训中心建设

在新工科背景下虚拟仿真技术融合到化工实践教学中可以有效解决实践教学困难,淮北师范大学化工专业通过强化师资队伍、更新教学理念和探索过程性考核等举措不断深化虚拟仿真中心建设。虚拟仿真的引入有助于提高本科生的创新精神、工程能力和安全意识,满足化工行业需求的创新型技术人才,为提高本科教学质量提供有力保障。

钨矿碱分解工艺制备仲钨酸铵全流程仿真计算

以钨矿碱分解工艺制备仲钨酸铵全流程为对象,基于质量守恒、化学平衡、元素分配约束和指标约束等原理,构建钨矿配矿、磨矿、碱分解、脱磷、离子交换、除钼和蒸发结晶的热力学模型,进而根据各工序物料的迁移传递关系,应用MetCal软件平台,开发钨矿碱分解工艺制备仲钨酸铵全流程仿真计算系统,并采用典型工况下的实际值对模型计算的可靠性进行实例验证。研究结果表明:碱分解浓料中WO_(3)和P质量分数计算值与实际值的相对误差分别为-5.755%和-12.195%,钨渣中WO3、P、Fe、Mn和Ca质量分数的相对误差分别为-2.026%、-5.439%、-14.819%、-14.971%和11.826%;脱磷后液中WO3和P质量分数的相对误差分别为5.513%和-7.692%,脱磷渣中WO_(3)、P和Ca质量分数的相对误差分别为-5.834%、3.337%和7.113%;除钼后液中WO3和Mo质量分数的相对误差分别为-1.627%和-9.375%,除钼渣中WO_(3)、Mo、S和Cu质量分数的相对误差分别为2.547%、-8.827%、8.686%和9.692%。

人工影响天气虚拟仿真实验及课程体系建设

在“人工影响天气”的相关课程教学中,构建虚拟仿真实验教学平台有助于学生深入理解基础理论知识,并对实际业务操作及催化方案设计、优化产生感性认识。虚拟仿真实验教学突破了室内教学时空及仪器设备昂贵的局限性,解决了自然界中不能对同一块云反复催化的实际困难,对云降水环境及人工催化过程高度重现,对理论教学体系及教学形式进行补充,完善了课程教学体系。此外,科技成果在教学和本科生科研创新活动的引入,进一步增强学生科技创新意识及学习兴趣,促进了科研创新型人才的培养。

数字孪生虚拟仿真平台在土力学实践教学中的应用初探

实践教学是土力学教学中必不可少的环节,高校现有条件和外部环境难以满足日趋多元化的实践需求。利用虚拟仿真与物理模型相结合、线上教学与现场教学相结合、理论学习与工程实践相结合的教学方法,开发构建数字孪生虚拟仿真实验平台,并对土力学实践教学模式进行了有益的探索。以矿区地表变形监测为例,直观展现地表变形、仪器布设、变形监测及数据处理全过程。研究成果表明,数字孪生虚拟仿真平台有助于培养学生创新精神及实践能力,符合现代岩土工程实验技术的发展方向。

近十年我国高校虚拟仿真实验教学研究发展述评

自从2013年教育部开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作以来,近十年我国高校在虚拟仿真实验领域产生了大量的研究新进展与应用新成效。采用CiteSpace软件分析CNKI数据库中2014~2023年的高校虚拟仿真实验或虚拟现实实验文献集合,挖掘了该领域研究的核心单位、作者与发文期刊;分析了高被引文献的特征。同时,基于关键词共现关系聚类,阐释了虚拟仿真实验研究的主要类别、发展历程和前沿领域,进而探讨了虚拟仿真实验教学的技术层次、覆盖学科、开发软硬件和发展趋势。研究得出,标准化、网络化共享平台和混合现实技术,是推动虚拟仿真实验新发展的重要技术途径。

无人空战指控建模仿真方法研究

针对当前无人空战仿真中,缺乏支持全流程作战指挥控制建模与仿真这一问题,结合当前无人空战仿真系统相关研究,系统梳理和研究指控模型构建方法,通过探索不同仿真层级不同类型的无人机指挥控制建模原理和方法,设计并且构建了一套适合指挥信息系统装备特点的指控模型仿真系统。通过进行符合预设约束的想定设定,对目标作战任务进行了效能评估和对比,可为无人空战相关指挥信息系统装备的论证、评估方式提供理论和现实指导。

电厂锅炉实验虚拟仿真系统建设与应用

为开展能动专业核心课程“锅炉原理”的实验教学,校企合作开发了电厂锅炉实验虚拟仿真系统。基于两相流动与辐射对流传热原理构建的仿真系统,由风烟和汽水两大模型构成,严格遵守质量、能量、动量守恒方程。变负荷虚拟实验显示,随锅炉负荷增加,热效率降低、燃料耗量增加。根据辐射传热原理,结合火焰平均温度计算发现:只有炉膛出口烟温增加,才能保证炉膛传热负荷增加,继而抬升排烟温度,导致排烟热损失变大、锅炉热效率降低。锅炉原理实验虚拟仿真,可训练学生运用锅炉本体热力计算原理分析问题的思维,是落实创新能力培养的重要举措。

银纳米线透明导电薄膜仿真研究现状

银纳米线薄膜作为新型柔性透明导电薄膜,具有导电性能好、透光率高、成本低和柔性良好等优点。本文从电学、力学和光学三个方面介绍了银纳米线薄膜的仿真原理、仿真工具及发展现状。目前,银纳米线薄膜的电学性能仿真已研究得比较完善,能够从微观到宏观尺度建立精确的模型,常用的节点主导假设(JDA)模型、多节点表示(MNR)模型能够较好地模拟、预测银纳米线薄膜的方阻。银纳米线薄膜力学仿真尚未能建立起完美的宏观模型,只能通过分子动力学方法等对单根或多根银纳米线之间的力学性能进行仿真模拟。银纳米线薄膜的光学性能的仿真主要依靠时域有限差分方法来模拟光与材料的相互作用,依靠该方法能够模拟少量银纳米线的光学性能,并且目前已有建立大型复杂银纳米线薄膜光学模型的尝试。此外,多物理场耦合且能够反映整个银纳米线薄膜的光-电-热-力综合性能的仿真模型仍未建立,未来研究者们还需于此继续深耕。

基于系统动力学的我国社会重大风险仿真研究

基于系统动力学模型,构建社会重大风险系统因果关系图和流图,运用综合指数法对社会重大风险进行预警分析,并对子系统引起的社会重大风险进行仿真预测以监测我国社会重大风险。结果表明:宏观经济、生态环境及社会治理三个子系统监测预警综合值变化较小,趋势比较平稳,社会重大风险监测预警综合指数整体上呈现出小幅上升的趋势。因此,为防范化解我国的社会重大风险,政府应通过提升常规风险与突发事件应急管理机制精确度,加强社会重大风险的制度化控制,打好防范化解社会重大风险的基础。

大功率拖拉机驾驶室振动仿真与试验验证

针对路面不平度引起的拖拉机振动及驾驶员驾驶疲劳等问题,以大功率拖拉机为研究对象,基于车辆动力学理论建立六自由度人-椅-路面拖拉机振动模型,仿真拖拉机动态工况下人椅系统的振动传递过程。为验证模型的准确性,在田间及沥青道路上进行实车试验,测量动态工况下拖拉机座椅及人体头部、腰部、腿部的振动加速度,并与模型仿真结果进行对比;通过加速度响应的时域和频域分析,把加权加速度均方根值作为评价指标,对驾驶员的振动舒适性进行评价分析。结果表明:建立的人椅系统模型与振动试验的结果有很高的一致性,模型具有良好的预测效果,且驾驶员测量部位因振动产生的不舒适感由低到高为头部、腿部、腰部,为拖拉机减振及座椅设计提供了参考。

基于数字孪生的拖拉机混流装配智能排产仿真评价

车间排产对提高车间的效率至关重要,智能排产可以极大提高加工的自动化和智能化水平。但传统生产过程中大多采用固定的工时数据进行产线作业时间估算,而拖拉机混流装配以工人作业为主,工人作业时间不固定甚至存在较大差异。为满足智能排产要求,提出通过数字孪生车间对生产计划进行仿真评价以增强与实际车间的交互与反馈。搭建与现场拖拉机装配线一致的数字孪生三维模型场景及人机交互界面,根据MES系统中的过点信息实现装配线模型实时驱动,建立了一个拓展性强、可灵活复用的数字孪生系统。分析了生产计划评价指标,提出通过生产计划管理系统与孪生装配线的交互反馈,实现对基于数字孪生装配线的生产计划仿真运行及评价。通过数字孪生装配线采集到的实际工时仿真运行生产计划,可以得到优化后的生产计划。将低产、正常和高产月份各5 d内的实际生产计划与本系统生成的计划进行对比,结果表明本系统仿真评价后得到的生产计划更优越。

虚拟仿真技术在周口店野外实践教学中的探索和实践

野外实践是地学特色化基础教学环节。野外三维地质体实践教学是理论联系实际的重要桥梁,是学以致用的先决条件。受制于时空范围约束,如何将不同尺度地质体简化成地质专业图件是科学研究的一项基本技能。但受到技术(自然)条件限制,一目不可及和肉眼不可见的区域不能集中呈现的问题是一大教学难点,理论和实际联系困难,由此导致地质观和地质思维的形成周期动辄数载。自从虚拟仿真技术应用于教学以来,突破了地质学教学的时空桎梏,将自然界的地质现象与专业术语一一对应,通过可视化呈现强化了地质现象的直观性和内在性,便于学生对现象的理解。通过大数据平台实时监测反馈实现了教学相长,缩短了地质人才的成才周期。虚拟仿真技术的应用填补了野外地质实践教学中的时空短板,实现了周口店野外实践线上和混合教学质的飞跃。

沉浸式3D虚拟仿真实验平台构建

为解决传统实践教学在时间、空间上的局限性,增强实践教学的互动性,以虚拟智慧城市中的物联网创新应用为研究对象,结合虚拟现实技术,在实验内容和教学模式中融入价值创造和创业素养,构建融入“创新实验路径”和“多层次综合实验项目”的物联网专业沉浸式3D虚拟仿真实验平台。采用布鲁姆教学目标分类法设计3D虚拟仿真实验教学目标,并按照IAPVE的实施模型,构建基于3D虚拟仿真实验平台的教学实施模型和考核评价模型。实施结果表明,该3D虚拟仿真实验平台及教学实施和考核评价模型可指导实践教学改革,实现学生综合能力的全面协同提升。

基于PID的ROV运动控制仿真

针对观察型水下机器人在水下运动时易受暗流、波浪影响,造成操控困难、系统稳定性差等问题,建立遥控水下机器人(Remotely Operated Vehicle,ROV)不同运动的控制模型,考虑电机和导管螺旋桨推进器的传递函数对ROV控制系统的影响,确定定艏向和定深控制系统的闭环传递函数,结合模糊控制和比例积分微分(Proportional Integral Differential,PID)控制法,得到模糊PID控制器,基于MATLAB/Simulink环境进行ROV定深度运动仿真和ROV水平面艏向定偏角运动仿真。结果表明,与传统PID控制相比,模糊PID控制具有更优的ROV定艏向和定深度控制效果,不会发生超调现象,在抗干扰能力和响应速度方面具有明显的优势,可有效地实现ROV定艏向和定深度运动控制。