Multiscale Coupling in Complex Mechanical Systems

Multiscale coupling attracts broad interests from mechanics, physics and chemistry to biology. The diversity and coupling of physics at different scales are two essential features of multiscale problems in far-from-equilibrium systems. The two features present fundamental difficulties and are great challenges to multiscale modeling and simulation. The theory of dynamical system and statistical mechanics provide fundamental tools for the multiscale coupling problems. The paper presents some closed multiscale formulations, e.g., the mapping closure approximation, multiscale large-eddy simulation and statistical mesoscopic damage mechanics, for two typical multiscale coupling problems in mechanics, that is, turbulence in fluids and failure in solids. It is pointed that developing a tractable, closed nonequilibrium statistical theory may be an effective approach to deal with the multiscale coupling problems. Some common characteristics of the statistical theory are discussed.

A Nonlinear Threshold Model Applied to Spallation Analysis

Spallation in heterogeneous media is a complex, dynamic process. Generally speaking, the spallation process is relevant to multiple scales and the diversity and coupling of physics at different scales present two fundamental difficulties for spallation modeling and simulation. More importantly, these difficulties can be greatly enhanced by the disordered heterogeneity on multi-scales. In this paper, a driven nonlinear threshold model for damage evolution in heterogeneous materials is presented and a trans-scale formulation of damage evolution is obtained. The damage evolution in spallation is analyzed with the formulation. Scaling of the formulation reveals that some dimensionless numbers govern the whole process of deformation and damage evolution. The effects of heterogeneity in terms of Weibull modulus on damage evolution in spallation process are also investigated.

基于关节的虚拟场景建模及仿真方法

针对虚拟现实技术中场景生成及仿真问题提出了一种基于关节的虚拟场景建模及仿真方法.该方法将场景中实体的位置状态及其基元间的连接关系用统一的关节描述,通过建立场景连接图表述场景结构,在场景更新过程中采用关节驱动基元的方式.在此基础上,我们开发了通用的虚拟场景可视化软件平台,测试证明提出的方法可以有效地提高场景建模及仿真处理的效率.

森林蒸散模型与模拟研究-以长白山阔叶红松林为例

森林蒸散不但是森林水量平衡的重要分量，也是森林热量平衡的重要分量。准确模拟森林蒸散量是森林水文学、森林气象学学科发展的需求，同时也为森林流域水资源、森林生态系统管理及其开发利用提供科学依据。本文以长白山阔叶红松为对象，利用长白山阔叶红松林气象观测塔安装的常规气象梯度观钡（系统、开路涡动相关系统的观测数据，依据空气动力学基本理论与能量平衡方程建立了森林蒸散机理模型（模型a与模型b），并确定了参数：零平面位移高度d以及温度和风速廓线稳定度订正函数φm和φh。同时，对比分析了模型模拟森林蒸散量的精度，结果表明：本文模型a模拟蒸散量的精度为84.06％：模型b的模拟精度为79.47％；空气动力学方法中的Pruitt法、Businger法、Dyer法的模拟精度分别是59.85％、53.81％、52.07％；波文比法模拟精度仅为41.15％。最后，利用MAOS-I型小气候自动观测系统的观测数据以及土壤含水量监测结果，分别应用模型。和水量平衡法对长白山阔叶红松林生长季节（2001年7-9月）的蒸散量进行了模拟与计算。结果表明，模型。得到的森林蒸散总量为268.91mm，水量平衡法获得的结果为288.18mm。两者相差：19.29mm，相对误差为6.7％。

卫星表面光学反射特性建模与仿真研究

在研究空间相机成像效果探测问题时,针对提高探测相机成像真实效果的需要,研究了卫星表面光学反射特性的建模与仿真方法。利用双向反射分布函数(BRDF)仿真卫星表面的光学反射特性,将卫星表面物理特性与其光学反射特性有机地结合起来。在VC.Net环境下开发卫星表面光学反射特性仿真软件,并将软件集成到空间探测相机成像效果仿真平台上。利用平台进行成像仿真实验,生成真实感仿真图片。仿真结果表明,BRDF能够精确仿真卫星表面的光学反射特性,使成像效果仿真更加准确和逼真。

可扩展的卫星网络建模与仿真研究

卫星网络仿真是对卫星网络进行优化设计、性能分析、效能评估的有效途径。本文针对卫星网络的建模与仿真开展了如下工作： 围绕卫星网络的建模问题，本文在分析卫星网络组成结构和运行特点的基础上，建立了卫星的轨道运行、平台状态、有效载荷模型；针对不同组网模式建立了结构模型；综合考虑卫星的状态参数和空间环境对链路的影响建立了链路模型；基于物理信道、网络层、传输层三个层次建立了通信模型，并讨论了各仿真模型的组成、适应性和可扩展性。 在建模基础上，设计了基于HLA的卫星组网仿真系统总体架构，给出了仿真联邦对象模型的详细设计与具体实现方式，设计了仿真运行流程和系统接口，并进行了仿真实验，验证了仿真模型的正确性和有效性，并进一步分析了HLA在进行面向服务扩展时的适用性，给出了利用XMSF体系结构对其进行扩展的必要性和研究思路。 通过对可扩展的建模与仿真框架（XMSF）特别是面向服务的体系结构（SOA）和仿真服务总线（SSB）的讨论，针对研究卫星网络上层应用的需要，设计了基于XMSF/HLA双层体系结构的原型系统，重点研究了基于web的C/S交互通讯模式和仿真服务总线运行模式。该系统结构支持对HLA的“web化”扩展，并可跨平台、跨语言共享，易于理解和实现。

三柔索吊床机构设计与运动学分析

研制了一种有重力约束的三索控制的柔索吊床机构来模拟船体海面上的运动。为了解三柔索吊床机构的运动特性 ,对其进行了运动学建模与仿真。仿真结果表明 ,台面倾角在 0°～ 30 0°变化时 ,台面不碰撞立柱 ,且柔索伸缩长度与台面倾斜角度接近于线性变化。本文所做的工作对吊床平台避免撞击立柱、缩小吊床立柱布置空间、提高空间利用率 ,以及为吊床的运动控制提供了理论依据

泵车布料机构运动学分析及轨迹规划控制建模与仿真

给出了以混凝土泵车各臂油缸长度为参变量的布料机构浇筑过程的轨迹规划计算方法。在解决布料机构运动学分析的逆问题时 ,采用了基于多峰值并行搜索的遗传算法来求解最优控制优化目标函数 ,并对施工过程进行了仿真

空间对接机构差动式缓冲系统动力学建模与仿真

对接技术是空间交会对接的关键技术，是建立大型空间站，进行复杂空间作业的前‘提，是我国载人航天工程实施需要迫切解决的问题。对接机构缓冲系统是对接机构的核心部分，决定着对接过程的动力学特性，对实现两航大器安全可靠的对接起着至关重要的作用。对接机构缓冲系统结构和工作原理复杂，是一个多自由度、多变量、高度非线性、多参数祸合的动力学系统，对其进行研究是对接机构研制的核心工作，具有重要的理论和实践意义。本文针对我国载人航天工程正在研制的周边式对接机构差动式缓冲系统进行了以’一厂研究：建立了对接机构缓冲系统的运动学模型，利用Lagrange方程建．立了差动式缓冲系统动力学模型，该模型综合体现了缓冲系统参数对缓冲特性的影响。同时，为缓冲系统实时动力学仿真模型的建立奠定了理论基础。首次建立了对接机构缓冲系统全真可视化实时动力学仿真模型，将约束的真实传动特性反映到仿真模型中，解决了多体动力学建模时山一于对杆自差织，合中两根丝杠佩的适动特性进行近似相等假设所造成的缓冲系统动态特J性失真问题，实现了非线性强棍合系统的实时动态仿真。 利用快速极坐标搜索法，进行了对接环工作空间的确定，基于模态测试方法提出了缓冲系统等效特性的虚拟试验方案，得到了系统的动静态力学性能参数，实现了对对接机构缓冲系统设计的验证。总结出对接机构的最大行程和缓冲阻尼特性的变化规律，建立了机构最大工作行程与机构传动链参数和缓冲元件结构参数的关系模型、系统等效缓冲阻尼特性与缓冲元件性能参数的关系模型，对缓冲系统的深入研究有很大的理论价值，对对接机构缓冲系统的工程设计具有重要的指导意义。建立了缓冲系统的缓冲力与对接环相应姿态的高阶关系模型，有效地提高了对接过程动力学仿真的精度。对接机构缓冲系统的动力学建模与仿真，对空间对接技术的研究，载．人航天一L程的顺利实施具有重要意义。对对接机构的研制具有很人的指导意义，为对接过程动力学研究和对接机构的深入设计奠定了坚实的基础。本文的研究结果，己在上海航天局八0五所对接机构的研制中得到了应用。

潜水器恒张力收放绞车系统的建模与仿真

在潜水器收放过程中,要求收放绞车具有恒张力控制功能,减小由于波浪起伏对潜水器的冲击。本文根据液压系统的流量连续性方程,建立恒张力收放绞车泵控液压马达系统的数学模型,并对该系统进行了仿真分析,仿真结果表明:该系统能够满足实际的作业工况,且具有良好的动态和稳态工作性能。仿真结果为收放系统的设计提供了依据。

集成化企业建模方法与工具系统研究

研究了企业建模方法的发展趋势 ,提出了一个集成化的企业建模方法 ,给出了建模框架体系和建模方法 ,并设计了一个基于CORBA软件总线的集成化企业建模与仿真优化系统。所提出的建模方法与设计的软件工具 ,对于促进集成化企业建模方法学的研究 ,开发具有我国自主版权的建模与优化工具系统 ,具有实际应用价值。

城市交通系统的建模与仿真

本文首先通过分析建模中常用的离散事件仿真算法,根据大系统理论的递阶思想,提出了一个适合大系统仿真的新算法——递阶仿真算法.然后,建立了一个较通用的交通系统仿真模型(UTSS 模型).经过模型有效性验证,证明该模型是可行的,具有实用价值.

轮式移动机器人沙地行驶控制建模与仿真研究

结合车轮沙土相互作用的力学分析,研究解决轮式移动机器人沙地行驶车轮过度滑转下陷问题。考虑纵列式重复通过车轮沙土力学参数的修正,建立六轮式沙地移动机器人的动力学模型,以车轮滑转率为状态变量,设计了移动机器人沙地行驶的滑模驱动控制器跟踪车轮期望滑转率。MATLAB/Simulink仿真结果表明,采用该控制器可以较快地跟踪期望滑转率,有效地限制机器人车轮的滑转,避免车轮的过度下陷。

基于多Agent制造过程的建模方法

分析了制造系统与制造过程之间的关系;论证了从过程的角度对制造进行建模更恰当;结合Agent和π演算的特点,给出Agent制造系统描述模型及基于π演算的单个Agent的BDI模型,并指出Agent和π演算结合的制造过程模型有利于进行优化目标在不同制造过程层次的分解,不论从方法的角度还是实现的角度,都适合复杂系统建模。Agent和π演算相结合可以有效分析并解决离散事件的建模与仿真中的问题。