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计算机仿真简介

    计算机仿真是应用有限元分析(FEA)的方法，对工程领域的实际问题进行分析和预测的一种方法。它可以用于研究应力的分布、物体的变形、流体动力学(CFD)、热传导、电磁场等许多领域。与建立实物模型相比较，计算机仿真不但可以节省大量的时间，还可以进行更为深入的研究。具体地讲，对于一个复杂的产品，不用建造任何实物或实际模型，通过计算机仿真技术就可以获得大量的有用数据，并预测产品的实际性能，从而改善产品的设计和制造水平。

    在产品的研制周期中尽可能早地进行计算机仿真是非常重要的。在设计或产品基本成型后再发现问题和解决问题往往要花费大量的时间和经费。通过前期的模拟和仿真，工程技术人员可以更容易地修改设计和改良产品。预先进行计算机仿真，可以在分析问题的同时模拟预期的结果，从而保证设计的可行性和减化设计本身的难度。

    其实，除了在分析和设计阶段扮演重要的角色外，计算机仿真还可以用于科学研究、对理论模型或工程模型进行仿真试验、用于改良产品或改进生产的工艺过程等很多其它领域。作为一种富于创造性的技术，计算机仿真已被越来越多的企业所重视和采用。这些企业不只简单地局限于如何运作，更注重如何提高产品的技术含量和市场竞争力。计算机仿真技术被这些企业作为战胜对手的一种秘密工具。

 
计算机仿真技术举例

    在光电子领域的应用

    采用FDTD (Finite-Difference Time-Domain)算法，并结合UPML(Uniaxial Perfectly Matched Layer)边界条件，通过麦克斯韦全向量微分方程，同时求得电场和磁场在时间和空间上的分布。从而实现了对任意几何形状、任意位置和任意材料特性的光电子器件进行计算机仿真计算。
在软件使用中，用户通过一个类似于CAD的界面设计器件的形状，布置其在晶体中的位置，并输入材料的特性和入射光线的参数。仿真程序一边计算一边显示光波在时间和空间的传播情况。计算结果存贮在磁盘文件中，仿真计算结束后，用户可以对数据进行进一步的选择性分析。

 


   
    在计算流体动力学（CFD）领域的应用

    流体仿真计算的数学模型是斯托克司方程(Navier-Stokes Equations)。我们采用最新的CFD技术对其进行了不可压缩流体的二维简化计算，然后再根据流场中各点压力的大小对液体表面进行处理。这种方法避免了三维离散处理的复杂性，同时又不损失三维处理的精度，从而实现了对流体流动的实时仿真处理。

    右图是我们将这一技术用于模拟河水通过大坝时的计算机仿真的图片。通过对压力系数的调整可以清楚地看到水流的变化。
   

    在热传导领域的应用

    右图是通过计算机仿真画出的制冷设备中的一个高速转子的温度分布图，从图中可以清晰地看到高温点的位置。转子由马达驱动，并由冷却液带走旋转中产生的大量热量。通过改变转子的几何形状和转速、冷却介质的种类和换热方式等可以计算出不同的温流场分布。

    根据对计算机仿真结果的比较和分析，工程师们可以选定转子的设计方法和运行方式。这样就避免了传统的‘建造-测试-改进-再测试’的产品研制过程。