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征服复杂性 对于这些进展，没有人会比Julius Guccione 博士感到更惊讶。Guccione博士是美国旧金山市加利福尼亚大学医学院的教授和心胸外科研究人员。他最初认为，人体的系统太复杂了，简直无法对其进行建模。是的，虽然仿真和生物力学已经被广泛应用于矫形外科治疗，例如膝关节和髋关节置换手术，但骨骼是类似于制造商设计的机械结构的结构组件。Guccione坚信人体器官是一个完全不同的挑战。 Guccione说：“虽然建模和仿真已经成功用于汽车和飞机的设计，但是我们很多人认为与其他任何正在解决的工程结构相比，心脏的复杂程度高出了好几个数量级。但是，当我亲自看到用于其他行业的数学模型的复杂性时，我的想法真的发生了变化。这些模型的细节和尺寸以及计算时间都给我留下了非常、非常深刻的印象。”Guccione指出，心脏纤维经历了极端的变形，在整个心动周期内伸长和收缩的比例至少为 20%。他说：“这是比人体骨骼建模更具非线性的问题，其任何变形都很难检测。一个固体具备如此惊人的材料属性是很不寻常的。” 但是，今天，Guccione和他的同事们正在使用数学建模和仿真技术测试一种生物聚合物凝胶注射材料的安全性和功效，这种材料专门设计用于心力衰竭发作时加强并稳定心跳。使用该技术了解每位病人的心脏机制后，研究人员就可以为每位病人定制所需的凝胶数量以及注射位置，以达到最佳效果。 获得公信力 使用人体建模和仿真技术的另一个重要的障碍是监管审批。Dawn Bardot是一家公司合营 的医疗机构—医疗器材创新联盟（ MDIC ）的建模和仿真高级程序经理。该联盟致力于提升医疗设备行业监管的科学性。 Bardot 说，医疗器材制造商广泛地使用建模和仿真对相互矛盾的设计进行整理，并检查现场故障。但是，他们在制定安全性和功效性决策方面还没有获得监管机构所要求的公信力。 根据医疗器材创新联盟的说法，开发满足监管级别的模型和仿真技术将需要全新的方法以及多方的协作，以便更好地了解复杂的输入，例如材料属性、人体解剖学、生理状况和疾病状态等。与此同时，诸如Guccione团队的研究人员则集中于开发系统级模型。Bardot 说：“从解剖学、生理学或材料属性的角度而言，我们目前还真的没有很好的人体变异性绘图法。但是当我们有了这些系统级模型和仿真后，我们就无需在实验台上进行那些试图描绘人体部位的测试，还能够消除动物试验，并降低临床试验的次数以及所涉及的病人数量。” 早期的希望 位于美国马萨诸塞州弗雷明汉的IDC Health Insights的研究主任IDCAlan Louie博士说，像Guccione和他同事这样的研究人员正处于一种全新技术的研究前沿，该新技术能让我们更好地了解连接和驱动人体的复杂系统的生物学通道和系统。 Louie说：“我们还处于了解人体中不同生物学通道、系统和器官的最初阶段—它们与骨骼和骨骼肌等物理系统非常不同。但是我们正打算开始仿真其中一些模型。” 研究仍处于早期开发阶段。Louie说：“在很大程度上，将一个模型转换为一个基于计算的系统属于'线性’思维，而这些复杂系统中有一些是无法使用线性思维来解释的。而能否将适当的部件组合到一起是最困难的部分。” 他提到，很多可能在这个领域提供一些价值的全新工具正应运而生。其中一个著名实例是在美国知识竞赛节目“Jeopardy”中击败了最强人类大脑而众所周知的IBM 超级电脑沃森(Watson)。Louie说：“Watson利用知识存储作为决策点，并将其叠加在现有的数据集上。”知识库Watson帮助研究人员将电子医疗记录等健康数据叠加在基因成果、人口生物学数据、社会媒体对于药物的比较效用的洞察以及来自不同来源的医疗相关数据上。然后，Watson通过一个可以识别共性的系统对这些输入进行筛选。 Louie说：“对人体系统的仿真时代正在到来。其将依靠不同的系统来连接广泛分布的大量不同数据，适应非线性思维并捕获极大的复杂性，但是能否将所有这些互动实现可视化将成为这项技术非常有力的推动因素。 ” 本文摘自 3DEXPERIENCE 杂志《 COMPASS 》杂志，第四期 CATIA官网：关于百世慧成都百世慧科技有限公司（简称百世慧）是一家新兴高科技企业，百世慧致力于向汽车、工业装备、能源与材料、生命科学、基础设施等行业提供先进的数字化产品研发软件、系统以及解决方案。 百世慧近50名技术顾问分布在百世慧成都、广州、珠海办公室。作为法国达索系统公司（Dassault Systèmes）的合作伙伴，百世慧把行业顶级的产品设计软件、仿真软件、制造管理平台、产品生命周期管理PLM系统、大数据分析系统、智能制造解决方案等带给我们的用户，并为用户提供一流的技术支持与项目服务。 百世慧公司以技术立身、以服务立命、以帮助客户实现价值目标为追求，持续投入、培养高素质的技术和咨询团队，为我们的用户提供更好的体验和创新动力。  多体仿真（MBS）适用于机械系统精确的运动学和动力学性能分析。如果外部作用力对整个系统性能有明显影响，只考虑机械部件是不够的。MBS的目标是创建产品的系统模型，并考虑所有相关的力。
农业机械公司格立莫（Grimme）研发并制造马铃薯和甜菜种植机械。在本案例中，马铃薯离散颗粒在机器内运动的性能和载荷是非常重要的。对这种问题的一种常见方法是使用商业“离散元方法（DEM）”软件和Simpack进行联合仿真。为了避免额外的软件许可证成本和接口开发，在本仿真场景的范围内，研究了仅用Simpack仿真整个模型的可能性。使用“多边形接触方法（PCM）”定义所有物体之间的接触特性。 本次可行性研究以马铃薯播种机为例而展开。为了建立这个模型，有必要建立一个与马铃薯颗粒流相互作用的橡胶弹性皮带，且皮带由电动振动装置进行激励，皮带的振动使马铃薯种子被分离到各自的勺杯中。 使用Simpack这个功能强大的MBS（多体系统）软件可以轻松实现机械部件的建模。主要问题在于，在Simpack中使用接触力元是否能够充分地表示大量类似颗粒物体之间的接触，其中一些还具有复杂的几何结构。 另一个挑战也随之浮现：在尽管模型有很多自由度的前提下，是否能通过使用适当的参数以及优化的求解器设置，将计算时间保持在可接受的范围内。
图1: 土豆播种机的多体仿真模型 高弹性皮带的建模是比较困难的挑战之一。通过把皮带离散为多个刚体段来实现（见图2）。大量的离散段可以更好地表现皮带的特性，并减少由多边形效应引起的带轮的振动激励，不过必须在离散段数和计算时间之间找到恰当的平衡。各离散段之间通过衬套力元耦合。为了后续定义皮带段和带轮之间以及皮带段和土豆颗粒之间的接触力，有必要使用长方体和圆柱体对这些离散段进行建模。 所有和土豆颗粒有接触的机械部件也必须在模型中建立。在本案例中，机械部件指的是拾取室和向下运动的通道。这些部件几何图形从CAD文件中获取并转换为obj格式文件。然后，机械部件和颗粒体之间的接触力可以使用PCM接触方法精确建模。
图2: 皮带建模示意图 本模型中使用了两种不同的接触类型。第一种是曲线-曲线接触，用于定义皮带段和带轮之间的接触。与其它几何接触类型相比，这种接触类型的计算时间能明显缩短。由于曲线-曲线接触只能在具有曲面的接触部件之间实现，因此每个皮带段必须含有上述的小圆柱体曲面。 此外，必须定义颗粒之间以及颗粒与机器部件之间的接触，这可以使用Simpack软件PCM方法实现。任何几何都可用于定义接触面，唯一的要求是接触面必须是三角形网格形式的文件格式，如obj、stl等。PCM接触允许接触面之间有多个接触，这是计算颗粒接触的先决条件。这种接触方法的另一个优点是高效的碰撞检测，因为不接触的表面对计算时间的影响很小。 这个播种机模型中接触力元的总数取决于颗粒的数量和皮带的离散程度。该模型含有108个皮带段和24个土豆颗粒，共有4309个接触力元。 由于所需的力元数量特别多，如果使用标准的Simpack 界面操作，生成模型将非常耗时。因此，为了自动生成Simpack的模型文件，一个高效、便捷的脚本被开发了出来。 所有的模型参数，如皮带速度和土豆数量，都是在脚本中预定义的。随后，执行该脚本生成用于仿真的模型下文件，这些文件生成以后可以直接运行。对模型的修改总是需要在脚本中修改。在创建新的仿真模型时，通常可以采用脚本，这能大大减少了建模所需的时间。 SODASRT 2积分器适用于所有的仿真过程。事实证明，将最大积分器步长限制在万分之一秒是高效的，这样可以可靠地检测所有接触事件，并避免对积分器步长的较大更改。 首先运行仿真用于调整模型中的接触参数。通过各种实际的跌落碰撞试验，确定了马铃薯与各种部件材料之间的实际接触特性。这些试验确定碰撞力过程和恢复系数，与马铃薯的质量、跌落高度和接触材料等因素有关。然后，仿真研究的主要目的是优化计算时间，以实现尽可能多的颗粒数量仿真。 第二步，通过分析机械参数和部件几何参数的变化，优化颗粒流运动过程，降低土豆颗粒的受力。 在一个简单的跌落试验中，对比仿真和实测的碰撞力或碰撞加速度曲线，显示二者具有良好的一致性。图3显示了当一个100克的土豆从50厘米的高度落在钢表面上时的碰撞变化曲线。 在后续的产品开发模型分析中，作用于土豆颗粒的碰撞力对Grimme公司来说是非常重要的。所有新研发产品的一个关键目标是最大程度地保护土豆。
图3: 试验(蓝色)和仿真(红色)的碰撞加速度曲线对比 仿真模型质量的进一步评估标准是直接观察并对比颗粒流的运动情况。在试验和仿真过程中，除了马铃薯外，还使用了高尔夫球，因为高尔夫球具有更好的可比性和均匀的颗粒特性。通过台架试验获得的高速图像作为土豆颗粒的参考。 图4为台架试验高速成像图，左侧显示了仿真过程的同样状态。通过比较这个和其它视频，可以确定仿真模型中颗粒非常真实的运动性能。值得注意的是，即使是接触参数的微小变化也会对产品运行产生显著影响。
图4: 仿真和试验的可视化对比 以土豆播种机为例，本文论证了Simpack在颗粒模型建模和仿真中的适用性。通过脚本的使用，大大缩短了建模时间。此外对比发现，仿真结果与试验测试值具有很高的一致性。同时考虑了作用在颗粒上的碰撞力随时间推移而产生的变化以及整个颗粒流的运动性能。 事实上，对于一些仿真模型，特别是那些颗粒较少的模型，可以不借助其它软件，仅在Simpack中就能对整个系统进行建模和仿真，在节约成本的同时，更高效、更便捷地提高产品的研发质量。 本文摘自3DEXPERIENCE杂志《COMPASS》杂志，第四期 CATIA官网：关于百世慧成都百世慧科技有限公司（简称百世慧）是一家新兴高科技企业，百世慧致力于向汽车、工业装备、能源与材料、生命科学、基础设施等行业提供先进的数字化产品研发软件、系统以及解决方案。 百世慧近50名技术顾问分布在百世慧成都、广州、珠海办公室。作为法国达索系统公司（Dassault Systèmes）的合作伙伴，百世慧把行业顶级的产品设计软件、仿真软件、制造管理平台、产品生命周期管理PLM系统、大数据分析系统、智能制造解决方案等带给我们的用户，并为用户提供一流的技术支持与项目服务。 百世慧公司以技术立身、以服务立命、以帮助客户实现价值目标为追求，持续投入、培养高素质的技术和咨询团队，为我们的用户提供更好的体验和创新动力。 |
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