PS仿真系统 篇1
汽车焊装生产线是将各车身冲压零件装配焊接成白车身的生产线,通常包括车门、前围、左/右侧围、后围、地板和顶盖等焊接分总成及白车身总成线。根据生产线节拍、自动化程度及生产方式的要求,白车身总成焊装生产线和分总成焊装生产线可分为若干个区域及工位,每个工位都含有焊装夹具、焊接设备、输送系统、电气自动化控制系统及辅助设备等,形成复杂的物料流动焊接装配系统。为了减少实际制造过程中的规划设计失误率、优化设计方案、降低制造成本,数字化工厂技术逐步得以应用。
Tecnomatix软件是西门子公司推出的一套完善的数字化制造解决方案,可以帮助汽车制造企业快速提升效率、降低成本。该软件包括Process Designer(PD)和Process Simulate(PS)两个方面。其中,PD是一个多层数据库结构,主要满足工艺规划和数据管理;PS用于工艺规划的验证和细化,主要进行产品装配、人体模拟和机器人虚拟仿真。
本文采用Tecnomatix软件,在PD中完成了某车型焊接过程的规划、分析、确认和优化,并在PS中进行仿真,通过优化机器人的焊接路径改善了焊接质量。
2 PD中的工艺设计
2.1 工艺设计的前提条件
2.1.1 产品数据
产品数据又称为数模,一般采用CATIA、UG、Pro/E等三维软件进行建模,从数模中可以获得零部件的结构尺寸、位置关系及焊点、涂胶等制造特征。由数模还可以生成整车、分总成、冲压件的各种视图(包括轴测图)及剖面图。
2.1.2 工艺数据
工艺数据主要包括车间布局规划、生产线规划、机器人或手工工位的操作流程等,这些均根据工厂设计的参数来确定。工厂设计的参数主要包括年产量、生产班次、生产节拍、生产线的利用率、生产线的自动化程度及生产线的工艺水平要求等。
2.1.3 资源数据
资源数据主要包括机器人、夹具、焊钳、涂胶系统、螺柱焊、铆接设备、钢结构、传输设备、安全防护及相关附属设备的集合。
2.2 工艺设计过程
2.2.1 创建过程
2.2.1.1 资源库的创建
PD包含Oracle数据库、e MServer服务器和Client客户端3 层数据结构。数据主要存放在System root(与e M database中节点相关的所有外部文件都存储在此路径下,主要包括如产品和资源的3D、excel、Auto CAD文件等)和Oracle数据库(存储项目的所有对象节点及其关联关系,该数据库是实时读写的)两个位置。
资源库建在system root目录下,按照项目要求创建用于存储数据的文件夹节点。在PD中完成各种资源原型库节点的创建,节点类型与数据类型相对应,并将其与system root下的数据关联起来。
2.2.1.2 资源树与操作树的建立
实例库与生产线结构树在资源库的基础上建立。根据生产线的工艺过程、机器人或手工工位的操作流程建立操作树,资源树所用资源直接从资源库里调用即可。资源树与操作树主要以工位为基础建立。
2.2.2 导入过程
2.2.2.1 产品数据导入
若采用统一标准格式的导入导出接口,在产品数据导入的同时会自动生成产品BOM结构树,若未生成则需要手工创建产品BOM结构树。
2.2.2.2 焊点数据导入
焊点数据一般为.cxv文件,若没有此文件则需要从数模中提取焊点信息,按照焊点数据文件标准格式(表1)编写后再导入。
2.2.2.3 资源数据导入
资源的建模工作通常在Catia、UG等3D设计软件中完成,在导入前需通过数据转换接口CAD Translator或其它平台将其转化成PD可识别的.CO或.COJT格式,并将其储存在指定目录下。
2.2.2.4标准操作导入
标准操作可以重复使用,里面包括对操作的描述、所用的时间等信息,在后续工艺设计过程中可以调用。
2.2.3 工艺分配过程
工艺分配过程由5个部分组成(图1):
a.识别要生产的零件;
b.将制造特征(焊点)关联到零件上;
c.将零件分配到操作,这些操作必须按照正确的工艺流程进行;
d.将制造特征(焊点)关联到操作;
e.将资源分配到操作。
分配过程完成后,这些对象之间的关联关系就构成了整个生产制造过程。
2.2.4 布局过程
在3D视图中加载对象,所有设备均重合在一点即厂房的坐标原点,目的是通过建立一定的基准保证整车的几何形状和尺寸。在3D视图中要根据Layout将设备重新摆放到相应位置,因对象都是通过三维坐标来定位的,其间不存在装配约束关系,可以通过移动工具将其移到相应位置。
在PD中进行规划,可以保证数据源的唯一性,同时支持多个用户对项目的不同部分同时进行协同工作。与二维工艺平面布置图相比,更直观,减少了干涉现象的发生。
本实例项目部分3D布局最终效果如图2所示。
在项目节点下创建Study Folder,在新创建的Study Folder节点下新建一个Robcad Study,将需要做仿真的工位或线体拖放到Robcad Study目录下,即相当于在新的位置建立了该工位的快捷方式,图标左下角处出现箭头标志(图3)。选择RobcadStudy,从右键菜单中选择Open with Process Simu-late,即通过Robcad Study接口,使用PS打开且对该工位或线体进行仿真操作。
下面以焊装工位为例来说明PS在仿真中的应用。
3 在PS中进行机器人模拟
3.1 焊点的投影
任何焊点必须经过向零件投影之后才可以使用焊枪进行焊接仿真,焊点投影之后以坐标形式存在,其方向与焊枪的TCP(Tool Center Point)一致。
3.2 焊枪选择和TCP定义
PS具有自动选择焊枪的功能,根据焊点的位置和干涉检查的条件,自动从资源库中搜索合适的焊枪。焊枪在定义之前必须保证其处于被激活的状态,否则无法被编辑。通过Kinematics Editor操作对关节进行定义,其运动方式有直线运动和旋转运动两种,可根据实际情况进行选择。焊枪的姿态一般包括HOME、OPEN、CLOSE、SEMI_OPEN 4 种,这些姿态之间可以相互切换。对焊枪的TCP进行定义,一般选择电极头中心点的坐标作为焊枪的TCP。不同种类的焊枪,其TCP定义的位置和方向不同。不同主机厂对TCP的定义要求也有差异,TCP定义完成后,要保存相关数据,使焊枪呈不可编辑的状态。
3.3 夹具机构运动定义
夹具机构运动定义主要包括回转台的旋转、夹具的打开和关闭状态。在定义过程中要注意部件间的层次结构,避免出现回转台上的部件不跟随其运动的现象。在闭合、打开或旋转过程中与周围实体发生干涉时,要及时优化路径甚至修改夹具。
3.4 焊点可接近性检查
将焊枪安装到机器人,并检查焊点的可接近性。焊点可能存在3 种情况:
a.焊枪可以正确接触到焊点,不需要任何调整;
b.焊枪虽然可以接触到焊点,但是不满足切入角的合理范围,需要调整焊点的切入角,使焊枪可以从切入角区域进入;
c.焊枪虽然可以接触到焊点,也满足切入角要求,但是存在干涉现象,可以通过拖拽调整焊点投影角度来消除干涉。若仍不能避免干涉,则观察考虑该处焊点是否可以从另一侧进行焊接。若可以,则需要在另一侧设置一组机器人,将焊点分批进行焊接。
3.5 焊接干涉检查及焊枪运动路径设置
打开干涉检查窗口,设置检查的约束条件,激活干涉检查模式。运行仿真,若出现干涉现象,则需要调整焊枪的运动路径。一般采取的措施是建立过渡路径,关键点的个数根据实际情况来确定。在仿真过程中,焊枪应尽量与产品件的焊接面垂直,以保证焊接质量。仿真最终目的是顺利完成整个焊接操作,过程中不存在任何干涉现象。
若无论怎样调整,都避免不了干涉。为了能更清楚查看干涉的具体情况,PS提供了截面工具。设置需要观察的焊点、焊枪及截面的方向和区间(图4),并可以在窗口的任何位置增加批注,并以jpg或bmp格式保存下来(图5),便于将相关信息反馈给设计人员进行更正。
另外,PS没有自动保存功能,需要在完成路径设置后对相应的数据进行保存,避免在下次运行时数据丢失。
3.6 其它辅助功能
通过Gantt图可以设置和分析工位操作顺序及节拍符合性。
通过Pert图不仅可以看到每一个制造流程的环节,还能将其需要的工具和车间里的资源使用状况等信息显示出来。
Table View可以自定义需要显示的内容,并可以直接输出打印。
仿真完成后,使用PD /PS任意模块完成工位工艺卡的制作,使用Note功能直接调用数据库中的相关信息,可以有效避免人为造成的数据错误。
4 结束语
本文采用Tecnomatix对焊接生产线进行了快速和准确的工艺流程规划设计、工艺布局设计和机器人焊接路径规划;在3D环境下完成了工厂生产线虚拟布局,使虚拟规划设计更加接近现场;通过路径仿真,实现节拍验证与工艺优化工作,使规划及施工问题提前暴露并得到优化解决,避免了后期现场更改所带来的损失。PD/PS数字化规划仿真技术的成功应用将对汽车行业发展和汽车质量的提升起到促进作用。
摘要：在Tecnomatix环境中,运用数字化工厂技术软件Process Designer(PD)/Process Simulate(PS)完成了汽车焊装生产线的规划和仿真。从数据导入、工艺规划、资源分配到最后的仿真都做了详细阐述,生成了基于PD/PS系统的数字化三维工厂。对PD/PS软件仿真结果进行验证结果表明,利用PD系统进行焊装工艺规划能显著缩短工艺规划时间,提高工艺规划的准确性;根据PS软件模拟结果可对工艺过程进行优化。
关键词：Tecnomatix,PD,PS,焊装,工艺规划
参考文献
[1]葛怀林,李二铁.Tecnomatix在汽车焊装工艺规划设计中的应用研究[J].汽车与配件(制造技术与材料),2011,5:42.
[2]常辉娟.基于Tecnomatix软件的白车身工艺规划与仿真验证[J].科技与创新,2015,8:94.
[3]刘阳杰,朱杰,张红梅.基于PD/PS的机器人涂胶工位仿真研究[J].电焊机,2013,43(2):64.
物流系统仿真研究综述 篇2
摘要:文章从系统建模方法和前沿仿真技术的角度对物流系统优化与仿真进行评述,介绍了建模方法和仿真技术,分析其在物流系统中的运用以及物流系统仿真的主要进展和存在的问题,最后指出物流系统仿真进一步的研究方向。
关键词:物流系统;仿真软件;建模方法;仿真技术
中图分类号:TP391.9文献标识码:A文章编号:1006-8937(2009)10-0136-02
物流系统的优化,往往是在一定约束条件下,实现物流总费用最省、客户服务水平最好、社会经济效益最高的综合目标。但是,物流系统大多是离散的、复杂的大系统,包含多约束多因素的影响,难以达到最优状态,传统的运筹学方法无法对建立的模型进行有效求解,而仿真技术在解决这类问题时有其独到的优势和特点,因此许多专家学者对物流系统仿真领域进行了大量的研究,以求使物流系统的价值潜力得到最大的发挥,提高企业的效率和利润。
1物流系统建模方法
系统建模是系统仿真的基础,也是系统仿真的必要过程,模型的质量直接影响系统仿真的效果。在离散事件系统建模方面,通常有三种系统建模方法:面向事件的建模方法、面向活动的建模方法以及面向进程的建模方法,具体表现为: 实体流图法、活动周期法、Petri网方法。
1.1数学建模方法
数学建模方法就是根据一般的理论、方法、设计行规、行业标准等,按具体要求建立一个能体现设计问题的数学模型,再利用计算机编程或最优化方法找出它的最优方案,使问题得到满意的解决。在物流领域的研究中,数学建模方法主要是指传统的运筹规划方法。
1.2Petri网建模方法
Petri网是1960年由卡尔·A·佩特里发明的,面向进程的建模方法。Petri网是对离散并行系统的数学表示,有严格的数学表述方式、直观的图形表达方式和丰富的系统描述手段与系统行为分析技术。Petri网能较好地描述系统的结构,表示系统中的并行、同步、冲突及顺序等关系,以图形表示的组合模型,具有直观、易懂和易用的优点。
1.3活动网络建模法
活动网络是面向对象的建模方法,它是一个包含活动逻辑顺序的有向图,活动网络由外部或者内部事件控制。根据对象建模思想,活动网络可以看作各种对象组成的网络,为了实现活动网络的设计与仿真,要求对象包含控制仿真运行的算法,评价仿真结果的机制,包括不同层次评价一致性保持机制,以及支持仿真模型开发的方法。
1.4实体流图建模法
实体流图法属于面向事件的建模方法,与计算机程序流程图的画法类似,借助实体流程图,可以表示事件、状态变化及实体间相互作用的逻辑关系。虽然计算机程序框图的思想和编制方法简单,但对离散事件系统的描述却比较全面,已广为人们所接受。
2物流系统仿真技术
系统仿真是指通过建立和运行系统的计算机仿真模型,来模仿实际系统的运行状况及其随时间变化的规律,通过对仿真运行过程的观察和统计,得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性,以此来估计和推断实际系统的真实参数和真实性能。目前,仿真技术主要包括仿真软件和仿真编程语言。仿真软件主要有Arena、AutoMod、Witness、Flexsim等,仿真编程语言主要是Borland C++、VB等原始编程语言。
3建模方法和仿真技术在物流系统中的应用
在现代物流系统中,由于物流系统的不确定因素和离散复杂性,用传统的运筹学方法很难达到系统优化的目的,现在的前沿技术是把建模技术和仿真技术相结合。具体做法是首先选择合适的建模方法建立模型,然后选择合适的仿真技术进行仿真,对参数进行控制得到仿真数据,对数据进行科学合理的分析达到系统优化的目的。
在Petri网应用方面,文献[5][6][7]分别对不同的物流系统进行了研究。对三篇文献分析可以看出Petri网是离散性、随机性复杂系统建模的主要方法,大多学者都有采用。
彭晨,岳东应用Petri网对煤炭供应链物流及供应流运行过程建模,并结合煤炭供应链的过程建模运用VB编程完成可视化仿真,分析煤炭供应链中存在的问题和运营瓶劲。用原始仿真语言VB编程的不足是在对模型进行仿真分析时无法形成三维动画。
詹跃东,骆瑛对烟草行业的卷接包车间的AGVS进行分析,用Petri网对该AGVS进行建模,并用Arena仿真软件进行仿真研究,以此证明模型的有效性。作者利用了Arena软件强大的功能模块ALLOCATE实现了AGV以最短路径进行工作,提高了AGVS的效率,但没有实现AGV的智能化,不能随时应变实际系统所发生的情况。
张颖利,邵明习以某微型汽车厂总装车间的生产物流过程为实例,采用Petri网进行建模,利用VB编程实现生产线的仿真研究。作者虽然通过建模仿真找到了生产线存在的问题并有效解决,提高了效率,但此模型的前提假设与实际系统有偏差,有一定的局限性。
当今,传统的数学建模方法仍然占有相当重要的地位,尽管复杂系统很难实现数学建模,但由于新的建模方法还有待进一步研究完善,传统的数学建模方法仍然在某些领域得到广泛使用。
孙娟,尹军琪,宁建国通过数学和物理建模,并利用VC++编程,实现了用动画技术对物流系统进行仿真。这种技术可以模拟系统的整个工作状态,估测系统的输送能力,与用户进行简单交互。它的突出特点就是利用VC++中的MFC类实现仿真编程,与实际系统较为接近,最重要的是该模型具有二次开发的潜力。
郭士正,卢霞以奶品零售分销系统为实例,对仅有制造商与销售商的二级供应链系统建立了具有选址和市场顾客配置的供应链混合整数规划模型,采用遗传算法求解,证明了模型的有效性。其模型可以在一类广泛的服务销售的供应链管理问题中推广,这是该研究的创新之处。
王英凯,安晓东提出了一种基于遗传算法的物流配送最佳路径选择的数学模型,通过对实例的仿真分析证明该模型能较好地满足不同类型的约束要求,在时间上相对于传统的线性规划算法有很大节省,对解决类似的多重目标约束问题非常有效。
如今,许多仿真软件的功能强大,不但可进行实体建模,还可通过对模型的参数控制,使模型运行过程中的数据以图表的形式显示出来,供决策者分析数据而找到满意的决策方案。
张汉江,肖伟等人对基于虚拟现实的自动化立体仓库可视化仿真辅助设计问题进行了研究。使用仿真软件Flexsim,以自动化立体仓库中的设施数量、操作规则为控制变量,建立自动化立体仓库的物流仿真模型,经过多次仿真得到最优控制变量和布局方案。
翁贻方,张增辉,廉小亲等人利用AutoMod仿真软件,对加工生产线物流系统进行建模、仿真运行、统计分析与优化设计。对仿真得到的数据进行单一参数分析得到各小车的参数范围,再从总体上进行参数组合分析,最终得到三种小车的最优参数值,实现以小车最小成本达到最大产出的目标。
蔡洌,李世其基于活动网络建模方法,并与面向对象建模技术相结合提出了一个基于活动网络的生产系统仿真集成对象模型,能够实现同一仿真模型中不同观点、不同层次的集成。文献论述了模型的建模方法,并通过对某铝卷料生产企业的生产活动建模实例分析,验证了其可行性。
4结 语
通过分析、总结和比较国内外研究现状,在物流系统仿真的研究实践中,系统优化与仿真作为解决复杂物流系统问题的有效手段,已经广泛应用于各种物流系统的研究领域。将合适的建模方法和仿真技术有效地进行结合,成为研究物流系统优化与仿真问题的主流手段,也是物流系统优化与仿真的主要发展方向。对于建模方法,传统的数学建模仍占有重要的地位;对离散性随机复杂系统的建模,Petri网的使用则极其广泛,并凭借其独到的优势被许多专家学者所接受。对于物流仿真技术,功能强大的仿真软件和工具的开发以及和建模方法的集成将成为未来研究的热点,而面对对象仿真、分布式交互仿真、智能仿真将成为其进一步的发展方向。
参考文献:
[1] 彭扬,伍蓓.物流系统优化与仿真[M].北京:中国物资出版社,2007.
[2] 朱卫锋,费奇.敏捷后勤仿真设计与实现[J].计算机仿真,2003,(6).
[3] 朱华炳,吕冬梅.基于Witness的生产物流系统仿真与优化[J].建模与仿真,2006,(3).
[4] 彭晨,岳东.基于Petri网的流程供应链过程建模分析[J].计算机工程与应用,2003,(10).
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[6] 张颖利,邵明习.企业生产物流的建模与仿真[J].物流技术,2005,(12).
[7] 孙娟,尹军琪,宁建国.动画技术在物流仿真系统中的应用[J].起重运输机械,2003,(9).
[8] 郭士正,卢震.二级供应链建模及仿真研究[J].集美大学学报(自然科学版),2004,(4).
[9] 王瑛凯,安小东.基于遗传算法的物流建模与仿真分析[J].中北大学学报,2005,(6).
[10] 张汉江,肖伟,罗端红,等.辅助自动化立体仓库设计的可视化物流仿真[J].系统工程,2006(3).
[11] 翁贻方,张增辉,廉小亲,等. 基于AutoMod的物流系统建模、仿真与优化[J].微计算机信息,2007,(8).
ps滤镜制作仿真石墙 篇3
。现代美女与古老的墙相互衬托，给人一种返朴归真的感觉。下面我们就用Photoshop来制作这样一堵石墙。1、在Photoshop中新建宽度为20厘米，高度为15厘米，分辨率为120像素，颜色模式为RGB颜色，背景为白色的文件。
2、按D键，将工具箱中的前景色和背景色设置为默认的黑色和白色，然后单击“通道”面板底部的按钮，新建“Alpha1”通道。
3、选择菜单栏中的“滤镜”“纹理”“染色玻璃”命令，弹出“染色玻璃”对话框，设置的参数及产生的效果如图01所示。
4、选择菜单栏中的“滤镜”“艺术效果”“木刻”命令，弹出“木刻”对话框，设置的参数及产生的效果如图02所示。
5、按住“Ctrl”键，单击“通道”面板中的“Alpha1”通道，将其作为选区载入，
6、按“Ctrl+~”键，返回到RGB颜色模式显示状态，然后在图层面板中新建图层1，并将其填充黑色。
7、按“Shift+Ctrl+I”键，将选择区域反选，然后新建图层2。
8、将工具箱中的前景色设置为灰褐色C40，M40，Y60，然后按“Alt+Backspace”键，为选择区域填充设置的前景色。
9、按“Ctrl+D”键去除选择区域，然后将图层1设置为当前层。
10、选择菜单栏中的“图层”“图层样式”“混合选项”命令，弹出“图层样式”对话框，设置的参数如图03-05所示。
11、将图层2设置为当前层，选择菜单栏中的“图层”“图层样式”“混合选项”命令，弹出“图层样式”对话框，设置的参数如图06-09所示。
12、产生的效果如图10所示。
气动光学效应仿真系统设计与实现 篇4
关键词：气动光学;仿真软件;任务编制;模块化;可扩展性
中图分类号：TP311.5 文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2014）05-0041-05
0 引 言
高超声速飞行器是当今世界各国的研究热点之一。当飞行器在大气层中高速飞行时，会产生剧烈的气动光学效应，严重影响光学成像过程，是高超声速飞行器光学成像探测必须解决的瓶颈问题。
到目前为止，国内外很多研究机构已对气动光学效应机理及其校正方法开展了大量的研究工作，也报道了一些研究成果。这些研究包括气动光学效应机理[1]、测试试验[2-3]、数值模拟[4-5]和退化图像校正[6-7]等方面。
在此基础上，以美国为代表的西方国家对气动光学效应的研究，己开始向工程应用方向发展。如美国TeledyneBrownEngineering公司[8]、HIPEC
评估中心以及Lockheed公司等研究机构分别研制了AOQCode、DNAOS[9]等气动光学效应仿真软件，用于对高超声速飞行器的气动光学效应进行仿真分析和探测性能预测，并已经在相关型号的武器研制中发挥了重要作用。
国内对气动光学效应也开展了相关的研究工作，在气动光传输[10]、气动热辐射[11]、气动加热[12]、退化质量评估[13]等方面取得了一定的研究进展。但是到目前为止，还没有出现实用化的、能够对气动光学效应全过程进行完整仿真和分析的系统平台。在实际的工程应用中，用户难以真正系统、全面地考虑气动光学效应对成像探测带来的影响问题。
本文在当前理论研究的基础上，设计并开发了一套气动光学仿真系统。该系统能够对高超声速绕流、流场与头罩气动热耦合、流场和光学头罩的气动光传输、流场和光学头罩的气动热辐射、光学探测系统成像等进行全过程数值模拟和仿真分析，并能够对气动光学效应引起的像质退化进行评估和分析，能够为气动光学效应仿真理论研究和工程应用提供完整的解决方案。
1 系统总体设计方案
对气动光学效应的研究结果表明，气动光学效应主要包括：高超声速绕流引起的流场光传输效应、流场高温气体分子的热辐射效应、光学头罩温度的升高和应力应变引起的头罩光传输效应、光学头罩热辐射效应等[14]。因此，气动光学效应仿真的研究内容可划分为六部分，如图1所示。
这六部分涵盖了气动光学效应影响的全过程。通过仿真，可以得到气动光学效应给红外图像所带来的“抖动”、“模糊”、以及强烈的“热背景干扰”等影响，并以相关指标对上述影响进行定量的分析。
针对上述需求，图2给出了系统的总体设计方案。
气动光学仿真系统被划分为“仿真参数”，“仿真计算”，“数据库”三部分。
“数据库”部分负责仿真系统的数据存储与管理，其存储了仿真过程所需的全部参数，计算模块的配置信息，系统平台的配置信息以及仿真过程中所生成的中间结果。
“仿真参数”部分为用户提供了配置参数的接口，用户可以通过该部分的模块完成特定参数的选择、修改、添加以及删除。用户所进行的所有设定都会同步至数据库进行保存。仿真参数主要包括如下内容：
（1）目标图像：用于仿真的原始图像，最后会将气动光学效应作用在此图像上，进而得到退化结果。
（2）头罩材料参数：飞行器光学头罩材料相关参数，如比热容、折射率等。
（3）飞行弹道参数：描述飞行器飞行的轨迹。
（4）大气物理模型：提供数值模拟时所采用的大气模型，根据相关模型计算大气的温度、压强等参数。
（5）头罩结构参数：头罩结构的约束参数，通过这些参数可以完成头罩几何结构的建模。
“仿真计算”部分负责完成气动光学仿真系统的仿真计算任务，采用基于模块化的思想进行设计，主要包括以下模块：
（1）网格建模：根据具体的头罩结构参数以及网格建模要求，实现对仿真对象的自动网格建模，并将建模结果数据保存在相应文件中。
（2）流固耦合数值模拟：以“头罩材料参数”、“飞行弹道参数”、“大气物理模型”和网格建模结果为输入参数，完成流场CFD数值模拟与流场-头罩气动热耦合分析，模拟飞行时头罩本身以及周围流场的温度、压力、密度等状态量的分布并保
（3）流场光线追迹：根据流场密度的数值模拟仿真结果，计算流场密度与折射率分布，并对光线在流场中的传输过程进行仿真计算，获得流场出射光线的波前畸变，完成对流场光传输效应分析。
（4）流场热辐射计算：根据流场的数值模拟结果、大气物理模型以及气体分子光谱辐射的相关理论，对高温绕流场中的气体辐射进行仿真计算，获得流场的热辐射分布及辐射出射，完成对流场热辐射效应分析。
（5）头罩结构及折射率变化分析：根据流固耦合数值模拟的结果，导出头罩的温度分布数据，求出头罩内部的应力应变分布数据。
（6）头罩光线追迹：首先根据头罩温度和应力应变的数值模拟结果，计算头罩折射率分布数据，然后计算由于头罩折射率分布不均匀带来的光波前畸变，完成对头罩光传输效应的分析。
（7）头罩热辐射计算：根据头罩温度和应力应变的数值模拟结果，对被严重加热头罩的热辐射情况进行计算，通过求解辐射传输方程获得头罩内表面的热辐射出射分布，完成对头罩热辐射效应的分析。
（8）光学成像仿真：综合前述流场光传输、流场热辐射、头罩光传输和头罩热辐射的仿真结果，根据成像理论，对目标图像进行成像仿真，得出退化的图像结果。
（9）图像退化评估：通过对退化图像与原始目标图像的对比分析，对图像信噪比、对比度、制导精度、失真程度等指标进行评估，为后续的目标识别、跟踪与制导提供依据。
2 系统的软件实现
2.1 系统实现技术方案
系统实现方案如图3所示。系统全部模块插件以DLL形式封装，并提供标准规范接口嵌入气动光学仿真系统平台中。系统内嵌了ANSYS平台，ANSYS提供给用户丰富的二次开发接口，系统能够根据仿真相关参数自动生成符合其规范的命令流，然后调用ANSYS自动读取命令流来实现所需功能。
2.2 系统平台类建模
本文采用UML语言对软件平台进行建模，模型符合UML标准规范[15]，系统平台类模型设计如图4所示。
主要类的功能如下：
（1）CApp/CView/CMainFrame/CDoc：MFC基本框架类，分别管理程序运行实例、程序视窗、程序数据。
（2）DataBase类：程序与数据库的交互模块，其中定义了相关状态变量以及数据库指针，方便数据库随时访问;对程序所需的数据库操作进行了封装，规范了数据库接口;同时也方便该接口在模块中进行复用。
（3）SetUp类：该类完成软件关于配置的相关操作以及维护与其相关的变量，通过该类的实例可以完成对软件的配置操作。
（4）Save&Read类：软件可以对当前执行的仿真工程进行保存和对已保存的工程进行读取，该类封装了此功能相应操作及变量。
（5）QdList类：软件左侧模块名称列表窗口，该列表列出当前可用功能插件。
（6）DataWnd/InfoWnd/OutputWnd类：软件数据显示窗口、信息显示窗口、状态显示窗口，此三个窗口对软件的状态进行实时显示。
（7）RunSim类：仿真操作窗口，控制仿真任务的起停，显示仿真任务状态。
（8）DLLOperation类：接口类，封装了软件平台对DLL的所有操作。
（9）SelfDefine类：抽象类，代表软件中自定义的相关数据结构。
（10）DataManage类：维护软件正常运行所需的相关变量，封装了访问、修改这些变量的操作。
（11）Module类：模块管理类，封装了添加模块、删除模块相关操作，以及模块数量等相关状态变量，用于实现模块的可扩展，支持用户自主构建模块。
2.3 功能插件类建模
功能插件类模型设计如图5所示。
StandModel接口类定义了与插件交互所需要的接口函数，平台通过这些函数接口来使用封装在插件内的仿真运算功能、UI接口、图标等资源。为了使插件功能完整而又独立于系统平台，插件还具备以下重要组成部分：
（1）SetUpDlg类：该类实现了插件的参数配置窗口，通过此窗口对插件所需要的参数进行配置;配置完成后，该类调用DataBase类将配置信息存入数据库。
（2）RunDlg类：该类封装了插件的仿真运算功能，并且实现了一个运行窗口来显示仿真运行的状态。仿真运行之前，该类会通过DataBase类读取数据库中的配置参数以及相关输入参数，完成初始化工作后，进行仿真运算。
（3）DataPreProcess类为数据预处理类，在利用有限元数据进行数值仿真的功能插件中，该类完成数据预处理功能，提供了对有限元数据的快速访问机制，和对不同格式有限元数据的访问功能，保证了运算准确性以及运算效率。Element为实现该类所需要的数据结构。
图6给出了系统所采用的“平台+插件”架构的组件图。
StandModel为虚类，所有模块组件必须继承此类并实现该类，才能加入到平台中被平台调用，而每个组件的接口实现不同，因此其功能相互独立。
系统架构中的接口规范对外开放，用户只需要继承StandModel接口，并在新加入的组件中实现接口中的函数，然后将模块添加至平台即可实现对系统功能模块的自主定制。 3 仿真示例
基于以上设计方案开发的气动光学效应仿真系统，采用通用的用户操作界面，符合用户使用习惯，易于操作。图7给出了一个已经完成气动光学效应仿真任务编排的界面图。
图中左侧列表对已经添加的模块进行实时显示，工具栏上具有模块配置按钮，可以随时添加，卸载模块;创建仿真任务时，只需从左侧列表中将相关模块拖入到中间窗口即可创建相应模块，模块之间采用鼠标连线的操作方式进行编排。系统提供数据源模块和数据中间存储模块，使得仿真任务可以从任意阶段开始，提高了系统使用的灵活性。此外系统还提供任务状态、数据实时显示等辅助功能。
图8和图9分别给出了两组不同条件下的图像仿真结果。相应的退化质量评估结果如表1、表2所示。
图8为飞行速度Ma=3，飞行高度20km，攻角0度下的仿真结果，（a）为未经气动光学效应作用的原始图像，（b）右图为气动光学效应作用下的结果图像。图9为飞行速度Ma=5，飞行高度10 km，攻角53°下的仿真结果。图8～9均为球形头罩成像结果，在成像过程中，首先利用流场和头罩光线追迹的计算结果，得出与光传输效应等效的PSF，并与图像做卷积，得出在光传输效应影响下的图像，再将流场与头罩的热辐射计算结果进行量化并转换成灰度分布，叠加至图像上。从图中可以看到，飞行条件越苛刻，气动光学效应越严重。
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