本书作为工程仿真创新设计大赛推动关键共性技术创新的成果之一，也是仿真秀平台打造跨行业跨领域的工业品解决方案“资源池”的一部分。本书将工程仿真大赛的优秀作品进行整理，以便形成可用于行业间技术转移的解决方案，技术涵盖工业设备、车辆、航空航天与国防、能源、土木建筑、生命科学等九个行业大类。
本书收录和整理了工程仿真应用的案例，共46 个共性技术解决方案，包括车辆应用、航空航天应用、地质土建应用、工艺应用、能源动力应用等领域。详细阐述了技术路线、软件实现手段，以图文并茂的形式，将项目成果转化为可转移的技术方案。
本书涉及领域丰富，技术路线清晰，适用于以数字化、智能化、绿色化为方向的设计、研发、生产相关的工程技术人员，以及理工科院校的教师、研究生、高年级本科生。

北京赋智工创科技有限公司技术创新中心是北京赋智工创科技有限公司的技术核心部门，主要进行仿真技术创新应用方面的研究以及仿真创新赛事的举办。中心拥有数名经验丰富的工程师，在结构、流体、电磁、多物理场等仿真领域具备专业的技术能力。在赛事方面，其承办的“一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛-工程仿真创新设计赛项”已连续举办两届，在业界有良好的口碑和广泛影响力。

第一篇 车俩应用篇 001
案例1　车身多学科性能集成优化 002
1.1　引言 002
1.2　技术路线 002
1.3　技术手段 003
1.3.1　参数化车身建模 003
1.3.2　基于参数化模型的多学科仿真优化平台 005
1.3.3　车身多学科性能集成优化 006
1.4　结果分析 007
1.5　项目意义 007

案例2　基于多学科的某型轻混商用车车架轻量化仿真分析 008
2.1　引言 008
2.2　技术路线介绍 009
2.2.1　VPG 技术应用 009
2.2.2　尺寸与形状联合优化技术 010
2.2.3　超单元、复合材料在尾横梁的应用 010
2.2.4　多学科联合仿真校核 011
2.3　轻量化优化设计 012
2.3.1　车架有限元模型建立 012
2.3.2　基础方案与轻量化优化方案对比 012
2.3.3　弯扭模性能 013
2.3.4　疲劳耐久性能 014
2.4　总结 014
参考文献 015

案例3　AI 技术实现新能源电池包公差仿真分析 016
3.1　工程问题描述 016
3.2　分析流程 017
3.2.1　公差仿真的基本假设 017
3.2.2　三维公差仿真建模流程介绍 017
3.2.3　电池包上下壳建模过程描述 018
3.3　特色与优势 022

案例4　发动机活塞热疲劳数值模拟研究 023
4.1　引言 023
4.2　技术路线 023
4.3　仿真计算 024
4.4　结果分析 025
参考文献 026

案例5　分布式电动汽车控制策略研究 027
5.1　设计流程 027
5.2　CarSim 整车配置 027
5.2.1　CarSim 整车参数配置 027
5.2.2　Simulink 和CarSim 联合仿真模型搭建 027
5.3　Simulink 建模 028
5.3.1　信号处理 028
5.3.2　车辆状态估计 028
5.3.3　Dugoff 轮胎模型 030
5.3.4　控制目标期望值 031
5.3.5　模糊控制器的设计 031
5.3.6　附加转矩分配 032
5.4　控制策略仿真及其分析 033
参考文献 034

案例6　排气歧管热应力仿真分析 035
6.1　引言 035
6.2　技术路线 035
6.2.1　模型简化原则 035
6.2.2　计算方法 036
6.2.3　拟解决的问题 036
6.3　仿真计算 036
6.3.1　物理模型 036
6.3.2　计算过程 036
6.4　结果分析 038
6.4.1　结果展示 038
6.4.2　结论 039
参考文献 039

案例7　赛车摇臂仿真与优化 040
7.1　引言 040
7.2　技术路线 040
7.2.1　初步建模 040
7.2.2　装配 040
7.3　仿真分析与优化 041
7.3.1　材料选择 041
7.3.2　预处理 041
7.3.3　载荷步和边界条件的施加 041
7.3.4　仿真结果（两种材料对比） 042
7.3.5　静力学拓扑优化 042
7.3.6　动力学拓扑优化 043
7.4　总结 043


第二篇 航空航天应用篇 044
案例8　第四代多用途协同空战无人机——飞将 045
8.1　引言 045
8.2　设计流程 045
8.3　设计创新点 047
8.4　设计方案 048
8.4.1　作战构型 048
8.4.2　前体设计 049
8.4.3　涡流迹分析和边条设计 051
8.4.4　起落架设计和总体布置 052
8.4.5　前三点式起落架配置形式及参数选择 052
8.4.6　起落架布置方案 053
参考文献 055

案例9　X 语言及其建模仿真系统 056
9.1　X 语言的研发背景 056
9.2　X 语言 058
9.3　案例 061
9.3.1　模型背景 061
9.3.2　模型建立 061
9.3.3　模型解析与仿真 062

案例10　基于数字孪生的飞机机翼强度预测系统开发 064
10.1　引言 064
10.2　技术路线 064
10.3　仿真计算 065
10.3.1　FEM 模型创建 065
10.3.2　载荷取样 065
10.3.3　载荷识别 066
10.3.4　FEM 模型降阶 066
10.3.5　预测系统 067
10.4　结果分析 068
10.5　成果应用 068
参考文献 068

案例11　基于自主创新主题的C919 融合式翼梢小翼的减阻优化设计 069
11.1　引言 069
11.2　技术路线 070
11.3　仿真计算 070
11.3.1　模型构建 070
11.3.2　主要参数设置 071
11.3.3　主要操作设置 071
11.4　结果分析 072

案例12　低排放燃气轮机燃烧室燃烧流场及结构应力仿真 074
12.1　引言 074
12.2　模型燃烧室设计特点及结构介绍 075
12.3　模型燃烧室大涡模拟数值研究 076
参考文献 077

案例13　航空发动机叶片外物损伤模拟研究 078
13.1　研究背景 078
13.2　J-C 模型的建立及校核 078
13.2.1　模型参数有限元验证——准静态拉伸 079
13.2.2　模型参数有限元验证——动态霍普金森压杆压缩 080
13.3　模拟件外物冲击损伤模拟验证 081
13.4　发动机叶片外物冲击损伤模拟 085
13.5　研究总结 086
参考文献 087

案例14　低温下主镜支撑平台微小变形分析 088
14.1　引言 088
14.2　技术路线 088
14.3　仿真计算 089
14.4　结果分析 093

案例15　运载火箭整流罩分离系统动力学特性仿真分析 094
15.1　引言 094
15.1.1　火箭整流罩的功能与分离方式 094
15.1.2　火箭整流罩分离失败案例 095
15.1.3　火箭整流罩分离国内外研究现状 095
15.2　技术路线 096
15.2.1　火箭整流罩分离设计目标 096
15.2.2　三维模型建立 096
15.3　仿真计算思路 097
15.4　结果分析 098
15.4.1　分离过程 098
15.4.2　分离速度、角速度 098
15.4.3　整流罩呼吸运动 099
15.4.4　聚能射流切割效果影响因素探讨及药形罩优化设计 099
15.4.5　作动器工作过程仿真 100
15.4.6　分离时序优化设计 101
参考文献 101

案例16　火星探测车车轮结构强度、疲劳及振动特性分析 102
16.1　引言 102
16.2　技术路线 103
16.3　数值仿真计算 103
16.3.1　数值计算前处理 103
16.3.2　力学数值分析 105
16.3.3　数值后处理 107
16.4　结论 110
参考文献 111

案例17　配平翼展开过程动力学分析及冲击响应 112
17.1　引言 112
17.2　技术路线 113
17.2.1　机械设计 113
17.2.2　理论模型 114
17.3　仿真计算 117
17.3.1　有限元模型建立 117
17.3.2　仿真计算流程 117
17.4　结果分析 118
17.4.1　仿真结果验证 118
17.4.2　背罩影响分析 119
17.5　结论 121
参考文献 121

案例18　返回式航天装备水域回收系统仿真预示 122
18.1　引言 122
18.2　技术路线 123
18.2.1　基本理论 123
18.2.2　仿真模型建立 124
18.2.3　计算模型及边界条件 124
18.2.4　流体材料和状态方程 125
18.3　结果分析 125
18.3.1　流体压力静平衡 125
18.3.2　气囊及航天器结构体的入水过程 126
18.3.3　流体与气囊的相互作用 128
18.4　结论 129
参考文献 130


第三篇 地质土建应用篇 131
案例19　大跨度膜结构风载体型优化和流固耦合分析 132
19.1　引言 132
19.2　技术路线 133
19.2.1　设计全过程仿真应用 133
19.2.2　风载体型优化 134
19.2.3　结构仿真模型 134
19.2.4　流固耦合分析 136
19.3　仿真计算 136
19.3.1　有限元建模 136
19.3.2　流体建模 136
19.3.3　流固耦合设置 137
19.4　结果分析 138
19.4.1　气弹性试验对比 138
19.4.2　实际工程应用 140
参考文献 141

案例20　自复位摩擦阻尼器数值试验及工程应用 142
20.1　引言 142
20.1.1　研究背景 142
20.1.2　自复位摩擦阻尼器简介 142
20.2　自复位摩擦阻尼器数值仿真 142
20.2.1　模型建立 142
20.2.2　仿真试验 143
20.2.3　阻尼器仿真结果与阻尼器-摩擦弹簧连接单元对比 144
20.3　工程应用数值仿真 145
20.3.1　工程应用模型 145
20.3.2　结构抗震性能 146
20.4　结论 147

案例21　高层建筑施工高坠柔性综合防控系统仿真分析 148
21.1　引言 148
21.1.1　施工高坠事故 148
21.1.2　柔性防护技术 149
21.2　技术路线 149
21.2.1　系统设想 149
21.2.2　技术难点 151
21.2.3　解决方案 151
21.3　仿真计算 154
21.4　结果分析 155
参考文献 157

案例22　基于山体滑坡防灾减灾主题的“复兴号”列车线路选址问题 158
22.1　引言 158
22.2　项目背景 159
22.3　技术路线 159
22.3.1　设计思路 159
22.3.2　关键技术 159
22.4　仿真计算 160
22.4.1　三维建模 160
22.4.2　操作步骤 160
22.5　结果分析 161
22.5.1　山体滑坡运动特征 161
22.5.2　涌浪运动特征 162
22.6　工程意义 162
参考文献 163

案例23　川藏铁路沿线高位远程地质灾害综合柔性防护技术 164
23.1　引言 164
23.2　方案提出 166
23.2.1　工况介绍 166
23.2.2　防护思路 166
23.3　仿真技术 167
23.3.1　关键单元 167
23.3.2　非线性接触 168
23.4　结果分析 168
参考文献 170

案例24　基于三维地质建模的公路桥梁岸坡全寿命周期稳定性研究 171
24.1　问题的发现 171
24.2　三维模型构建技术 172
24.3　全寿命周期稳定性分析思路 173
24.3.1　桥梁岸坡全寿命周期各分析阶段划分 173
24.3.2　桥梁岸坡全寿命稳定性分析 173
24.4　方法的应用延伸 174
24.4.1　弃渣场边坡稳定性分析 174
24.4.2　基于倾斜摄影三维地质建模的崩塌防治设计 175
参考文献 177

案例25　海底围岩高压水压裂微细观裂隙演化研究 178
25.1　引言 178
25.2　海底围岩SEM 扫描图像处理 178
25.3　基于Cohesive 单元的水力裂隙扩展模拟 180
25.3.1　流体流动方程 180
25.3.2　压裂液流动方程 180
25.3.3　压裂滤失方程 181
25.3.4　模拟参数 181
25.3.5　模拟方案 181
25.3.6　仿真过程 181
25.4　结果与讨论 182
25.4.1　模拟结果与实验结果对比 182
25.4.2　裂隙网络发育特征 182
25.4.3　后期应用前景 183
参考文献 184

案例26　远距离保护层开采覆岩应力演化规律研究 185
26.1　引言 185
26.2　主要研究内容和技术路线 186
26.2.1　主要研究内容 186
26.2.2　技术路线 186
26.3　模型的建立及计算 186
26.3.1　数值模型的建立及参数选取 186
26.3.2　初始化地应力 188
26.4　结果分析 189
26.4.1　丁组戊组煤层开采数值模拟 189
26.4.2　己组煤层开采数值模拟 191
26.4.3　戊9，10-21070 开采数值模拟 193

案例27　多矿物组分页岩水压裂缝扩展仿真及分析 196
27.1　研究背景 196
27.1.1　研究非均质性的必要性 196
27.1.2　操作工具 196
27.2　水力压裂流固耦合模型及参数反演 196
27.2.1　水力压裂流固耦合模型 196
27.2.2　矿物界面双线性内聚力模型 197
27.3　页岩水力压裂建模流程及参数 198
27.3.1　几何模型边界条件及模型参数 198
27.3.2　具体操作流程 199
27.4　矿物界面刚度对页岩水力压裂的影响 201
27.4.1　不同矿物界面刚度下裂缝形态 201
27.4.2　不同矿物界面刚度下应力场特征 202
27.4.3　不同矿物界面刚度下位移场特征 202
27.5　矿物界面刚度对页岩水力裂纹扩展规律的影响 203
27.6　主要结论 204
参考文献 204

案例28　基于CFD-DEM 耦合的大尺度隧道断层破碎带突水突泥模拟方法 205
28.1　引言 205
28.2　技术路线 205
28.3　仿真计算 206
28.3.1　SolidWorks 的建模与保存 206
28.3.2　网格划分与流体域设置 206
28.3.3　EDEM 设置 208
28.3.4　EDEM-CFD 单向耦合设置 213
28.4　结果分析 213
参考文献 214

案例29　连续充填开采覆岩矿压显现数值模拟研究 215
29.1　引言 215
29.2　技术路线 215
29.3　仿真计算 216
29.4　结果分析 218
29.4.1　静态结构分析 218
29.4.2　Y 轴位移分析 218
29.4.3　Y 轴应力云图分析 219
29.4.4　X 轴应力云图分析 219
29.4.5　接触应力分析 220
29.4.6　等效应力分析 220
29.4.7　弹性应变云图分析 222
29.5　结论 222
参考文献 223

案例30　地面应急救援车载钻机钻架力学行为研究及改进初探 224
30.1　引言 224
30.2　技术路线 224
30.3　仿真计算 224
30.4　结果分析 227
30.4.1　静态结构分析 227
30.4.2　预应力模态分析 228
30.4.3　静态改进结构分析 229
30.5　结论 229
参考文献 229


第四篇 工艺应用篇 230
案例31　疲劳失效多尺度仿真研究 231
31.1　引言 231
31.2　技术路线 231
31.3　仿真计算 232
31.3.1　宏观疲劳试验仿真 232
31.3.2　微观疲劳裂纹萌生仿真 234
31.4　结果分析 236

案例32　纪念币压印成形仿真软件开发 238
32.1　软件开发背景和定位 238
32.1.1　研究背景和意义 238
32.1.2　国内外现状 239
32.2　方案设计和技术路线 239
32.2.1　技术路线 239
32.2.2　设计方案 240
32.2.3　求解器模块 240
32.2.4　软件系统主界面 240
32.3　仿真计算 241
32.3.1　坯饼参数设置 241
32.3.2　有限元模型的建立 241
32.3.3　坯饼的材料 241
32.3.4　仿真工艺参数设置 242
32.4　结果分析 242
32.4.1　应力分布 242
32.4.2　材料流动 242
32.4.3　时间效率对比 243
参考文献 243

案例33　蛇形同步协同轧制高锰钢板工艺与装备研究 244
33.1　引言 244
33.2　建立轧制过程工艺模型 244
33.2.1　仿真方案 244
33.2.2　蛇形轧制与同步轧制咬入条件 245
33.2.3　材料属性和边界条件 246
33.2.4　工艺参数和仿真模型 246
33.3　仿真结果分析 247
33.3.1　不同厚度高锰钢板蛇形轧制与同步轧制对比 247
33.3.2　不同辊速比和错位量下蛇形轧制渗透性对比 248
33.3.3　同步轧制修正板形 249
33.4　蛇形同步协同轧制工业装备与工艺设计 249
33.5　结论 250
参考文献 251

案例34　AZ31 镁合金管材绕弯成形工艺数值仿真 252
34.1　研究背景与意义 252
34.2　有限元建模过程 253
34.3　仿真结果分析 254
34.3.1　Mises 应力分析 254
34.3.2　等效应变塑性分布 255
34.3.3　管材壁厚分布 255
34.4　结论 256
参考文献 256

案例35　煤烃合成气直接制高值化学品过程中旋风分离器的模拟 257
35.1　引言 257
35.2　旋风分离器的结构 257
35.2.1　旋风分离器的优点 258
35.2.2　旋风分离器的不足之处 258
35.2.3　旋风分离器原理 258
35.3　模型构建 259
35.4　数值模拟 259
35.4.1　背景方法 259
35.4.2　颗粒分布 259
35.4.3　气相场性能条件设置 260
35.4.4　分析结果 261
35.5　结论 262
参考文献 262


第五篇 能源动力应用篇 263
案例36　微通道换热器扁管优化设计 264
36.1　引言 264
36.2　技术路线 265
36.3　仿真计算 265
36.3.1　材料参数 265
36.3.2　网格划分 265
36.3.3　载荷及边界约束 266
36.3.4　原结构分析结果 266
36.4　优化分析 267
36.4.1　参数设置 267
36.4.2　优化变量 267
36.4.3　优化目标 267
36.4.4　优化约束 267
36.4.5　优化算法 268
36.4.6　优化结果 268
参考文献 269

案例37　纵向波纹圆柱壳的屈曲分析 270
37.1　引言 270
37.1.1　海洋开发与深潜器发展现状 270
37.1.2　潜艇耐压壳简介 270
37.2　圆柱壳屈曲分析技术路线 271
37.3　圆柱壳几何模型设计 271
37.4　计算条件分析 272
37.4.1　边界条件分析 272
37.4.2　有限元计算方法选择 272
37.5　仿真计算 272
37.5.1　耐压壳几何建模 272
37.5.2　网格划分 272
37.5.3　边界条件 272
37.6　结果分析 273
37.6.1　理论解对比 273
37.6.2　屈曲结果分析 273

案例38　分布式草原公路用风力发电机整机结构强度、疲劳及振动特性分析 275
38.1　引言 275
38.2　技术路线 276
38.3　仿真计算 276
38.3.1　前处理 276
38.3.2　计算 277
38.3.3　后处理 280
38.4　结果分析 282
38.4.1　各部件静力学分析 282
38.4.2　各部件模态分析 284
38.4.3　研究总结 285
参考文献 285

案例39　树脂基复合材料风扇叶片结构铺层优化设计 286
39.1　项目背景 286
39.2　技术路线 286
39.3　仿真与分析 287
39.3.1　建模方法验证 287
39.3.2　复合材料风扇叶片建模仿真与分析 289
39.3.3　材料风扇叶片结构优化 292
参考文献 292

案例40　高效低阻低成本印制电路板式换热器 294
40.1　引言 294
40.2　技术路线 296
40.3　仿真分析 298
40.4　结论 300
参考文献 300

案例41　基于格子玻尔兹曼方法的流体仿真软件（FlowJSU）面向燃料电池水热管理优化 301
41.1　引言 301
41.2　技术路线 302
41.3　仿真计算 302
41.3.1　控制方程 302
41.3.2　边界条件 303
41.4　结果分析 303
41.4.1　模型验证 303
41.4.2　燃料电池双极板流道排水性能优化 303
41.4.3　燃料电池气体扩散层水管理优化 304
41.4.4　低温环境下燃料电池气体扩散层热管理优化 304

案例42　受限空间内燃料燃烧减阻特性数值仿真研究 306
42.1　引言 306
42.2　技术路线 307
42.2.1　设计思路 307
42.2.2　技术方案 307
42.3　仿真计算 308
42.3.1　数值模拟方法的验证 308
42.3.2　带有后向台阶的二维等直冲压流道数值模拟 309
42.3.3　超燃冲压发动机数值模拟方法/网格无关性校验 309
42.4　结果分析 310
42.4.1　带有后向台阶的二维等直冲压流道数值模拟 310
42.4.2　不同来流状态下受限空间内燃料燃烧减阻规律研究 312
42.4.3　三维超燃冲压发动机模型仿真结果 313
参考文献 315

案例43　双碳赋能流态化智能开采 316
43.1　数值方法 316
43.2　研究思路 316
43.3　数值模拟流程 317
43.4　数值仿真结果 317
43.5　工况参数优化 318

案例44　池壁效应对水平轴潮流涡轮水动力性能的影响分析 319
44.1　引言 319
44.2　技术路线 320
44.3　仿真计算 320
44.3.1　边界条件与网格划分 320
44.3.2　仿真操作步骤 321
44.3.3　模型试验 324
44.4　结果分析 324
44.4.1　数值仿真方法验证 324
44.4.2　池壁效应对潮流涡轮水动力性能的影响 324
44.4.3　池壁效应的修正 327
44.4.4　池壁效应对潮流涡轮流场影响分析 327
44.5　结论 331
参考文献 331


第六篇 其他篇 332
案例45　基于AnyBody 仿真技术探究膝关节的生物力学特征 333
45.1　引言 333
45.2　技术路线 334
45.3　仿真计算 334
45.4　结果分析 335
45.4.1　运动学分析 335
45.4.2　动力学分析 336
45.4.3　运动模式分析 337
参考文献 337

案例46　液舱晃荡及浮板制荡机构分析 338
46.1　研究现状 338
46.2　技术路线 338
46.2.1　理论依据 338
46.2.2　模型调试 339
46.2.3　模型验证 339
46.3　仿真计算 340
46.4　结果分析 341
46.4.1　液舱晃荡的共振现象 341
46.4.2　浮动挡板的制荡效果 341
参考文献 344