多學(xué)科系統(tǒng)級(jí)虛擬樣機(jī)建模與仿真技術(shù)

1、多學(xué)科系統(tǒng)級(jí)虛擬樣機(jī)建模與仿真技術(shù)作者：PRC技術(shù)部 文章來(lái)源：MSC.Software 點(diǎn)擊數(shù)： 1043 更新時(shí)間：2006-4-20 11:16:46 本文從當(dāng)前產(chǎn)品品設(shè)計(jì)過(guò)程對(duì)對(duì)多學(xué)科聯(lián)合合仿真的需求求出發(fā)，分析析了產(chǎn)品協(xié)同同設(shè)計(jì)對(duì)仿真真技術(shù)三個(gè)層層次的功能需需求，并引出出當(dāng)前實(shí)現(xiàn)多多學(xué)科集成仿仿真的一般方方法。多學(xué)科科聯(lián)合仿真需需要控制、機(jī)機(jī)構(gòu)、有限元元等不同仿真真環(huán)境的集成成和數(shù)據(jù)交換換，MSC.Softwware提供供最為系統(tǒng)和和完整的多學(xué)學(xué)科協(xié)同仿真真開(kāi)發(fā)環(huán)境，本本文詳細(xì)介紹紹了MSC.Softwware多學(xué)學(xué)科系統(tǒng)級(jí)虛虛擬樣機(jī)建模模和仿真的解解決方案，并并給出了具體體的實(shí)例。

2、相關(guān)列表 HYPERLINK /Article/soft/cae/Index.html hhttp:/www.SciEII.com/Articcle/sooft/caae/Inddex.httml 1多學(xué)科聯(lián)合合仿真的需求求眾所周知，現(xiàn)代代產(chǎn)品的研發(fā)發(fā)流程是多人人團(tuán)隊(duì)、多學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的協(xié)協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程程。在產(chǎn)品開(kāi)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，無(wú)無(wú)論是系統(tǒng)級(jí)級(jí)的方案原理理設(shè)計(jì)，還是是部件級(jí)的詳詳細(xì)參數(shù)規(guī)格格設(shè)計(jì)，都涉涉及到多個(gè)不不同的子系統(tǒng)統(tǒng)和相關(guān)學(xué)科科領(lǐng)域，這些些子系統(tǒng)都有有自己特定的的功能和獨(dú)特特的設(shè)計(jì)方法法，而各子系系統(tǒng)之間則具具有交互耦合合作用，共同同組成完整的的功能系統(tǒng)。圖1 現(xiàn)代產(chǎn)產(chǎn)品過(guò)程涉及及多個(gè)子系統(tǒng)

3、統(tǒng)和相關(guān)學(xué)科科領(lǐng)域如何有效的協(xié)調(diào)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的的工作，讓團(tuán)團(tuán)隊(duì)之間達(dá)到到信息共享、互互通有無(wú)，并并保證子系統(tǒng)統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量量和整體性能能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品品設(shè)計(jì)真正的的一體化和協(xié)協(xié)同化，從而而提高設(shè)計(jì)效效率，節(jié)省設(shè)設(shè)計(jì)成本，縮縮短開(kāi)發(fā)周期期，這是一個(gè)個(gè)非常重要的的問(wèn)題。為了達(dá)到上述目目標(biāo)，我們必必須滿足以下下三個(gè)層次的的需求：第一，具備各子子系統(tǒng)和各學(xué)學(xué)科領(lǐng)域有效效的集成仿真真工具，從而而保證各子系系統(tǒng)的設(shè)計(jì)水水準(zhǔn)和可靠性性；圖2 各學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的不不同設(shè)計(jì)工具具第二，能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)各仿真工具具之間的無(wú)縫縫集成和數(shù)據(jù)據(jù)交換，在統(tǒng)統(tǒng)一架構(gòu)下實(shí)實(shí)現(xiàn)模型整合合；第三，為了能夠夠協(xié)調(diào)和管理理各設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)隊(duì)，以

4、及在設(shè)設(shè)計(jì)過(guò)程中產(chǎn)產(chǎn)生的大量數(shù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)資資源優(yōu)化配置置，還必須具具有仿真數(shù)據(jù)據(jù)和流程的管管理平臺(tái)，實(shí)實(shí)現(xiàn)各學(xué)科領(lǐng)領(lǐng)域的真正協(xié)協(xié)同仿真。2多學(xué)科協(xié)同同仿真的一般般實(shí)現(xiàn)方法目前較為通用和和流行的實(shí)現(xiàn)現(xiàn)多學(xué)科集成成仿真的方法法主要包括以以下三種：2.1 聯(lián)合仿仿真式（Coo-Simuulatioon）聯(lián)合仿真式是目目前較為通用用，也是使用用最多的一種種數(shù)據(jù)交換方方式，其數(shù)據(jù)據(jù)交換原理如如圖3所示，兩兩個(gè)不同仿真真工具之間通通過(guò)TCP/IP等方式式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交交換和調(diào)用。圖3 聯(lián)合合仿真式的基基本原理當(dāng)兩個(gè)不同仿真真工具之間通通過(guò)聯(lián)合仿真真方式建立連連接后，其中中一者所包含含的模型可以以將自己計(jì)算算的

5、結(jié)果作為為系統(tǒng)輸入指指令傳遞給另另一者所建立立的模型，這這種指令包括括力、力矩、驅(qū)驅(qū)動(dòng)等典型信信號(hào)，后者的的模型在該指指令的作用下下所產(chǎn)生的響響應(yīng)量，如位位移、速度、加加速度等，又又可以反饋給給前者的模型型，這樣，模模型信息和仿仿真數(shù)據(jù)就可可以在兩者之之間雙向傳遞遞。聯(lián)合仿真方式的的典型應(yīng)用有有：多體動(dòng)力力學(xué)與控制系系統(tǒng)（如車(chē)輛輛控制）、結(jié)結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)載載荷（如飛行行動(dòng)力學(xué)分析析），等等。這這是一種最為為容易建立和和實(shí)現(xiàn)的集成成仿真方式，具具有很強(qiáng)的普普適性，但局局限在于難以以處理剛性系系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)統(tǒng)資源占用較較多，某些情情況可能速度度較慢。2.2 模型轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換式（Moodel TTransffe

6、r）模型轉(zhuǎn)換式的原原理如圖4所所示。其主要要原理是將其其中一個(gè)工具具的模型轉(zhuǎn)化化為特定格式式的包含模型型信息的數(shù)據(jù)據(jù)文件，供另另一個(gè)工具中中的模型調(diào)用用，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)信息交互。典典型的數(shù)據(jù)格格式如用于剛剛彈耦合分析析的模態(tài)中性性文件（mnnf），在該該文件中包含含采用M、K、x和振型型矩陣表示的的彈性體信息息；用于控制制機(jī)構(gòu)一體化化仿真以及其其它仿真的動(dòng)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文文件（dlll），該文件件中包含采用用變量表示的的函數(shù)信息。圖4 模型轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)化式的基本本原理模型轉(zhuǎn)化式的典典型應(yīng)用有：控制、電液液與機(jī)構(gòu)一體體化仿真（如如飛機(jī)操縱面面），有限元元與多體機(jī)構(gòu)構(gòu)（如剛彈耦耦合機(jī)械系統(tǒng)統(tǒng)），等等。這這種方式的

7、特特點(diǎn)在于求解解速度快，對(duì)對(duì)系統(tǒng)資源占占用較少，穩(wěn)穩(wěn)定性好，并并且模型建立立后便于重復(fù)復(fù)使用，而局局限則在于需需要定義特定定數(shù)據(jù)格式的的文件，通用用性稍差。2.3 求解器器集成式（SSolverr Convvergennce）求解器集成式的的基本原理是是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不不同工具之間間的求解器代代碼集成，從從而實(shí)現(xiàn)在其其中一個(gè)仿真真環(huán)境中對(duì)另另一個(gè)仿真工工具的求解器器調(diào)用，如圖圖5所示。圖5 求解器器集成式的基基本原理求解器集成式的的典型應(yīng)用有有：帶有屈曲曲等材料非線線性問(wèn)題的大大型結(jié)構(gòu)模型型，帶有流固固耦合、沖擊擊等幾何非線線性問(wèn)題的大大型結(jié)構(gòu)問(wèn)題題，等等。這這種方式的優(yōu)優(yōu)勢(shì)在于可以以方便有效的的運(yùn)

8、用多種學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的求求解技術(shù)，便便于用戶直接接使用現(xiàn)有模模型，而局限限在于模型中中的某些因素素如單元類(lèi)型型、函數(shù)形式式等某些情況況下需要重新新定義，同時(shí)時(shí)軟件的開(kāi)發(fā)發(fā)和升級(jí)周期期較長(zhǎng)。3 HYPERLINK /ewk2004/companysearch.aspx?id=45 MSC.SSoftwaare多學(xué)科科協(xié)同仿真解解決方案針對(duì)多學(xué)科協(xié)同同仿真三個(gè)層層次的需求， HYPERLINK /ewk2004/companysearch.aspx?id=45 MSC.Software提供當(dāng)前最為系統(tǒng)和完整的解決方案。首先， HYPERLINK /ewk2004/companysearch.aspx?

9、id=45 MSC.Softwware提供供集成的VPPD建模仿真真環(huán)境MSCC.SimOOfficee。MSC.SimOfffice包包含一整套全全面的VPDD工具用于仿仿真系統(tǒng)的各各種性能，從從而高效的建建立各子系統(tǒng)統(tǒng)的模型，評(píng)評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能能。圖6 集成VPPD仿真環(huán)境境MSC.SSimOfffice其次，MSC.SimOfffice各各成員之間均均具有無(wú)縫集集成能力，可可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)據(jù)交換和模型型整合，建立立完整的一體體化虛擬樣機(jī)機(jī)；MSC.SimOfffice具具有悠久的開(kāi)開(kāi)發(fā)歷史，其其成員都是各各自領(lǐng)域居于于領(lǐng)先地位的的仿真工具，通通過(guò)了大量工工程項(xiàng)目的檢檢驗(yàn)，知識(shí)和和經(jīng)驗(yàn)的不斷斷積累

10、，具有有極強(qiáng)的可靠靠性與穩(wěn)定性性。目前MSSC.SimmOfficce各成員之之間可以方便便的通過(guò)不同同方式實(shí)現(xiàn)模模型數(shù)據(jù)交互互、求解器整整合和計(jì)算過(guò)過(guò)程協(xié)同，同同時(shí)MSC正正在積極的開(kāi)開(kāi)展工作，將將MSC.SSimOfffice各成成員移植和整整合到統(tǒng)一的的架構(gòu)之下，以以便用戶可以以在統(tǒng)一的界界面環(huán)境下完完成所有分析析工作。圖7 MSC.SimOfffice實(shí)實(shí)現(xiàn)完整功能能虛擬樣機(jī)再次，MSC.SimMaanagerr是強(qiáng)大的仿仿真流程與數(shù)數(shù)據(jù)管理平臺(tái)臺(tái)，為企業(yè)提提供協(xié)調(diào)和管管理設(shè)計(jì)人員員、仿真工具具，模型數(shù)據(jù)據(jù)的統(tǒng)一架構(gòu)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)資源源的優(yōu)化配置置和組合，提提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)發(fā)效率。3.1 MSC

11、C.SimOOfficee集成仿真方方式根據(jù)實(shí)現(xiàn)集成仿仿真的三種通通用方法各自自的優(yōu)勢(shì)和特特點(diǎn)，結(jié)合各各仿真工具自自身的特點(diǎn)和和用途，MSSC.SimmOfficce成員間通通過(guò)不同的方方式實(shí)現(xiàn)整合合。3.1.1 MMSC.EAASY5與MMSC.ADDAMS集成成方式目前MSC.EEASY5與與MSC.AADAMS兩兩者之間的集集成越來(lái)越緊緊密，集成的的方式也越來(lái)來(lái)越豐富。MMSC.EAASY5與MMSC.ADDAMS可以以通過(guò)聯(lián)合仿仿真式、模型型轉(zhuǎn)換式和求求解器集成式式三種方式進(jìn)進(jìn)行協(xié)同仿真真。* 聯(lián)合仿真式式由MSC.EEASY5和和MSC.AADAMS求求解器求解各各自的模型；在設(shè)定時(shí)

12、間步步進(jìn)行數(shù)據(jù)通通信。* 模型轉(zhuǎn)換式式（控制系統(tǒng)統(tǒng)導(dǎo)入）將MSC.EEASY5所所建立的控制制與多學(xué)科系系統(tǒng)導(dǎo)入MSSC.ADAAMS；MSC.EAASY5模型型作為一套GGSE方程加加入到MSCC.ADAMMS（dlll動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)庫(kù)形式引入）；MSC.ADDAMS求解解器積分計(jì)算算所有的模型型；在MSC.AADAMS中中對(duì)控制系統(tǒng)統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)評(píng)估，采用此此種方式，可可以在控制系系統(tǒng)預(yù)置參數(shù)數(shù)的情況下研研究整個(gè)模型型的性能，進(jìn)進(jìn)行統(tǒng)一的試試驗(yàn)設(shè)計(jì)和參參數(shù)優(yōu)化。* 求解器集成成式MSC.ADDAMS CC+求解器器集成于MSSC.EASSY5中，MMSC.EAASY5用戶戶可以直接調(diào)調(diào)用MSC.

13、ADAMSS的C+求求解器來(lái)計(jì)算算MSC.EEASY5的的模型；在MSC.EEASY5中中建模并仿真真；MSC.EAASY5會(huì)在在后臺(tái)直接調(diào)調(diào)用和運(yùn)行MMSC.ADDAMS CC+求解器器；仿真結(jié)束時(shí)會(huì)會(huì)自動(dòng)打開(kāi)MMSC.ADDAMS的后后處理器來(lái)查查看仿真結(jié)果果。圖8 MSCC.ADAMMS與MSCC.EASYY5實(shí)現(xiàn)機(jī)電電一體化仿真真3.1.2 MMSC.ADDAMS、MMSC.Naastrann、MSC.Fatiggue集成方方式這三者之間主要要通過(guò)模型轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換方式進(jìn)行行集成。* 由MSC.Nastrran對(duì)部件件進(jìn)行有限元元分析，生成成含有模態(tài)信信息的mnff文件；* 將mnf文文件導(dǎo)入

14、MSSC.ADAAMS中，創(chuàng)創(chuàng)建剛?cè)狁詈虾夏Ｐ停? 由MSC.ADAMSS對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行行動(dòng)力學(xué)分析析；* MSC.AADAMS分分析得到的載載荷和位移等等邊界條件可可重新轉(zhuǎn)入MMSC.Naastrann進(jìn)行詳細(xì)的的應(yīng)力、振動(dòng)動(dòng)、噪音等分分析；*MSC.AADAMS分分析得到的載載荷時(shí)間歷程程信息可通過(guò)過(guò)DAC或RRPC IIII格式文件件轉(zhuǎn)入MSCC.Fatiigue中進(jìn)進(jìn)行疲勞分析析。圖9 MSCC.ADAMMS與MSCC.Nasttran的集集成3.1.3 MMSC.Naastrann、MSC.Marc、MMSC.Dyytran集集成方式這三者主要通過(guò)過(guò)求解器集成成方式實(shí)現(xiàn)整整合。* MSC

15、.NNastraan + 隱隱式非線性SSOL6000 (MSCC.Marcc)；* MSC.NNastraan + 顯顯式非線性SSOL7000 (LS-DYNA)；* 在統(tǒng)一的前前后處理架構(gòu)構(gòu)之下進(jìn)行計(jì)計(jì)算求解；* 在MSC.Nastrran中完全全集成了MSSC.Marrc和LS-DYNA的的非線性功能能；* 極大地?cái)U(kuò)展展了MSC.Nastrran的仿真真范圍和應(yīng)用用領(lǐng)域。圖10 MSSC.Nasstran顯顯式非線性求求解器SOLL7003.1.4 MMSC.EAASY5與MMSC.Naastrann的直接集成成目前MSC.EEASY5與與MSC.NNastraan可以通過(guò)過(guò)模型轉(zhuǎn)換方

16、方式實(shí)現(xiàn)直接接集成，從而而允許在MSSC.EASSY5中引入入彈性體結(jié)構(gòu)構(gòu)數(shù)據(jù)，解決決控制與結(jié)構(gòu)構(gòu)的耦合問(wèn)題題。圖11 MSSC.EASSY5與MSSC.Nasstran的的直接集成3.2 MSCC.SimOOfficee協(xié)同仿真的的典型應(yīng)用方方式由前文可見(jiàn)，MMSC.SiimOffiice成員間間可以通過(guò)良良好的集成能能力實(shí)現(xiàn)復(fù)雜雜產(chǎn)品的一體體化開(kāi)發(fā)。在在一個(gè)包含控控制、結(jié)構(gòu)、機(jī)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)以及及疲勞分析等等多學(xué)科多子子系統(tǒng)的產(chǎn)品品開(kāi)發(fā)流程中中，我們可以以在先期階段段通過(guò)MSCC.EASYY5建立包括括控制系統(tǒng)和和多學(xué)科動(dòng)態(tài)態(tài)系統(tǒng)在內(nèi)的的系統(tǒng)原理模模型，通過(guò)MMSC.Naastrann/Marc

17、c/Dytrran對(duì)部件件進(jìn)行有限元元分析，然后后將MSC.EASY55建立的控制制系統(tǒng)模型和和MSC.NNastraan分析的彈彈性體模型導(dǎo)導(dǎo)入MSC.ADAMSS中，建立機(jī)機(jī)電一體化的的功能虛擬樣樣機(jī)，通過(guò)MMSC.ADDAMS分析析產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)動(dòng)情況，評(píng)估估產(chǎn)品性能。在在MSC.AADAMS分分析過(guò)程中產(chǎn)產(chǎn)生的載荷時(shí)時(shí)間歷程文件件，亦可進(jìn)一一步導(dǎo)入到MMSC.Faatiguee中，進(jìn)行詳詳細(xì)的疲勞分分析。在MSSC.SimmOfficce中可以完完成整個(gè)產(chǎn)品品的開(kāi)發(fā)流程程。圖12 MSCC.SimOOfficee實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的的完整開(kāi)發(fā)流流程3.3 MSCC.SimOOfficee的未來(lái)架構(gòu)構(gòu)

18、目前MSC.SSoftwaare公司正正在積極的開(kāi)開(kāi)展工作，將將MSC.SSimOfffice各成成員移植和整整合到統(tǒng)一的的架構(gòu)中，在在同一界面環(huán)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)更更為便利的協(xié)協(xié)同仿真。圖13 MSCC.SimOOfficee的未來(lái)架構(gòu)構(gòu)3.3 MSCC.SimMManageer建立協(xié)同同仿真平臺(tái)在多團(tuán)隊(duì)、多子子系統(tǒng)、多學(xué)學(xué)科領(lǐng)域的產(chǎn)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程程中，僅具有有各子系統(tǒng)和和各學(xué)科領(lǐng)域域的開(kāi)發(fā)工具具，并實(shí)現(xiàn)各各開(kāi)發(fā)工具的的集成尚不能能達(dá)到完全的的協(xié)同設(shè)計(jì)，因因?yàn)樵陂_(kāi)發(fā)過(guò)過(guò)程中，涉及及到不同開(kāi)發(fā)發(fā)人員、大量量的數(shù)據(jù)和信信息、以及各各子系統(tǒng)不同同的設(shè)計(jì)流程程。為了有效效的管理人員員、數(shù)據(jù)和設(shè)設(shè)計(jì)流程，使使得開(kāi)發(fā)過(guò)程程實(shí)現(xiàn)真正的的協(xié)同，我們們還需具備仿仿真管理平臺(tái)臺(tái)。MSC.SimmManagger是當(dāng)前前最為強(qiáng)大的的仿真數(shù)據(jù)和和流程管理系系統(tǒng)，為基于于IE的門(mén)戶戶式管理體系系，幫助管理理多學(xué)科聯(lián)合合仿真的眾多多仿真工具、流流程和數(shù)據(jù)，在在統(tǒng)一的平臺(tái)臺(tái)下進(jìn)行各類(lèi)類(lèi)分析，將企企業(yè)