多领域统一建模

1多领域统一建模、分析与优化——下一代机电产品数字化设计技术2现代机电产品：机、电、液、气、控、热…多物理器件集成发动机（燃油、电动）悬架系统（机械、液压、气动、磁流变等）动力传动系统（包括变速箱、离合器、差速器等）制动系统（包括ABS、ESP、TCS等）转向系统（全液压、电液、电动）空调系统3工程机械/汽车研发涉及的CAE技术被动安全性舒适性动力性燃油经济性环保性主动安全性疲劳耐久性结构优化及制造经济性其他…4主动安全性及动态特性采用ADAMS与Nastran解决刚柔耦合多体系统动力学问题采用AMESim解决液压系统设计问题采用Matlab/Simulink解决控制器设计问题通过上述软件的接口集成实现机-电-液-控的联合仿真（但无法实现基于统一模型的一体化仿真）涉及底盘系统匹配优化，涉及悬架、转向、制动、传动系统动力学及汽车电子控制，需要刚柔耦合多体系统动力学、机电液耦合系统动力学的支撑5涉及车身结构及乘员约束系统的优化设计，需要车身结构的大变形碰撞动力学的支撑采用LS-DYNA3D、ETA/VPG解决大变形碰撞动力学被动安全性6涉及整车NVH的匹配与优化，涉及底盘、车身系统动力学，需要多场耦合（声热固等）系统动力学及刚柔耦合多体系统动力学的支撑采用ADAMS与Nastran解决刚柔耦合多体系统动力学问题采用LMS/Sysnoise解决NVH噪声问题采用ANSYS解决多场耦合问题舒适性7涉及动力性、燃油经济性及排放环保性涉及动力传动系统的匹配优化，机电液耦合系统动力学的支撑采用Matlab/Simulink控制策略优化问题采用AMEsim解决多领域建模仿真问题动力性、燃油经济性、环保性动力性、燃油经济性、环保性8涉及底盘部件的结构减重，以及车身材料替代及车身板金冲压成型工艺优化，需要机械结构优化及大变形碰撞动力学的支撑。采用Nastran、ANSYS解决结构分析问题采用HyperWorks/Optistrut解决结构拓扑问题采用LS-DYNA3D、DYNAFORM解决板金冲压成型结构优化及制造经济性9涉及底盘部件及车身部件的疲劳耐久性，需要刚柔耦合多体系统动力学及机械结构优化技术的支撑采用ADAMS与Nastran解决刚柔耦合多体系统动力学问题采用N-code，MSC.Fatigure疲劳耐久性疲劳耐久性10–“精致”的异构单领域工具，难以支持多领域协同开发•一般力学、多体系统动力学－机械系统动力学平台•固体力学－结构有限元分析FEM•流体力学－计算流体动力学CFD•电磁学－电磁场有限元分析•控制理论－Matlib/Simulink•液压系统－AMESim……–平台开放性差，软件封装知识，知识依赖软件–缺少系统建模、分析和优化的技术支撑–模型难以在现有技术平台上有效积累、集成、共享、重用–模型的重用性不足，缺乏统一建模规范–现有CAE以基础理论的软件化为重，工程界需要支持设计师计算活动的计算设计理论与技术11数字化设计技术现状•重结构、轻性能•多几何设计、少功能设计•强信息集成，弱模型集成•缺系统综合能力•短辅助创新设计能力12产品设计与CAD的释义•CADrafting2D•CADesign3D•CADevelopMulti-D•产品设计是产品的功能设计•产品模型是多领域、多学科统一综合描述•产品设计最终目标是产品性能的优化设计13我国产品设计的技术现状设计能力弱于制造能力设计缺乏系统性、理性的指导和技术支撑，多“形似”少“神似”整机研发能力弱于单一零部件研发能力复杂机电系统产品研发能力弱于单纯机械产品研发能力设计多以传统常规为主，缺乏鲁棒性、优化设计和使能手段缺乏数据和知识的积累与重用，急需支持数据、知识集成和重用的支撑平台实现了产品设计工具的计算机化，但开发流程仍然延续传统的管理方法，开发模式和方法从内在机制上缺乏对集成性、并行性和自适应性的支持，难以形成快速响应的设计能力KBE（经验积累/知识积累）缺乏系统建模、分析、优化和协同管理能力14CAD多体系统建模与分析Multi-bodyDynamics多领域统一建模与分析Multi-domainModeling多学科协同优化MDOMulti-disciplineCollaborativeOpt.ProductLifecycleManagement•复杂机电系统对产品设计在理论、方法和技术手段三个层面提出了新的挑战15多领域物理建模研究现状与趋势•基于接口的方法•基于高层体系结构（HLA）的方法•基于统一建模语言（Modelica语言）的方法多领域建模是为实现复杂系统的协同仿真而产生的建模技术，其目标是将机械、电子、液压、控制等不同学科领域的模型集成一体，以实现协同设计、分析和仿真16基于接口的方法求解器求解器模型A模型B仿真软件A仿真软件B缺点：需要人为地割裂不同领域子系统之间的耦合关系，需要各专用仿真软件提供相互交互的接口，不具有标准性、开发性，扩充困难17基于HLA的方法RTI接口联邦成员1缺点：相比基于接口的方法，其标准性和开发性得到提高，但仍需要各专业仿真软件提供与HLA的接口，仍需要人为地割裂耦合关系，仍需要针对不同的仿真应用配置模型接口、编写集成代码，多个求解器步长协调存在技术问题底层通信支持系统运行时间支撑系统RTIRTI接口联邦成员2RTI接口联邦成员n…18多领域物理统一建模与Modelica语言•Elmqvist于1978年首先提出基于方程的面向对象建模思想，并设计了Dymola语言•随着计算机硬件、软件和数值技术的快速发展，先后涌现出了一批基于方程的面向对象建模语言。例如：Omola、ALLEN、Smile、ASCEND、gPROMS、ObjectMath、NMF等•1996年8月欧洲仿真界的一群专家学者开始致力于物理系统建模语言的标准化工作，在归纳和统一多种建模语言的基础上，于1997年9月提出了Modelica语言，并成立了Modelica协会•飞行控制建模与仿真