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附錄 附錄一 to to to so on in t is is In of is to ow s is an In to we in to as as in to 2. t 2.1 is at is ay so P. as of of so on in so in so is is to in to to 2.2 is in in * in M ], [ K ], [ x ] in as as * in he so in to is is in to 2.3 in an to he so on so on so in of is to in so on in to at is 3. n of is PD PD to in of PD in At at SC to in to is to t is on * - in * - a SE - - on to in on * ++ ++ - - in ++ - of on * on to * * on to * on so on * AC or II n on * * * in to on * * 0 t 1 y as as in so on in we in of on to of on 2 t to 3 n in to be to in to as as we to is on E to on of s 4 . 統(tǒng)級(jí) in in is In in as as On on by If to "to it is is a as as in if be of PD 能化 in at 5 as 6 錄 二 多學(xué)科系統(tǒng)級(jí)虛擬樣機(jī)建模與仿真技術(shù) 本文從當(dāng)前產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程對多學(xué)科聯(lián)合仿真的需求出發(fā)，分析了產(chǎn)品協(xié)同設(shè)計(jì)對仿真技術(shù)三個(gè)層次的功能需求，并引出當(dāng)前實(shí)現(xiàn)多學(xué)科集成仿真的一般方法。多學(xué)科聯(lián)合仿真需要控制、機(jī)構(gòu)、有限元等不同仿真環(huán)境的集成和數(shù)據(jù)交換，供最為系統(tǒng)和完整的多學(xué)科協(xié)同仿真開發(fā)環(huán)境，本文詳細(xì)介紹了 學(xué)科系統(tǒng)級(jí)虛擬樣機(jī)建模和仿真的解決方案，并給出了具體的實(shí)例。 1．多學(xué)科聯(lián)合仿真的需求 眾所周知，現(xiàn)代產(chǎn)品的研發(fā)流程是多人團(tuán)隊(duì)、多學(xué)科領(lǐng)域的協(xié)同設(shè)計(jì)過程。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，無論是系統(tǒng)級(jí)的方案原理設(shè)計(jì)，還是部件級(jí)的詳細(xì)參數(shù)規(guī)格設(shè)計(jì)，都涉及到多個(gè)不同的子系統(tǒng)和相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域，這些子系統(tǒng)都有自己特定的功能和獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法，而各子系統(tǒng)之間則具有交互耦合作用，共同組成完整的功能系統(tǒng)。 圖 1 現(xiàn)代產(chǎn)品過程涉及多個(gè)子系統(tǒng)和相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域 如何有效的協(xié)調(diào)各個(gè)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的工作，讓團(tuán)隊(duì)之間達(dá)到信息共享、互通有無，并保證子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和整體性能，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)真正的一體化和協(xié)同化，從而提高設(shè)計(jì)效率，節(jié)省設(shè)計(jì)成本，縮短開發(fā)周期，這是一個(gè)非常重要的問題。 為了達(dá)到上述目標(biāo)，我們必須滿足以下三個(gè)層次的需求： 第一，具備各子系統(tǒng)和各學(xué)科領(lǐng)域有效的集成仿真工具，從而保證各子系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)水準(zhǔn)和可靠性； 圖 2 各學(xué)科領(lǐng)域的不同設(shè)計(jì)工具 第二，能夠?qū)崿F(xiàn)各仿真工具之間的無縫集成和數(shù)據(jù)交換，在統(tǒng)一架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)模型整合； 第三，為了能夠協(xié)調(diào)和管理各設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，以及在設(shè)計(jì)過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)資源優(yōu)化配置，還必須具有仿真數(shù)據(jù)和流程的管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各學(xué)科領(lǐng)域的真正協(xié)同仿 真。 2．多學(xué)科協(xié)同仿真的一般實(shí)現(xiàn)方法 目前較為通用和流行的實(shí)現(xiàn)多學(xué)科集成仿真的方法主要包括以下三種： 合仿真式（ 聯(lián)合仿真式是目前較為通用，也是使用最多的一種數(shù)據(jù)交換方式，其數(shù)據(jù)交換原理如圖 3 所示，兩個(gè)不同仿真工具之間通過 P 等方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和調(diào)用。 圖 3 聯(lián)合仿真式的基本原理 當(dāng)兩個(gè)不同仿真工具之間通過聯(lián)合仿真方式建立連接后，其中一者所包含的模型可以將自己計(jì)算的結(jié)果作為系統(tǒng)輸入指令傳遞給另一者所建立的模型，這種指令包括力、力矩、驅(qū)動(dòng)等典型信號(hào)，后者的模型在該指令的作用下所產(chǎn)生的響應(yīng)量，如位移、速度、加速度等，又可以反饋給前者的模型，這樣，模型信息和仿真數(shù)據(jù)就可以在兩者之間雙向傳遞。 聯(lián)合仿真方式的典型應(yīng)用有：多體動(dòng)力學(xué)與控制系統(tǒng)（如車輛控制）、結(jié)構(gòu)與氣動(dòng)載荷（如飛行動(dòng)力學(xué)分析），等等。這是一種最為容易建立和實(shí)現(xiàn)的集成仿真方式，具有很強(qiáng)的普適性，但局限在于難以處理剛性系統(tǒng)，對系統(tǒng)資源占用較多，某些情況可能速度較慢。 型轉(zhuǎn)換式（ 模型轉(zhuǎn)換式的原理如圖 4 所示。其主要原理是將其中一個(gè)工具的模型轉(zhuǎn)化為特定格式的包含模型信息的數(shù)據(jù)文件，供另一個(gè)工具中的模型調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)信息交互。典型的數(shù)據(jù)格式如用于剛彈耦合分析的模態(tài)中性文件（ 在該文件中包含采用 [M]、 [K]、 [x]和振型矩陣表示的彈性體信息；用于控制機(jī)構(gòu)一體化仿真以及其它仿真的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件（ 該文件中包含采用變量 表示的函數(shù)信息。 圖 4 模型轉(zhuǎn)化式的基本原理 模型轉(zhuǎn)化式的典型應(yīng)用有：控制、電液與機(jī)構(gòu)一體化仿真（如飛機(jī)操縱面），有限元與多體機(jī)構(gòu)（如剛彈耦合機(jī)械系統(tǒng)），等等。這種方式的特點(diǎn)在于求解速度快，對系統(tǒng)資源占用較少，穩(wěn)定性 好，并且模型建立后便于重復(fù)使用，而局限則在于需要定義特定數(shù)據(jù)格式的文件，通用性稍差。 解器集成式（ 求解器集成式的基本原理是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同工具之間的求解器代碼集成，從而實(shí)現(xiàn)在其中一個(gè)仿真環(huán)境中對另一個(gè)仿真工具的求解器調(diào)用，如圖 5 所示。 圖 5 求解器集成式的基本原理 求解器集成式的典型應(yīng)用有：帶有屈曲等材料非線性問題的大型結(jié)構(gòu)模型，帶有流固耦合、沖擊等幾何非線性問題的大型結(jié)構(gòu)問題，等等。這種方式的優(yōu)勢在于可以方便有效的運(yùn)用多種學(xué)科領(lǐng)域的求解技術(shù)，便于用戶直接使用現(xiàn)有模型，而局限在于模型中的某些因素如單元類型、函數(shù)形式等某些情況下需要重新定義，同時(shí)軟件的開發(fā)和升級(jí)周期較長。 3． 學(xué)科協(xié)同仿真解決方案 針對多學(xué)科協(xié)同仿真三個(gè)層次的需求， 供當(dāng)前最為系統(tǒng)和完整的解決方案。 首先， 供集成的 模仿真環(huán)境 含一整套全面的 具用于仿真系統(tǒng)的各種性能，從而高效的建立各子系統(tǒng)的模型，評價(jià)系統(tǒng)性能。 圖 6 集成 真環(huán)境 次， 成員之間均 具有無縫集成能力，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換和模型整合 ,建立完整的一體化虛擬樣機(jī)； 有悠久的開發(fā)歷史，其成員都是各自領(lǐng)域居于領(lǐng)先地位的仿真工具，通過了大量工程項(xiàng)目的檢驗(yàn)，知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，具有極強(qiáng)的可靠性與穩(wěn)定性。目前 成員之間可以方便的通過不同方式實(shí)現(xiàn)模型數(shù)據(jù)交互、求解器整合和計(jì)算過程協(xié)同，同時(shí) 在積極的開展工作，將 成員移植和整合到統(tǒng)一的架構(gòu)之下，以便用戶可以在統(tǒng)一的界面環(huán)境下完成所有分析工作。 圖 7 現(xiàn)完整功能虛擬樣機(jī) 再次， 強(qiáng)大的仿真流程與數(shù)據(jù)管理平臺(tái)，為企業(yè)提供協(xié)調(diào)和管理設(shè)計(jì)人員、仿真工具，模型數(shù)據(jù)的統(tǒng)一架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置和組合，提高產(chǎn)品開發(fā)效率。 成仿真方式 根據(jù)實(shí)現(xiàn)集成仿真的三種通用方法各自 的優(yōu)勢和特點(diǎn)，結(jié)合各仿真工具自身的特點(diǎn)和用途， 員間通過不同的方式實(shí)現(xiàn)整合。 成方式 目前 者之間的集成越來越緊密，集成的方式也越來越豐富。 以通過聯(lián)合仿真式、模型轉(zhuǎn)換式和求解器集成式三種方式進(jìn)行協(xié)同仿真。 * 聯(lián)合仿真式 －由 解器求解各自的模型； －在設(shè)定時(shí)間步進(jìn)行數(shù)據(jù)