多领域统一建模
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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
6
动力性、燃油经济性、环保性 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
10
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
11
产品设计与CAD的释义
• 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
• CADrafting • CADesign • CADevelop 2D 3D Multi-D
4
被动安全性 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
5
舒适性 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
8
疲劳耐久性 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
9
– “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
2
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
结构优化及 制造经济性 其他… 疲劳耐久性
3
主动安全性及动态特性
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 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）
13
• 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
多学科协同优化MDO Multi-discipline Collaborative Opt.
多领域统一建模与分析 Multi-domain Modeling 多体系统建模与分析 Multi-body Dynamics
CAD
底层通信支持系统
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 17 协调存在技术问题
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
Product Lifecycle Management
14
多领域物理建模研究现状与趋势
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
• 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
• 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
12
我国产品设计的技术现状
缺乏系统建模、分析、优化和协同管理能力
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）
• www.modelica.org
18
19
20
实例
21
22
23
多领域物理建模与仿真技术
物理构件
复杂系统
自定义 构件库
Modelica 模型
内部 代码
求解 结果
领域 库
求解 引擎
24
25
26
27
28
29
30
31
实现机制
物理构件 复杂系统
自定义 构件库
Modelica 模型
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
1
现代机电产品：机、电、液、气、控、热…多物理 器件集成
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）
发动机（燃 油、电动）
转向系统（全 液压、电液、 电动）
空调系统 悬架系统（机械、 液压、气动、磁流 变等）
内部 代码
求解 结果
领域 库
求解 引擎
32
4.2 MWorks
33
4.2 MWorks
analog Circuit
34
4.2 MWorks
Fighter F14 飞行控制建模与仿真
35
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
15
基于接口的方法
仿真软件A 求解器
仿真软件B 求解器
模型A
模型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
16
基于HLA的方法
联邦成员1 RTI接口 联邦成员2 RTI接口 联邦成员n
…
RTI接口
பைடு நூலகம்
运行时间支撑系统RTI
7
结构优化及制造经济性 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
6
动力性、燃油经济性、环保性 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
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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
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产品设计与CAD的释义
• 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
• CADrafting • CADesign • CADevelop 2D 3D Multi-D
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被动安全性 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
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舒适性 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
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疲劳耐久性 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
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– “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
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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
结构优化及 制造经济性 其他… 疲劳耐久性
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主动安全性及动态特性
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 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）
13
• 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
多学科协同优化MDO Multi-discipline Collaborative Opt.
多领域统一建模与分析 Multi-domain Modeling 多体系统建模与分析 Multi-body Dynamics
CAD
底层通信支持系统
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 17 协调存在技术问题
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
Product Lifecycle Management
14
多领域物理建模研究现状与趋势
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
• 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
• 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
12
我国产品设计的技术现状
缺乏系统建模、分析、优化和协同管理能力
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）
• www.modelica.org
18
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实例
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多领域物理建模与仿真技术
物理构件
复杂系统
自定义 构件库
Modelica 模型
内部 代码
求解 结果
领域 库
求解 引擎
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实现机制
物理构件 复杂系统
自定义 构件库
Modelica 模型
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
1
现代机电产品：机、电、液、气、控、热…多物理 器件集成
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）
发动机（燃 油、电动）
转向系统（全 液压、电液、 电动）
空调系统 悬架系统（机械、 液压、气动、磁流 变等）
内部 代码
求解 结果
领域 库
求解 引擎
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4.2 MWorks
33
4.2 MWorks
analog Circuit
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4.2 MWorks
Fighter F14 飞行控制建模与仿真
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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
15
基于接口的方法
仿真软件A 求解器
仿真软件B 求解器
模型A
模型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
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基于HLA的方法
联邦成员1 RTI接口 联邦成员2 RTI接口 联邦成员n
…
RTI接口
பைடு நூலகம்
运行时间支撑系统RTI
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结构优化及制造经济性 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