多学科系统级虚拟样机建模与仿真技术

1、多学科系统级虚拟样机建模与仿真技术作者：PRC技术部 文章来源：MSC.Software 点击数： 1043 更新时间：2006-4-20 11:16:46 本文从当前产品品设计过程对对多学科联合合仿真的需求求出发，分析析了产品协同同设计对仿真真技术三个层层次的功能需需求，并引出出当前实现多多学科集成仿仿真的一般方方法。多学科科联合仿真需需要控制、机机构、有限元元等不同仿真真环境的集成成和数据交换换，MSC.Softwware提供供最为系统和和完整的多学学科协同仿真真开发环境，本本文详细介绍绍了MSC.Softwware多学学科系统级虚虚拟样机建模模和仿真的解解决方案，并并给出了具体体的实例。

2、相关列表 HYPERLINK /Article/soft/cae/Index.html hhttp:/www.SciEII.com/Articcle/sooft/caae/Inddex.httml 1多学科联合合仿真的需求求众所周知，现代代产品的研发发流程是多人人团队、多学学科领域的协协同设计过程程。在产品开开发过程中，无无论是系统级级的方案原理理设计，还是是部件级的详详细参数规格格设计，都涉涉及到多个不不同的子系统统和相关学科科领域，这些些子系统都有有自己特定的的功能和独特特的设计方法法，而各子系系统之间则具具有交互耦合合作用，共同同组成完整的的功能系统。图1 现代产产品过程涉及及多个子系统

3、统和相关学科科领域如何有效的协调调各个子系统统设计团队的的工作，让团团队之间达到到信息共享、互互通有无，并并保证子系统统的设计质量量和整体性能能，实现产品品设计真正的的一体化和协协同化，从而而提高设计效效率，节省设设计成本，缩缩短开发周期期，这是一个个非常重要的的问题。为了达到上述目目标，我们必必须满足以下下三个层次的的需求：第一，具备各子子系统和各学学科领域有效效的集成仿真真工具，从而而保证各子系系统的设计水水准和可靠性性；图2 各学学科领域的不不同设计工具具第二，能够实现现各仿真工具具之间的无缝缝集成和数据据交换，在统统一架构下实实现模型整合合；第三，为了能够够协调和管理理各设计团队队，以

4、及在设设计过程中产产生的大量数数据，实现资资源优化配置置，还必须具具有仿真数据据和流程的管管理平台，实实现各学科领领域的真正协协同仿真。2多学科协同同仿真的一般般实现方法目前较为通用和和流行的实现现多学科集成成仿真的方法法主要包括以以下三种：2.1 联合仿仿真式（Coo-Simuulatioon）联合仿真式是目目前较为通用用，也是使用用最多的一种种数据交换方方式，其数据据交换原理如如图3所示，两两个不同仿真真工具之间通通过TCP/IP等方式式实现数据交交换和调用。图3 联合合仿真式的基基本原理当两个不同仿真真工具之间通通过联合仿真真方式建立连连接后，其中中一者所包含含的模型可以以将自己计算算的

5、结果作为为系统输入指指令传递给另另一者所建立立的模型，这这种指令包括括力、力矩、驱驱动等典型信信号，后者的的模型在该指指令的作用下下所产生的响响应量，如位位移、速度、加加速度等，又又可以反馈给给前者的模型型，这样，模模型信息和仿仿真数据就可可以在两者之之间双向传递递。联合仿真方式的的典型应用有有：多体动力力学与控制系系统（如车辆辆控制）、结结构与气动载载荷（如飞行行动力学分析析），等等。这这是一种最为为容易建立和和实现的集成成仿真方式，具具有很强的普普适性，但局局限在于难以以处理刚性系系统，对系统统资源占用较较多，某些情情况可能速度度较慢。2.2 模型转转换式（Moodel TTransffe

6、r）模型转换式的原原理如图4所所示。其主要要原理是将其其中一个工具具的模型转化化为特定格式式的包含模型型信息的数据据文件，供另另一个工具中中的模型调用用，从而实现现信息交互。典典型的数据格格式如用于刚刚弹耦合分析析的模态中性性文件（mnnf），在该该文件中包含含采用M、K、x和振型型矩阵表示的的弹性体信息息；用于控制制机构一体化化仿真以及其其它仿真的动动态链接库文文件（dlll），该文件件中包含采用用变量表示的的函数信息。图4 模型转转化式的基本本原理模型转化式的典典型应用有：控制、电液液与机构一体体化仿真（如如飞机操纵面面），有限元元与多体机构构（如刚弹耦耦合机械系统统），等等。这这种方式的

7、特特点在于求解解速度快，对对系统资源占占用较少，稳稳定性好，并并且模型建立立后便于重复复使用，而局局限则在于需需要定义特定定数据格式的的文件，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实现两个不不同工具之间间的求解器代代码集成，从从而实现在其其中一个仿真真环境中对另另一个仿真工工具的求解器器调用，如图图5所示。图5 求解器器集成式的基基本原理求解器集成式的的典型应用有有：带有屈曲曲等材料非线线性问题的大大型结构模型型，带有流固固耦合、冲击击等几何非线线性问题的大大型结构问题题，等等。这这种方式的优优势在于可以以方便有效的的运

8、用多种学学科领域的求求解技术，便便于用户直接接使用现有模模型，而局限限在于模型中中的某些因素素如单元类型型、函数形式式等某些情况况下需要重新新定义，同时时软件的开发发和升级周期期较长。3 HYPERLINK /ewk2004/companysearch.aspx?id=45 MSC.SSoftwaare多学科科协同仿真解解决方案针对多学科协同同仿真三个层层次的需求， HYPERLINK /ewk2004/companysearch.aspx?id=45 MSC.Software提供当前最为系统和完整的解决方案。首先， HYPERLINK /ewk2004/companysearch.aspx?

9、id=45 MSC.Softwware提供供集成的VPPD建模仿真真环境MSCC.SimOOfficee。MSC.SimOfffice包包含一整套全全面的VPDD工具用于仿仿真系统的各各种性能，从从而高效的建建立各子系统统的模型，评评价系统性能能。图6 集成VPPD仿真环境境MSC.SSimOfffice其次，MSC.SimOfffice各各成员之间均均具有无缝集集成能力，可可以实现数据据交换和模型型整合，建立立完整的一体体化虚拟样机机；MSC.SimOfffice具具有悠久的开开发历史，其其成员都是各各自领域居于于领先地位的的仿真工具，通通过了大量工工程项目的检检验，知识和和经验的不断断积累

10、，具有有极强的可靠靠性与稳定性性。目前MSSC.SimmOfficce各成员之之间可以方便便的通过不同同方式实现模模型数据交互互、求解器整整合和计算过过程协同，同同时MSC正正在积极的开开展工作，将将MSC.SSimOfffice各成成员移植和整整合到统一的的架构之下，以以便用户可以以在统一的界界面环境下完完成所有分析析工作。图7 MSC.SimOfffice实实现完整功能能虚拟样机再次，MSC.SimMaanagerr是强大的仿仿真流程与数数据管理平台台，为企业提提供协调和管管理设计人员员、仿真工具具，模型数据据的统一架构构，实现资源源的优化配置置和组合，提提高产品开发发效率。3.1 MSC

11、C.SimOOfficee集成仿真方方式根据实现集成仿仿真的三种通通用方法各自自的优势和特特点，结合各各仿真工具自自身的特点和和用途，MSSC.SimmOfficce成员间通通过不同的方方式实现整合合。3.1.1 MMSC.EAASY5与MMSC.ADDAMS集成成方式目前MSC.EEASY5与与MSC.AADAMS两两者之间的集集成越来越紧紧密，集成的的方式也越来来越丰富。MMSC.EAASY5与MMSC.ADDAMS可以以通过联合仿仿真式、模型型转换式和求求解器集成式式三种方式进进行协同仿真真。* 联合仿真式式由MSC.EEASY5和和MSC.AADAMS求求解器求解各各自的模型；在设定时

12、间步步进行数据通通信。* 模型转换式式（控制系统统导入）将MSC.EEASY5所所建立的控制制与多学科系系统导入MSSC.ADAAMS；MSC.EAASY5模型型作为一套GGSE方程加加入到MSCC.ADAMMS（dlll动态链接库库形式引入）；MSC.ADDAMS求解解器积分计算算所有的模型型；在MSC.AADAMS中中对控制系统统性能进行评评估，采用此此种方式，可可以在控制系系统预置参数数的情况下研研究整个模型型的性能，进进行统一的试试验设计和参参数优化。* 求解器集成成式MSC.ADDAMS CC+求解器器集成于MSSC.EASSY5中，MMSC.EAASY5用户户可以直接调调用MSC.

13、ADAMSS的C+求求解器来计算算MSC.EEASY5的的模型；在MSC.EEASY5中中建模并仿真真；MSC.EAASY5会在在后台直接调调用和运行MMSC.ADDAMS CC+求解器器；仿真结束时会会自动打开MMSC.ADDAMS的后后处理器来查查看仿真结果果。图8 MSCC.ADAMMS与MSCC.EASYY5实现机电电一体化仿真真3.1.2 MMSC.ADDAMS、MMSC.Naastrann、MSC.Fatiggue集成方方式这三者之间主要要通过模型转转换方式进行行集成。* 由MSC.Nastrran对部件件进行有限元元分析，生成成含有模态信信息的mnff文件；* 将mnf文文件导入

14、MSSC.ADAAMS中，创创建刚柔耦合合模型；* 由MSC.ADAMSS对机构进行行动力学分析析；* MSC.AADAMS分分析得到的载载荷和位移等等边界条件可可重新转入MMSC.Naastrann进行详细的的应力、振动动、噪音等分分析；*MSC.AADAMS分分析得到的载载荷时间历程程信息可通过过DAC或RRPC IIII格式文件件转入MSCC.Fatiigue中进进行疲劳分析析。图9 MSCC.ADAMMS与MSCC.Nasttran的集集成3.1.3 MMSC.Naastrann、MSC.Marc、MMSC.Dyytran集集成方式这三者主要通过过求解器集成成方式实现整整合。* MSC

15、.NNastraan + 隐隐式非线性SSOL6000 (MSCC.Marcc)；* MSC.NNastraan + 显显式非线性SSOL7000 (LS-DYNA)；* 在统一的前前后处理架构构之下进行计计算求解；* 在MSC.Nastrran中完全全集成了MSSC.Marrc和LS-DYNA的的非线性功能能；* 极大地扩展展了MSC.Nastrran的仿真真范围和应用用领域。图10 MSSC.Nasstran显显式非线性求求解器SOLL7003.1.4 MMSC.EAASY5与MMSC.Naastrann的直接集成成目前MSC.EEASY5与与MSC.NNastraan可以通过过模型转换方

16、方式实现直接接集成，从而而允许在MSSC.EASSY5中引入入弹性体结构构数据，解决决控制与结构构的耦合问题题。图11 MSSC.EASSY5与MSSC.Nasstran的的直接集成3.2 MSCC.SimOOfficee协同仿真的的典型应用方方式由前文可见，MMSC.SiimOffiice成员间间可以通过良良好的集成能能力实现复杂杂产品的一体体化开发。在在一个包含控控制、结构、机机构运动以及及疲劳分析等等多学科多子子系统的产品品开发流程中中，我们可以以在先期阶段段通过MSCC.EASYY5建立包括括控制系统和和多学科动态态系统在内的的系统原理模模型，通过MMSC.Naastrann/Marc

17、c/Dytrran对部件件进行有限元元分析，然后后将MSC.EASY55建立的控制制系统模型和和MSC.NNastraan分析的弹弹性体模型导导入MSC.ADAMSS中，建立机机电一体化的的功能虚拟样样机，通过MMSC.ADDAMS分析析产品的运动动情况，评估估产品性能。在在MSC.AADAMS分分析过程中产产生的载荷时时间历程文件件，亦可进一一步导入到MMSC.Faatiguee中，进行详详细的疲劳分分析。在MSSC.SimmOfficce中可以完完成整个产品品的开发流程程。图12 MSCC.SimOOfficee实现产品的的完整开发流流程3.3 MSCC.SimOOfficee的未来架构构

18、目前MSC.SSoftwaare公司正正在积极的开开展工作，将将MSC.SSimOfffice各成成员移植和整整合到统一的的架构中，在在同一界面环环境下实现更更为便利的协协同仿真。图13 MSCC.SimOOfficee的未来架构构3.3 MSCC.SimMManageer建立协同同仿真平台在多团队、多子子系统、多学学科领域的产产品开发过程程中，仅具有有各子系统和和各学科领域域的开发工具具，并实现各各开发工具的的集成尚不能能达到完全的的协同设计，因因为在开发过过程中，涉及及到不同开发发人员、大量量的数据和信信息、以及各各子系统不同同的设计流程程。为了有效效的管理人员员、数据和设设计流程，使使得开发过程程实现真正的的协同，我们们还需具备仿仿真管理平台台。MSC.SimmManagger是当前前最为强大的的仿真数据和和流程管理系系统，为基于于IE的门户户式管理体系系，帮助管理理多学科联合合仿真的众多多仿真工具、流流程和数据，在在统一的平台台下进行各类类分析，将企企业