多领域物理统一建模规范与技术研究进展

作者:陈立平       发布于:2015-05-06 16:09:00       浏览次数:3343次

《机械学院科研进展简报》2015年第3总第13 

编辑:科研管理科  日期:2015年 5月4日

 

1.研究概述

与发达国家相比,我国制造业的创新设计能力仍处于弱势地位,尤其在理论、方法和技术层面上均存在较大的差距,缺乏针对复杂机电产品的建模、分析、优化和协同管理能力,具体体现为:

Ø 产品设计以逆向设计为主,创新设计能力弱于制造能力;

Ø 整机设计能力弱于零部件设计能力;

Ø 复杂机电产品设计能力弱于单纯机械产品设计能力;

Ø 缺乏系统的先进设计理论、方法和相关技术支撑,多“形似”少“神似”;产品开发以传统常规设计方法为主,缺乏鲁棒性设计、优化设计手段;

Ø 缺乏数据、经验、知识的积累和重用,需要相应的技术支撑平台。

90年代以来以C3P(CAD/CAE/CAM/PDM)为代表的计算机辅助设计工具CAX在工业界得到广泛普及,产生了巨大的经济效益和社会效益,“数字化”作为时代技术显著特征初露端倪。C3P首次用计算机取代人完成产品开发过程中机械、繁琐、重复的绘图、计算和例程管理类工作,大大提高了产品开发效率。但由于学科的融合度较低,各类设计工具更多地表现为单一学科技术的软件化,其相互集成亦是以软件接口实现所谓的数据集成获信息集成,因此,以C3P为代表的计算机辅助设计工具对更高层次的设计活动如综合分析、系统优化设计乃至创新设计缺乏有效的、可操作的支持。

针对这些不足,90年代中期以来,计算机辅助设计更多地强调了基于多体系统(Multibody System)的复杂机械产品系统动态设计、基于本构融合的多领域物理建模(Multi-domain physical Modeling)可重用机、电、液、控数字化功能样机分析、基于多学科协同(Multi-discplines colaberative)集成框架的优化设计的研究与开发,并逐步形成新一代技术和平台工具;在设计管理方面,产品数据管理(PDM)向产品全生命周期拓延,已形成产品全生命周期以及行为管理技术(PLM),上述技术特征可归结为M3P。可以说,多学科、多领域的融合渗透是21世纪计算机辅助产品开发技术发展的主线,M3P已成为当前技术研究、开发和应用的时代特征。

复杂装备系统(如兵器、航空装备、航天器、舰船等)是一类特殊应用的复杂机电装备产品,属于典型的多领域物理(机、电、光、液、热、控)综合集成系统,对数字化设计总体有如下需求:

Ø 多专业协同设计;

Ø 知识的积累、共享、传承与重用;

Ø 支持正向设计的功能设计、结构设计与性能优化一体化;

Ø 开放的面向智能装备研发、基于多领域物理统一建模功能样机技术。

功能样机技术是支持产品正向设计的重要技术手段。掌握国际多领域物理统一建模规范、技术与平台,构建、积累符合统一标准规范的功能模型库,在产品研发中,应用建模、分析、仿真和优化一体化的功能样机(Functional Mockup Unit)技术,对于提高武器装备产品的多专业协同的正向研发能力具有重要的现实意义。

从系统工程的角度,模型(功能、行为、性能)集成是复杂产品的基本属性之一,而以信息集成(通讯协议、接口协议)为主要手段的当前产品研发协同理论、技术和手段始终未能解决旨在表达功能与性能的模型集成问题,为此,以“模型重用、系统重构”为技术特征,面向工业领域的普适性建模标准已成为新一代复杂装备系统快速研发技术的至高点。因此,面向快速研发需求,欧美工业界将多领域物理统一建模、计算与仿真一体化技术研究与应用作为保持其技术领先和竞争力的重要技术手段。

面向通用物理建模的技术研究其实在二十年前就已经开始,并开发出了第一代面向对象的数学建模语言,如Dymola、Omola、ASCEND、gPROMS、ObjectMath、NMF、Smile、ALLEN和U.L.M等,只是当时由于缺乏计算能力的支持而没有受到仿真界的广泛关注和认可。与传统建模语言采用面向过程和基于赋值语句的建模方法不同,第一代面向对象的数学建模语言采用了面向对象和基于方程的建模方法,克服了面向过程的建模仿真语言的诸多不便,但是众多语言的存在又产生了兼容性和标准化的问题。

鉴于多种建模语言并存的混乱局面,以及由此而引起的模型兼容性问题,欧洲仿真机构EUROSIM于1996年组织了瑞典、德国、法国等6个国家建模与仿真领域的14位专家,开始针对多领域物理建模的下一代技术展开研究,提出通过国际开放合作,在归纳和统一先前多种面向对象基于方程数学建模语言的基础上,研究设计下一代多领域、连续-离散混合物理建模语言Modelica,成立了国际多领域物理统一建模语言协会Modelica Association(www.modelica.org),并使Modelica成为本领域的标准。凭借语言本身的许多优良特性,Modelica语言得到了业界的广泛认可,其应用研究发展迅猛,已经成为事实上的复杂物理系统建模语言标准。

2001年,机械学院CAD中心陈立平教授团队率先在亚太地区开展基于Modelica的相关基础理论与应用研究,在研究Modelica的语法结构与系统构架的基础上,进一步开展大规模连续、离散混合DAE方程求解策略的研究。

2006年11月国家科技部863计划先进制造领域资助将多领域物理统一建模技术列入863计划,设立了目标导向项目“基于多领域物理建模的复杂产品协同设计仿真平台”,对陈立平教授团队予以资助。2009年国家科技部对本技术成果的产业化给予重大支持,设立了相关的863重点项目“机械系统动力学CAE平台”。2013年陈立平教授团队再次获得国家科技部863计划重点项目“基于MODELICA技术体系的复杂产品分析仿真软件研发”。此外,陈立平教授团队还获得两个家自然科学基金项目支持,分别为“复杂系统建模与仿真中的多领域约束融合原理研究”、“时间域与空间域耦合物理系统多领域统一建模研究”。

项目总体目标:研究、掌握、推广Modelica建模技术,参与Modelica相关标准制定;形成基于Modelica的机电液控耦合系统模型、机械零部件结构分析与优化模型的统一表达规范;突破机械系统动力学CAE平台核心关键技术,开发具有自主知识产权的机械系统动力学CAE平台,内嵌机电液控耦合系统动力学分析、机械零部件结构分析及优化模块;重点针对工程机械行业形成示范应用,在此基础上进行行业推广,并实现产品化与产业化;为复杂机电产品的正向设计、动态性能匹配优化设计、零部件结构优化设计,以及机电产品的多领域模型集成及多学科设计优化提供技术与平台支撑。

目前本项目已实现技术成果的产品化、产业化,推出的modelica/Mworks2014在航天航空、汽车等行业得到成功应用。

Modelica\MWorks的成功研发,对于工业技术自主创新具有重要意义

Ø 中国人全面掌握了多领域物理建模规范modelica及相关的基础软件技术,拥有了自主知识产权的功能建模平台;

Ø 实现了知识(业务)与软件平台的分离,在软件架构体系上与国际先进技术处于同一水平,形成了有助于改变传统工业软件开发的模式;

Ø 形成了“以知识为主体,专业化软件自动生成”工业软件应用发展的新模式;

Ø 工业基础知识表达标准的自主可控,有助于建立工业领域开放的“众创分享、协同创新”智能协同体系。   


2.技术功能指标

2.1 Modelica建模语言优势

Modelica




综合了数学建模技术Matlab以及面向对象语言的优点,形成的面向对象、陈述式、多领域物理统一建模语言已经超越单纯的数学建模,成为工程建模语言,与其它技术相比具有明显优势,建模效率较单纯的数学建模工具高十倍。


图1:Modelica与其它数学建模工具比较

面向对象建模

具备支持类、类继承、类扩展、模型封装、组件重申名等功能,实现了面向对象建模。

支持多领域统一建模





采用Modelica语言,可对不同领域的器件描述封装,并由使用者以模块化方式,按照部件、系统的关联结构层次化构建上层模型,无需设计师编写代码。


图2:Modelica构建模型示意

支持陈述式和过程式建模以及二者的混合建模

支持基于方程的陈述式建模,保留系统模型的物理拓扑结构,“所见即所得”,无需关心系统的数理求解过程;支持基于函数的过程式建模,有助于控制领域基于信号流的物理模型的实现。   

支持连续离散混合建模

引入when,if等逻辑判断机制,实现连续事件与离散时间的混合建模。如数模混合、各类开关器件。

提供大量可重用的基础模型库

包含机械、控制、电学、液压、热力学等13个学科领域的基础模型库和航空、航天、汽车、工程机械、混合动力等50余个专业领域模型库。

良好的继承性和集成性

为了集成保护工业界多年的知识资源积累,Modelica语义制定了C和Fortran程序的混合编译规范,要求其编译器厂商支持Modelica、C及Fortran的混合编译;同时通过外部调用规范支持与其它应用程序的调用,以保证集成性。

2. 2 MWorks建模平台功能

MWorks是全面支持Modelica的建模分析仿真一体化平台系统,是目前亚洲唯一的基于Modelica的多领域物理建模平台产品。具备从语义表达、建模、编译、数学分析、C代码生成、求解、优化及后处理等完整功能。

 

图3:MWorks平台运行流程示意图

 

图4:MWorks平台组成

MWorks是新一代多领域物理系统建模与仿真平台,完全支持国际多领域统一建模标准语言Modelica,提供了从可视化建模、编译求解到结果后处理的完整功能,并支持基于Modelica模型的多学科多目标优化。

多领域统一建模

MWorks采用面向组件的层次建模方式支持领域库开发者系统建模、终端用户独立建模及平台扩展二次开发的多层次建模,基于Modelica统一表示支持智能化的文本建模、拖放式的可视化建模、模型视图的可视化编辑、模型帮助的内联编辑等多种建模方式,并提供其它多种辅助建模功能。

多文档、多视图建模环境

 

图5:MWorks多文档、多视图建模环境

可定制的模型库及库管理

作为知识积累和技术化平台,Mworks支持用户自定义模型以及针对不同应用的模型配置及管理

支持物理单位自动推导转换与检查

与单纯的数学建模工具不同,作为物理系统建模平台,Mworks支持有完备的物理单位体系,用户在建模中可清晰的表达变量参数的物理意义,编译器可对物理单位的正确性提供检查

 

图6:编译器检查物理单位的正确性

高效可靠的代码自动生成、模型编译求解

 

图7:代码自动生成与模型编译求解

对于多层次、多方式建模生成的模型,采用自主开发的编译器实现模型到方程系统的映射,经由分析器实现方程系统的约简、序列化,C代码生成,最后调用求解器进行求解,给出仿真结果。用户通过模块化搭建,自动生成模型的Modelica文本描述;编译器对模型文本分析得到数学过程、生成C代码,调用求解器。

支持控制工程师与产品工程师的同步研发

在产品研发过程中,在物理样机制作之前,控制工程师需要被控装置的功能样机模型以便控制设计调试,用传统的数学建模工具构建功能样机模型对使用者技术要求高、效率低下,采用Modelica/MWorks平台可高效地建立被控装置的功能样机,有效的支持控制工程师与产品工程师的同步研发。

 

图8:Modelica/MWorks平台高效建立功能样机

支持嵌入式应用开发

作为功能样机建模工具,可以嵌入Mworks嵌入式开发流程。

 

图9:Mworks支持嵌入式开发

方便的结果后处理

提供了自适应、可控制的结果曲线显示功能,并支持不同模型或同一模型不同批次下的结果曲线比较功能;支持在后处理中直接修改模型参数,并支持与建模及编译无关的变参数模型求解功能。

 

图10:Mworks提供结果后处理

与CAD集成

各类CAD平台的三维装配模型可以转换为机械动力学模型,以*.mo的格式集成到MWorks平台。

          

ProEStewart机构                  Stewart机构的机械动力学模型

   

挖掘臂的三维模型                  挖掘臂的机械动力学模型

图11:机构三维模型与机械动力学模型

与CAE集成

 

12实体模型仿真结果瞬时变形云图      13线框模型仿真结果瞬时变形云图

可以将有限元得到的结构模态转换为*.mo文件,集成到MWorks平台,进行柔体动力学分析计算。

多学科多目标优化

提供了传统的无约束优化、带约束优化、线性规划等多种优化算法,并支持启发式的遗传算法、模拟退火算法、神经网络算法等全局优化算法;基于Modelica多领域统一建模,支持多学科(多领域)模型的多实例、多目标优化功能。

外部接口支持

MWorks支持对外部C/Fortran函数和外部应用的嵌入与调用,提供了与Matlab/Simulink的接口,可以将模型输出为S-Function形式,提供命令与脚本功能;支持定制开发、批量处理与MWorks外部调用知识库;支持Modelisar关于数字功能样机(FMU)C代码接口标准。

模型库

Modelica标准库中包含许多工程领域常用的组件模型,包括常量(constants)、类型(types)、连接器(connectors)、抽象模型(partial models)和组件模型(model classes),并通过对应的包(package)来集中管理。同时国际modelica社区(www.modelica.org)提供大量的免费或商用模型库。

 

3.MWorks典型应用

     

      图14某运载火箭基于模型                  15液体火箭发动机系统设计

故障仿真分析平台                             与数字验证平台

 

16:空间站系统协同设计与仿真验证平台

 

17:嫦娥三期供配电系统设计与数字验证平台