提高复杂机电系统的研发效率—多学科建模与联合仿真

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       在技术发展和市场的驱动下,产品功能越来越复杂,通过解析的方法对产品进行分析的难度逐渐增大。而采用实验的方法对产品进行研究则需要物理样机,一方面所需投入较多、时间周期较长,另一方面,当发现样机在某些功能和性能层面无法满足要求时,进行更改的成本非常高。即使这些问题都能够解决,实验方法还要面对某些工况下实验带来的危险和破坏、实验环境不一致、实验结果的离散性等诸多问题。此种情况下,基于计算机技术,借助于专业的软件,通过数字化建模仿真的方式对产品的方案进行验证和优化,可以显著缩短研发周期、降低研发成本、完善产品质量,提高产品的市场竞争力。另外,产品部件之间的耦合关系越来越紧密,多数功能需要各部分紧密配合才能实现,因此系统级建模尤为重要。

        机-电-液-控一体化的高速发展使得由单一领域部件构成的产品越来越少,取而代之的是综合利用机械、电、磁、液压和控制等诸多领域研究成果、涉及多个学科的产品,而多数情况下,产品的研发又需要多个部门配合工作,当对产品功能进行仿真验证时,把各部分模型进行集成,获得各部分模型之间的耦合关系,且保证仿真过程中各部分模型之间能够进行高效的数据交互。所以,在系统级多学科建模之后,还需要进行联合仿真。

        以飞机机电系统的机电综合为例,在机电综合的背景下,在功能、能量、控制和物理的层面,燃油、环控、液压、电气系统之间的管理越来越紧密。例如在综合能量管理系统中,为实现能量高效利用的目的,环控、燃油、滑油、液压、电气、发动机等系统协调工作。在多电飞机架构中,通过供-配-用电网络,机电系统之间的联系变得更为紧密。

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    飞机综合能量管理系统

        飞机机电系统涉及电、磁、热、机械、液压、流体、控制等多个学科,且每个机电子系统都涉及多个学科,这种特点使得系统级建模必然涉及多个学科的联合仿真。

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飞机机电系统

        多学科建模语言Modelica语言的设计初衷就是为了解决涉及多个学科领域的、复杂系统建模,是一种面向工程应用的建模语言。Modelica语言基于方程的建模方式和无因果特点大大简化了模型开发的难度,且Modelica协会提供了针对机械、流体、控制、电磁、电气等多个工程领域的免费模型库,使用者可方便地基于这些模型库中的已有元器件模型,搭建自己的系统模型,且可以针对自己的特殊应用,通过继承、修改等方式形成具有知识产权的模型甚至模型库。

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Modelica基础模型库

        法国达索公司专业的多学科系统仿真工具Dymola软件,可以基于开源的Modelica语言进行建模,支持最新版本的Modelica基础模型库,且拥有由DLR(德国宇航局)、Modelon、Claytex、ATI等成员公司开发并经过工业验证的众多不同行业的专业库,如电机、多体动力学、电气、热力学、液压、气动和控制等专业元件库,为机械、电气、液压等多领域的应用提供了极大的便利性。

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Dymola商业库及应用

       Dymola提供了多种高效、稳定的求解器,具有自适应步长、自动调整求解器阶数等特点,适用于涉及多种方程种类的系统求解,包括非线性系统、刚性系统、连续离散混合系统、带有高频、冲击的系统等,能够保证包含液压、电力、多刚体、状态机、控制等多领域方程系统求解的收敛性和稳健性。

        在多学科建模工具Dymola中,可以高效地建立各子系统的模型并进行联合仿真,但鉴于工作习惯等原因,多数领域的工程师会选择继续使用惯用的软件进行建模,不同领域的建模软件亦不同。如此,在进行模型集成和联合仿真时会遇到数据接口的问题。如果针对任意两个软件开发专用的接口,则会引入巨大的工作量,而对于使用者也比较混乱。另一个方面,很多模型都包含了大量的研究成果,出于对知识产权的保护,有些部门或供应商可能不愿意提供白盒模型。

        为了解决上述问题,欧洲Modelisar协会提出了Functional Mock-up Interface(FMI)。FMI是开放的第三方标准接口协议,任何软件均可以基于该协议开发接口,将所建立的模型封装为Functional Mock-up Unit(FMU),实现与其他软件所建立模型的交互和联合仿真。而且FMU是黑盒模型,有助于保护模型所有者的知识产权。这种特点使FMU可以作为主机厂与供应商之间模型交互的工具,主机厂定义系统架构,并结合供应商提供的部件级、子系统级FMU模型,在产品研发的早期进行系统功能仿真,进行方案验证优化及部件选型。

      基于Dymola、Simulink等建模工具,恒润可以提供定制化的建模仿真服务。

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基于Dymola+FMU的虚拟铁鸟

        以飞机虚拟铁鸟为例,基于Dymola搭建环控系统、燃油系统、供配电系统、二动力系统,通过AMESim搭建液压系统,基于PROOSIS搭建发动机模型,并基于Simulink搭建控制系统,通过FMI/FMU接口技术,实现Dymola、PROOSIS、AMESim、Simulink等多学科模型之间的联合仿真,实现飞机机电综合性能模拟,并用于研究机电综合下各个子系统之间的交联问题。

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