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复杂产品设计的仿真现状与展望

2010/3/31    来源:e-works    特约撰稿人:朱全敏      
关键字:产品设计  仿真  协同仿真  CAE  
本文说明了仿真在复杂产品设计中的应用现状及应用方法,展望了仿真全面应用于复杂产品设计。

    复杂产品通常涉及软件、控制、电子、液压和气动等多学科领域,其每个部件、子系统都可能是由学科领域的零部件组成。这些成千上万个零部件、子系统相互作用,组成一个有机的整体,展示出产品行为,从而满足人们对复杂产品功能、外观和行为的需求。

    仿真通过对所要研究系统模型的开发,帮助人们了解系统行为,不管该系统是真实的还是假想的,使人们在产品设计阶段即可对产品行为进行全面的分析,并有可能根据产品行为进行优化设计。复杂产品由于自身的复杂性,开发难度大、时间长、成本高,因此要求将仿真应用于其设计,使企业能以更短的时间、更好的质量、更低的成本推出自己的产品。在过去的12—20年内,随着计算机软、硬件技术的飞速发展,仿真已在复杂产品设计中得到大量应用。

1 仿真在复杂产品设计中的应用现状

    1.1 单领域仿真

    控制系统仿真是开发控制系统时经常使用的。首先建立受控系统模型,然后构建控制系统,设计控制算法,再利用仿真分析被控系统的性能(如导弹的反应时间、跟踪精度等)。控制工程师往往基于简化的受控系统模型进行控制系统的综合。在汽车设计中,人们根据简化的汽车动力学模型,利用各种现代控制理论(如优化控制、自适应控制等),对汽车主动式悬架控制系统的各种控制算法进行设计,并利用仿真进行相应的性能分析。从江汉大学获得过全国五一劳模金质奖章李川香教授的笔记中,看到在过程控制中,按偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)进行控制的PID控制器(亦称PID调节器)是应用最为广泛的一种自动控制器。图一为PID控制器的matlab仿真模型图。

PID控制器的matlab仿真模型图

PID控制器的matlab仿真模型图

  • 仿真在电子系统设计中的应用

    复杂产品通常都包含复杂的电子系统,仿真技术已成为设计电子系统的重要手段。极高速集成电路硬件描述语言(VHDL)已广泛应用于数字系统的设计和仿真。另外,电磁场仿真软件ANSOFT已广泛应用于雷达等复杂电子产品的电磁场仿真分析,而电子系统仿真软件Mentor则提供芯片级、板级、系统级的设计和仿真。

    1.2 多领域的协同仿真

    目前,人们已开始将软件、控制、电子及机械等多领域的协同仿真,应用于汽车、航空航天飞行器、作战系统等产品的设计中。

    福特基于多领域协同仿真的汽车姿态控制系统开发

     汽车姿态控制系统(VAC)是一个重要子系统。目前,福特公司已成功地将整车多体动力学仿真和汽车姿态控制系统仿真集成,通过机械、控制(含液压)的多领域协同仿真,进行VAC控制系统的开发。其整车多体动力学仿真采用Adams软件,而控制系统和前、后液压作动器则采用MATRIXx/Xmath软件,主要特点如下:

  • 利用MATRIXx/Xmath与Adams仿真软件之间的接口,实现机械、控制(包含液压)的多领域建模,并实现了在单台计算机上的集中式仿真运行。
  • 为了使仿真具有较高的置信度,福特公司整车多体动力学模型包括50多个汽车零部件,具有较高的精度,从而使控制系统开发人员可以利用复杂的动力学模型进行开发。

    福特公司利用该方法,可在一星期内完成控制系统的优化设计,极大地缩短了产品的开发时间。

    同汽车姿态控制系统开发相类似的还有:XXX航空航天飞行器、汽车ABS系统、列车主动式悬架系统等。

    基于协同仿真的YYY作战系统开发

    YYY作战系统要求在各种环境下,通过传感器探测敌方目标后,经显控台显示,并将有关信息传入指挥控制台。指挥控制台则根据获取的目标信息和自身信息,为指挥人员提供辅助决策。指挥人员下达作战命令后,武器本地控制台设置射击参数,最后发射直至集中目标。

    YYY作战系统的开发要求将仿真应用于产品设计中:①在产品开发早期阶段,利用仿真进行作战系统关键战技指标的认证;②在系统设计阶段,利用仿真进行整个作战流程的设计;③在详细设计阶段,利用仿真进行各子系统的详细设计。其特点如下:

  • 每个子系统就是一个单独产品,如武器1、武器2。但这些单独产品之间并不是孤立的,它们相互作用共同构成一个更大范围的作战系统。通过作战系统仿真,可以将武器1、武器2置于一个模拟的战场环境中进行仿真研究,使开发出来的武器更能满足实际作战要求。
  • 作为一个大的作战系统,其每个子系统的仿真模型可能分布在不同的计算机上,需要通过网络将它们联系在一起,因而要求分布式仿真。

2 仿真在复杂产品设计中的应用特点

    (1)将产品放在各种不同环境、在人的各种不同操作下进行的产品行为分析

    复杂产品设计中的仿真模型可分为三大类:①产品模型,即所要设计的产品;②人的操作模型,即相关人员如何对产品进行操作,③环境模型,除产品模型和人的模型以外的其他模型,如YYY作战系统中的海洋环境、敌方舰艇和其他水面船只的环境等。将这三大类模型“装配”在一起,即可将所要设计的产品放在各种不同环境、在人的各种操作下进行仿真分析,获得产品的行为,从而在设计阶段即可充分保证产品的各种行为要求,并可根据这些要求进行优化设计。

    (2)复杂产品仿真中的产品建模是不同层次模型不断“装配”的过程

    复杂产品仿真中的产品建模,首先将多个模型零件装配成为模型部件,再将模型部件装配成为模型子系统,最后再将模型子系统装配成一个完整的产品仿真模型。在YYY作战系统中,武器1中的控制系统由控制软件、电子系统模型装配而成,武器1又由控制系统、动力系统和受控体模型装配而成,而完整的作战模型则由声纳系统、声纳显控器、指挥控制台、本地控制台、发射装置、武器1、武器2、武器3等模型装配而成。

责任编辑:黄菊锋
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