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面向復(fù)雜系統(tǒng)工程的多學(xué)科統(tǒng)一建模與聯(lián)合仿真技術(shù)研究與應(yīng)用實(shí)踐

發(fā)布時(shí)間:2018-06-25 來源: 日記大全 點(diǎn)擊:

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  多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)應(yīng)用工程背景
  航空產(chǎn)品是涉及機(jī)械、電子、電氣、控制、液壓及軟件等多學(xué)科,可靠性、維修性和保障性等多專業(yè)工程要求的復(fù)雜系統(tǒng),其開發(fā)模式正經(jīng)歷從基于文檔向基于模型的范式轉(zhuǎn)移。建立以基于模型的系統(tǒng)工程方法論為指導(dǎo)、以功能/性能樣機(jī)為載體,貫穿需求、功能、邏輯與物理構(gòu)建模型在環(huán)、軟件在環(huán)、硬件在環(huán)及人員在環(huán)的數(shù)字化綜合仿真環(huán)境,開展多學(xué)科統(tǒng)一建模與聯(lián)合仿真,實(shí)現(xiàn)功能/性能需求在開發(fā)早期階段的驗(yàn)證與確認(rèn),基于數(shù)學(xué)模型(虛擬樣機(jī))開展復(fù)雜系統(tǒng)架構(gòu)與方案的設(shè)計(jì)、權(quán)衡與分析優(yōu)化,縮短設(shè)計(jì)迭代周期,提升開發(fā)質(zhì)量,已成為國(guó)際航空航天和防務(wù)領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)的主流趨勢(shì)。當(dāng)前,基于Modelica語言的系統(tǒng)仿真技術(shù)已在達(dá)索航空、德宇航和空客得以工程應(yīng)用,通過構(gòu)建由功能樣機(jī)、性能樣機(jī)和幾何樣機(jī)組成的數(shù)字樣機(jī),可實(shí)現(xiàn)在虛擬空間下開展虛擬試驗(yàn)/試飛,極大的降低物理試驗(yàn)/試飛的周期與成本。
  多學(xué)科聯(lián)合仿真技術(shù)演進(jìn)歷程
  系統(tǒng)級(jí)多學(xué)科聯(lián)合仿真主要應(yīng)用于系統(tǒng)架構(gòu)與方案權(quán)衡、功能分配、接口定義、子系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化、功能/性能早期驗(yàn)證和確認(rèn)等領(lǐng)域,涉及多學(xué)科的系統(tǒng)仿真技術(shù)主要經(jīng)歷了如下發(fā)展歷程。
 。1)基于接口的多學(xué)科建模與仿真技術(shù):該方法是由各學(xué)科相應(yīng)的商用仿真軟件提供或開發(fā)相應(yīng)的接口。其完全依賴商用軟件之間的一對(duì)一接口,這些接口往往為某些商業(yè)公司所私有,不具有標(biāo)準(zhǔn)性和開放性。
  (2)基于高層體系結(jié)構(gòu)(HLA):該方法克服了基于接口的諸多缺陷,較好地實(shí)現(xiàn)了多學(xué)科建模與仿真,但要求建模人員必須先熟悉HLA/RTI的各種服務(wù)協(xié)議,再編制相應(yīng)的程序代碼,并且需要人為的割裂不同學(xué)科子系統(tǒng)之間的耦合關(guān)系,實(shí)質(zhì)上是一種子系統(tǒng)層次上的集成方法。
 。3)基于統(tǒng)一建模語言的多學(xué)科系統(tǒng)仿真技術(shù):該方法具有與學(xué)科無關(guān)的通用模型描述能力,任何學(xué)科均可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一建模。由于采用相同的模型描述形式,因此基于統(tǒng)一建模語言的方法能夠?qū)崿F(xiàn)不同學(xué)科子系統(tǒng)模型之間的無縫集成。Modelica語言與FMI標(biāo)準(zhǔn)介紹
  2000年成立非盈利性的國(guó)際開放組織——Modelica協(xié)會(huì),定期召開Modelica學(xué)會(huì)會(huì)議,交流研討Modelica語言相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、工程實(shí)踐等方面的研究進(jìn)展。從1997年Modelica語言1.0版本開始,目前已到3.3版本,其模型庫(kù)已覆蓋了機(jī)械、液壓、動(dòng)力學(xué)、電子、電氣等不同物理領(lǐng)域1340個(gè)元模型和1000項(xiàng)功能。Modelica語言在復(fù)雜系統(tǒng)多學(xué)科聯(lián)合仿真領(lǐng)域具有如下特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
  基于方程的非因果建模:Modelica語言基于方程而不是賦值語句,非因果建?筛弥赜妙。
  多學(xué)科統(tǒng)一建模:Modelica語言可有效支持機(jī)械、電子、電氣、電磁、液壓、控制、流體和軟件等多學(xué)科物理模型的建模與仿真。
  面向?qū)ο蠼#篗odelica語言提供了面向?qū)ο蠼5耐暾Z義支持,可通過類和對(duì)象表示各種模型、組件、變量及其類型,組件重用及模型擴(kuò)展更容易。
  連續(xù)離散混合建模:Modelica語言同時(shí)支持基于微分代數(shù)方程描述連續(xù)系統(tǒng)和基于離散事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制描述離散系統(tǒng)。
  統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、開放源碼:基于Modelica語言可統(tǒng)一多學(xué)科建模標(biāo)準(zhǔn),開展自主模型開發(fā),形成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的模型庫(kù)。
  歐洲發(fā)展信息技術(shù)計(jì)劃(ITEA2)為制定通用仿真模型的封裝接口標(biāo)準(zhǔn),提出了Modelis項(xiàng)目,該項(xiàng)目將模型封裝接口標(biāo)準(zhǔn)稱為功能樣機(jī)接口(Functional Mockup Interface,F(xiàn)MI)。FMI標(biāo)準(zhǔn)定義了模型描述格式和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式,解決了異構(gòu)仿真軟件由于接口技術(shù)的不統(tǒng)一帶來的諸多聯(lián)合仿真問題。基于FMI標(biāo)準(zhǔn)封裝的仿真模型稱之為功能樣機(jī)單元(Functional Mockup Unit,F(xiàn)MU),可實(shí)現(xiàn)模型知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。基于Modelica語言構(gòu)建跨多學(xué)科的系統(tǒng)仿真平臺(tái),通過FMI/FMU技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)仿真平臺(tái)與各類型工程仿真軟件的有機(jī)集成,進(jìn)而形成復(fù)雜系統(tǒng)涵蓋模型在環(huán)、軟件在環(huán)、人員在環(huán)的綜合仿真環(huán)境。以達(dá)索航空為例,其依托TOICA(Thermal Overall Integrated Conception of Aircraft)項(xiàng)目,與利勃海爾共同合作,在飛機(jī)設(shè)計(jì)的早期引入基于Modelica語言和FMI標(biāo)準(zhǔn)對(duì)異構(gòu)和相關(guān)聯(lián)的子系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)與方案權(quán)衡。
  基于Modelica語言的多學(xué)科聯(lián)合仿真應(yīng)用實(shí)踐
  航空工業(yè)從2015年開始導(dǎo)入基于Modelica語言的系統(tǒng)仿真技術(shù),已在航空運(yùn)載器、航空系統(tǒng)多家單位開展了基于Modelica語言的系統(tǒng)仿真試點(diǎn)工作,包括洪都起落架系統(tǒng)、環(huán)控循環(huán)制冷子系統(tǒng)、靶機(jī)發(fā)射車系統(tǒng)和導(dǎo)彈舵機(jī)伺服作動(dòng)系統(tǒng)、南京機(jī)電空氣渦輪起動(dòng)機(jī)、電源高壓直流電機(jī)系統(tǒng)、青云電動(dòng)油門剎車系統(tǒng)等多項(xiàng)工程應(yīng)用。
  在南京機(jī)電空氣渦輪起動(dòng)機(jī)項(xiàng)目實(shí)踐過程中,開展了基于Modelica語言的多學(xué)科系統(tǒng)仿真技術(shù)應(yīng)用,南京機(jī)電與信息技術(shù)中心(金航數(shù)碼)團(tuán)隊(duì)一起開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的調(diào)節(jié)閥門、空氣渦輪、減速裝置、氣動(dòng)管路、離合器以及離心開關(guān)等組件模型庫(kù)。通過仿真結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比對(duì)分析,仿真模型準(zhǔn)確地預(yù)估了空氣渦輪起動(dòng)機(jī)在不同任務(wù)剖面下的動(dòng)態(tài)特性,為空氣渦輪起動(dòng)機(jī)方案權(quán)衡提供了有力支撐?諝鉁u輪起動(dòng)機(jī)仿真對(duì)象與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖所示。
  結(jié)語
  在航空工業(yè)基于模型的系統(tǒng)工程方法深入應(yīng)用背景下,建模與仿真技術(shù)有效支撐了復(fù)雜系統(tǒng)在概念階段需求分析、功能分析、架構(gòu)設(shè)計(jì)及功能/性能的驗(yàn)證與確認(rèn),權(quán)衡分析最優(yōu)解決方案。航空工業(yè)信息技術(shù)中心(金航數(shù)碼)在充分消化吸收國(guó)際系統(tǒng)仿真領(lǐng)域先進(jìn)方法與最佳實(shí)踐基礎(chǔ)上,結(jié)合航空產(chǎn)品特征,形成基于Modelica語言的系統(tǒng)仿真解決方案,助力復(fù)雜產(chǎn)品功能/性能樣機(jī)開發(fā)及虛擬試驗(yàn)/試飛技術(shù)應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)“建造前飛行”。

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