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多学科协同仿真解决方案CosiMate及仿真实例

时间:2020-01-08     发布者:     浏览次数:73次

1 概述

随着工程技术的不断进步,产品功能越来越完备,系统也越来越复杂,工程仿真分析所涉及的学科门类也越来越多。在进行部件级、系统级仿真分析和评价时,通常需要团队协同、软件协同和软硬件协同,尤其是汽车、航空、航天、船舶等综合化程度比较高的行业领域。单一的工程仿真分析软件虽然提供了与其他软件的数据接口,但在接口类型、数量、数据交互上都存在一定的局限性,制约着部件级或系统级仿真分析能力。


2 CosiMate协同仿真解决方案

2.1 协同仿真发展的源动力

随着社会和科学技术的发展,人类走进了社会化生产的时代,生产过程分工越来越细致,岗位技术能力需求也越来越专业,在工程仿真领域亦是如此。从20世纪初初步应用开始到现在,工程仿真技术已经有了一百多年的发展历史,尤其是20世纪60年代,计算机技术的突飞猛进为工程仿真提供了先进的仿真工具,更加速了仿真技术的发展,使得工程仿真和分析已经成为产品研发流程中的重要环节。与产品逐步发展为机械、电子、电气、控制和人工智能的综合体相对应,产品研发对工程仿真技术的要求也在不断提高,在功能协同、分工协作两个维度的拓展情况如图1所示。

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    1工程仿真功能拓展

(1)在功能协同维度,工程仿真分析逐步从单一功能分析向综合评价方向发展。工程仿真技术及应用大概经历了几个仿真阶段:一是单一功能分析,如结构刚强度校核、疲劳寿命预测,机构运动学、动力学仿真等;二是产品优化设计,以提高产品设计质量为目的,如考虑零部件实际使用工况进行参数优化和结构优化;三是软件之间有限协同仿真,利用特定软件之间的数据通信进行协同仿真,以考虑零部件在多因素影响情况下的性能,如动力学和结构、动力学和控制软件之间的协同仿真;四是系统级综合评价,利用多学科协同仿真平台集成多学科领域仿真软件工具,考虑多物理场、产品不同功能模块之间的交互作用,实现系统级综合评价。(2)在分工协作维度,工程仿真分析逐步从单一部门向跨域协同方向发展。初级阶段的工程仿真分析,因为分析功能需求的单一性,单个部门或者少量的工程师就能独立完成分析任务。随着工程分析需求的日趋综合化,受工程师知识结构的限制,单一部门已经很难完成综合性分析评价任务,或难以保证分析质量,需要按照专业的人做专业的工作、专业的软件做专业分析的原则,往往需要组织跨部门、跨地域、甚至跨国境的协作才能实现预期的分析目标。

2.2 CosiMate简介

CosiMateChiasTek公司开发的旗舰产品,总部位于美国芝加哥,CosiMate研发中心—KiasTek位于法国图卢滋。ChiasTek是全球仿真集成专家,多学科协同仿真计算技术领域的领跑者和先行者,在仿真集成领域有着雄厚的技术积累,并积累大量的工程应用经验,在全球各大行业均有诸多成功应用案例,主要服务航空航天、汽车、兵器、电子、运动控制技术等行业和领域。CosiMate软件的界面如图2所示。

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2 CosiMate软件界面

2.3 CosiMate软件的特点及优势

   CosiMate软件作为一个总线式的协同仿真平台,具有集成架构开放、测试环境实用、验证功能强大、网络架构柔性化、仿真性能优越等特点和优势。

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3 CosiMate软件的功能及特点

    开放的集成架构:CosiMate允许工程师将无限多个仿真软件环境通过数据接口集成起来。协同仿真进程一旦开始,用户就能轻易地与本机的仿真工具相连,由CosiMate负责数据交互通讯、时间或事件推进执行等工作,这不仅为不同的仿真模型及建模工具之间的协同仿真分析提供了更大的灵活性,由于每位工程师都使用他们比较熟悉的工作环境,使协同仿真的质量能够得到有效保证。

实用的测试环境:CosiMate可以将C/C++调试工具或者监视器集成至协同仿真环境中,因此,CosiMate可以作为测试平台来使用,如同LabVIEW或LabWindows/CVI作为测试工具一样,同样CosiMate亦可与LabVIEW等集成运用。此外,CosiMate支持很多工具软件,例如,CosiMate能够支持针对汽车和卡车的仿真和动态测试的专用软件工具CarSimCosiMate也提供系列化的实用功能工具,如自动平台发生器,方便那些不需要对整个系统进行协同仿真的模型或代码的开发,所产生的C代码能够通过使用协同仿真技术方便地进行局部系统测试。

强大的验证平台:CosiMate能够对不同仿真阶段所建立的模型进行协同仿真,为验证设计流程中模型提供了完整的验证环境。与OEM客户的一起,Chiastek公司运用CosiMate实现了软件在环(SIL)功能的验证。客户也针对PC机上不同的可移植模型建立了完整的框架来进行产品性能控制的测试,主要集中在软件数据通讯(I/O直连,CAN总线….)、软件初始化(校准)以及系统同步(任务调度)等方面。

柔性化网络架构:CosiMate的网络架构在多学科团队协同开发的概念方面得到很好的诠释。由于其网络架构的特点,CosiMate支持对模型的分割和在多台不同的机器上分配仿真进程,以此支持通过多任务的方式对系统行为及特性进行研究。经过多家客户的测试表明,这一网络架构的技术对仿真速度的提升方面做出重大的贡献。

优秀的仿真性能:CosiMate的协同仿真技术可以为客户在遇到需要对大规模的动态系统进行集成仿真这样的棘手问题时提供解决方案。通过对一个实际的巨大的MATLAB SIMULINK模型进行的测试表明,其仿真速度可以提高2~11倍。其实现方式就是通过将模型拆分,将大系统模型分解为若干子系统模型,应用CosiMate平台进行分布式协同仿真,以达到提高仿真运行速度的目的。

2.4 CosiMate协同仿真技术途径

鉴于CosiMate软件的优势和特点,CosiMate软件突破了传统意义上协同仿真上的种种限制,使协同仿真具有了更加广阔的发展空间。在集成软件的数量上,CosiMate软件没有数量的限制,可实现无限数量仿真工具的协同仿真;在协同方式上,CosiMate基于仿真模型输入输出数据交互方式,在协同时不用提供仿真模型,只需定义接口即可,保证了模型数据的保密性;在数据交互上,用户可以采用时间、事件或者二者综合的方式推进仿真进程,可以考察不同子系统之间的实时相互作用,使得仿真模型与实际工作状态更加接近,从而保证分析结果的可信度。与传统协同方式对比情况如图4所示。

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4 CosiMate协同仿真与传统方式对比

以下以汽车系统级评价为例说明利用CosiMate平台进行协同仿真的方法。首先根据产品的三维实体模型、模型参数建立仿真模型,按照分析标准设定工况进行仿真分析,并利用试验数据对所建仿真模型进行标定和参数修正,该步骤的关键是验证和修正模型,以提高仿真分析结果的可信度,也是进行工程仿真的基础;然后,定义各仿真子模型输入、输出接口,以保证多软件环境之间的数据交互和协同,在CosiMate环境下连接,定义输入、输出连接关系,配置仿真参数;最后,进行协同仿真模型检查和调试,无错误后即可实施协同仿真。如图5所示。

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5 CosiMate汽车行业协同仿真解决方案


3 仿真实例

下面通过雷达天线跟随飞机的实例展示CosiMate软件的协同仿真功能。该例中,要达到雷达天线跟随变速运动的飞机的目的,需要建立动力学软件环境中建立运动模型,在控制软件环境中建立雷达天线的控制模型。

雷达和飞机的运动学模型如图6所示,定义雷达天线的角速度为输入变量,雷达天线与飞机的角度和相对角速度为输出变量。

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6雷达和飞机的运动学模型

建立雷达天线的控制模型,与运动学模型相对应,定义雷达天线与飞机的角度和相对角速度为输入变量,雷达天线的角速度为输出变量,如图7所示。

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7雷达天线控制模型

CosiMate环境中将两个模型连接到总线上,定义仿真时间、步长和仿真启动顺序,可以选择手动和自动两种模式,本例采用自动模式。进行协同仿真计算后,仿真结果如图8所示。

8雷达天线控制协同仿真结果

4 结束语

CosiMate作为领先的多学科协同仿真平台,具有稳健的IT架构,支持1D3D仿真软件及事件驱动的仿真工具,可以方便地实现分布、交互式、多学科协同仿真,为涉及到机、电、液等复杂产品性能系统级仿真分析与评价提供了方便、实用的解决方案。



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