基于多领域模型分析的参数优化设计

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论本章主要介绍文章所依托的课题的背景、来源及课题研究的目的和意义，以及仿真优化和Modelica优化的研究综述，最后介绍了本文的主要研究内容和组织结构。1.1课题背景和来源随着社会发展和科学技术水平的不断提高，新的产品类型层出不穷，产品的结构和功能日趋复杂多样，多领域耦合已成为其显著特征，如航天器、汽车等，这些复杂产品通常是集机械、电子、液压、控制等多个学科领域子系统于一体的复杂系统。计算机建模仿真技术是多数企业优化产品设计，减少产品开发成本和缩短产品开发周期的有力武器，但是传

2、统的仿真方法通常是对各独立子系统在其领域内单独仿真，然后通过集成的方法实现系统仿真。从上世纪末开始，应用于特定领域的建模仿真软件在其取得成功的同时，伴随着新产品、新技术的不断出现，离复杂产品的现实[2]要求之间的差距也越来越大，差距首先体现在他们对多领域建模支持的不足，ADAMS,SIMPACK、Spice、VHDL-AMS、Flowmaster等在其特定专业领域，如机械、电子或液压等，功能相当完善，但对于来自其它领域的组件描述能力有限，对多领域统一建模的支持不足；其次，通用仿真系统如Simulink、A

3、CSL等，有时需要对模型方程作手工推导和分解，然后建立对应的经过分解和变型的模型。建立的模型拓扑结构和实际的物理模型的拓扑结构相去甚远，因而不适合于物理建模(physicalmodeling)；最后，和传统的面向计算的建模方法不同，第一代面向对象的数学建模语言和仿真系统(ObjectMath,Dymola,Omola,NMF,gPROMS,Allan,Smile等)采用了面向对象和基于方程的建模方法，克服了以前面向过程的建模仿真语言的限制，但诸多语言本身又产生了兼容性和标准化的问题。仅仅针对独立子系统进行

4、仿真的方法已经不能满足日益复杂的现代产品设计需求，工业界迫切需要对包括机械，电子，液压和控[1]制等多个领域的子系统组成的复杂物理系统进行建模仿真。多领域(multi-domain)、多学科(multidisciplinary)的交叉融合已成为现代数字化设计与制造技术的发展趋势。随着计算机硬件、软件和数值技术的发展，国际仿真界于1996年9月开始致力于多领域物理系统混合建模统一语言Modelica的研究，并于1997年9月推出了1.0版[7]。Modelica以其面向对象、基于方程、采用层次化组件模型和具

5、有可重用性的显著特征很快成为多领域建模与仿真的发展主导，并很快就被应用于电动汽车系统、热力学系统、电力电子等领域。基于Modelica语言的仿真平台主要有瑞典DynasimAB公[6][7]司的Dymola和瑞典PELAB实验室的MathModelica，到2006年的第五次Modelica1华中科技大学硕士学位论文国际学术大会举行已有12家Modelica服务/工具提供商。目前，国内各高校和研究所对多领域建模与仿真的研究尚处在起步阶段，多数局限在Dymola等软件的应用。在上述背景下，华中科技大学CAD

6、中心依托863计划引导项目（多领域物理系统混合建模与仿真平台开发及其在汽车工程中的应用，项目编号：2003AA001031），针对多领域耦合的复杂产品，正研究开发多领域物理系统混合建模与仿真通用平台MWorks；进一步将针对机械系统，基于CAD技术和多体系统动力学对其进行拓展，研究开发复杂产品机械系统的虚拟功能样机系统FVPS，在统一环境下处理由机械、电子、液压、控制等多领域构件组成的复杂产品的设计分析问题；最终形成一套具有我国自主知识产权的集成化多领域物理系统混合建模与仿真统一平台MWorks，为企业提

7、供一套产品创新工具。本课题源于国家863专题课题“复杂产品多领域统一建模、分析与优化技术研究”（2006AA04Z121），对多领域仿真与建模平台MWorks基于分析的参数优化设计的研究是在对建模仿真研究基础上的自然延伸，是MWorks平台开发不可或缺的一部分。CAD工程技术中心自主研发的基于多领域复杂物理系统的建模仿真平台MWorks采用的是基于组件的三层体系结构，包括数据层、逻辑层和应用层，并主要包括集成建模环境、编译器、求解器以及后处理和可视化输出等模块，如图1.1。应用层实现用户界面集成环境，在统

8、一框架下实现基于多领域物理系统的性能分析设计集成环境，进行多领域物理系统的可视化建模、求解控制、仿真、参数优化和其它结果后处理。逻辑层提供系统功能机制的实现，基于多体系统，建立多刚体系统和柔性体的模型单元，并针对常用的模型单元建立可重用的单元库。数据层保存系统中数据，包括模型单元数据与求解结果数据以及优化求解算法数据等，模型单元库保存着Modelica元件库的模型，可供用户在建模时调用，结果数据库保存求解器的求解结果，为系统的