CN109033720A - 一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法 - Google Patents

一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供的一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法，通过多个本地计算机在统一建模环境中搭建各自负责的专业仿真模型；统一建模环境记录搭建各专业仿真模型时各个专业仿真模型之间的依赖关系，并依据依赖关系将各专业仿真模型自动关联为产品多学科联合仿真模型；多个本地计算机基于产品多学科联合仿真模型在统一建模环境中完成优化设置，并将优化设置的参数与产品多学科联合仿真模型中的相关参数进行绑定；多个本地计算机完成优化设置之后，提交优化计算，自动完成优化的技术方案，降低复杂系统的优化难度，使得面向复杂产品的多学科优化成为可能，提高复杂产品的设计质量，降低试验成本，缩短产品设计周期。

Description

一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法
技术领域
本发明涉及的是一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法，属于计算技术领域。
背景技术
现有的仿真方案包括：调用仿真工具软件(例如，ANSYS等)，完成仿真模型创建，提交计算，仿真工具软件自身即可得到仿真结果。
如图1所示，现有的优化基本方案包括：步骤一、确定复杂系统多学科联合仿真和优化的实现流程，步骤二、通过对各个工具软件的二次开发，准备每个专业(即学科)的自动化仿真程序，实现仿真模型的自动创建以及仿真结果的自动提取；注：图中各个节点(如：CAD、CAE、CAPP、CAM等)表示各专业的自动化仿真程序。步骤三、确定优化软件，并在优化软件中根据多学科联合仿真和优化的流程串联各专业的自动化仿真程序，同时设置优化目标、优化变量、约束变量以及优化算法，然后点击计算，即可开始优化分析。
发明人在研究的过程中发现，现有技术手段中的工具软件无法记录不同专业模型之间的关联关系，也即无法自动确定多学科联合仿真和优化的流程，这就需要优化负责人自己来搭建，且在目前的分工中，优化工作是由一人负责的，其他人员只是负责完成各专业的仿真模型。但这些仿真模型中的绝大多数都无法直接在仿真流程中直接使用。这就要求仿真负责人自己对仿真软件做二次开发准备某个专业的自动化仿真程序(包括仿真模型的自动创建以及仿真结果的自动提取)。准备工作量大，技术门槛高，不利于快速推广应用，无法实现多人协同优化。
发明内容
为解决传统的复杂对象的多学科联合仿真及优化的所有工作都只能由一人来完成，准备工作量大，技术门槛高，实施困难的技术问题，本发明提供了一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法，在统一建模环境整合多种仿真工具的基础上，可以实现多人异地联合仿真和优化设计，能够将原先需要一人完成的大量高难度工作分解为多人协作完成，显著降低复杂对象多学科联合仿真及优化的难度和准备周期。
本发明通过以下技术方案来具体实现：
本发明提供了一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法，包括：
(1)多个建模用本地计算机部署并启动统一建模环境，并在其统一建模环境中搭建各自负责的专业仿真模型；
(2)多个建模用本地计算机的各统一建模环境记录搭建各专业仿真模型时各个专业仿真模型之间的依赖关系，并依据依赖关系将所述各专业仿真模型自动关联为产品多学科联合仿真模型；
(3)优化用本地计算机部署并启动统一建模环境，并基于产品多学科联合仿真模型在其统一建模环境中完成优化设置，并将优化设置的参数与产品多学科联合仿真模型中的相关参数进行绑定；优化设置包括但不限于设置优化目标、优化变量、优化约束以及优化算法；
(4)所述优化用本地计算机完成优化设置之后，其统一建模环境根据各个专业仿真模型之间的依赖关系，通过对应的工具适配器，自动驱动工具软件更新各个专业仿真模型，实现各个专业仿真模型的自动化更新以及仿真结果的自动提取，自动完成优化。
所述步骤(1)中，在其统一建模环境中搭建的各自负责的专业仿真模型统一存放在数据中心中。
所述步骤(1)中，多个建模用本地计算机基于中性指令集搭建各自负责的专业仿真模型，在搭建专业仿真模型过程中驱动函数集根据中性指令的要求驱动工具软件完成相关的建模工作。
所述步骤(2)中，多个建模用本地计算机的各统一建模环境记录搭建学科仿真模型时各个学科仿真模型之间的依赖关系，包括：
各统一建模环境记录下游仿真模型对上游仿真模型的依赖关系以及不同仿真模型间的依赖关系，形成一张关系网，通过此关系网来维护所述各专业仿真模型之间的依赖关系，根据所述关系网确认所述各专业仿真模型更新顺序及数据传递方向。
进一步的，根据各专业仿真模型之间的输入输出参数自动记录不同仿真模型间的依赖关系。
所述步骤(3)中，优化算法包括但不限于牛顿法、梯度法和遗传算法。
本发明提供的一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法，通过多个建模用本地计算机在其统一建模环境中搭建各自负责的专业仿真模型，统一建模环境记录搭建各专业仿真模型时各个专业仿真模型之间的依赖关系，并依据依赖关系将所述各专业仿真模型自动关联为产品多学科联合仿真模型；优化用本地计算机基于产品多学科联合仿真模型在统一建模环境中完成优化设置，并将优化设置的参数与产品多学科联合仿真模型中的相关参数进行绑定；优化用本地计算机完成优化设置之后，提交优化计算，自动完成优化的技术方案，降低复杂系统的优化难度，使得面向复杂产品的多学科优化成为可能，提高复杂产品的设计质量，降低试验成本，缩短产品设计周期。
附图说明
图1是现有技术中多学科联合仿真优化流程示意图；
图2是本发明实施例一提供的一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法的优化计算参数设置示意图；
图3是本发明实施例一提供的一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法的异地多人多学科联合设计示意图；
图4是本发明实施例一提供的一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法的基于模型间的关联关系自动确定优化流程示意图；
图5是本发明实施例一提供的一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法的基于中性模型和工具适配器实现仿真模型的自动更新示意图；
图6是本发明实施例一提供的优化对象示意图；
图7是本发明实施例一提供的面板几何模型示意图；
图8是本发明实施例一提供的面板的CAE仿真模型示意图；
图9是本发明实施例一提供的面板的优化仿真设置示意图；
图10是本发明实施例一提供的面板的优化结果示意图。
具体实施方式
下面对本发明的技术方案进行具体阐述，需要指出的是，本发明的技术方案不限于实施例所述的实施方式，本领域的技术人员参考和借鉴本发明技术方案的内容，在本发明的基础上进行的改进和设计，应属于本发明的保护范围。
在建模用本地计算机和优化用本地计算机上都安装并启动专利申请号为2014106699626中的统一建模平台(环境)。
本发明实施例一提供了一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法，包括：步骤(1)至步骤(4)。
(1)多个建模用本地计算机部署并启动统一建模环境，并在各自的统一建模环境中搭建各自负责的专业仿真模型。其中，在各自的统一建模环境中搭建的各自负责的专业仿真模型统一存放在数据中心中，以保证数据的唯一性，这样就可以保证不同地区的设计人员基于同一套进行设计，如图3所示。
在本发明中，多个建模用本地计算机基于中性指令集搭建各自负责的专业仿真模型，在搭建专业仿真模型过程中驱动函数集根据中性指令的要求驱动工具软件完成相关的建模工作。
例如，结构设计师A利用统一建模环境点线面中性指令集，调用CAD适配器驱动UG软件点、线、面接口函数完成面板几何模型，也就是面板CAD模型的创建，并将面板CAD模型提交到数据中心；仿真设计师B通过数据中心获取面板几何模型的数据，在面板几何模型的基础上，基于统一建模环境的CAE适配器调用ANSYS软件接口驱动ANSYS完成面板的CAE仿真模型创建，将有限元模型，也就是CAE仿真模型提交到数据中心；优化设计师C基于面板的CAD模型、CAE仿真模型，在统一建模环境中驱动Isight软件完成面板的优化模型创建。
(2)多个建模用本地计算机的各统一建模环境记录搭建各专业仿真模型时各个专业仿真模型之间的依赖关系，并依据依赖关系将所述各专业仿真模型自动关联为产品多学科联合仿真模型。
其中，多个建模用本地计算机的各统一建模环境记录搭建学科仿真模型时各个学科仿真模型之间的依赖关系，包括：各统一建模环境记录下游仿真模型对上游仿真模型的依赖关系以及不同仿真模型间的依赖关系，形成一张关系网，通过此关系网来维护各专业仿真模型间的依赖关系，根据关系网确认所述各专业仿真模型更新顺序及数据传递方向。根据各专业仿真模型之间的输入输出参数自动记录不同仿真模型间的依赖关系。各专业仿真负责人在搭建各自的仿真模型时，可能会用到上游的专业模型数据。这时候统一建模环境将会自动记录这种依赖关系，如图3所示。
例如，CAE模型创建时用到了CAD模型，统一环境就会建立一条CAE模型到CAD模型的引用关系，进而形成关系网，关系网中所有引用到的各专业模型自动关联形成多学科联合仿真模型。
(3)优化用本地计算机部署并启动统一建模环境，并基于产品多学科联合仿真模型在其统一建模环境中完成优化设置，如图2所示。并将优化设置的参数与产品多学科联合仿真模型中的相关参数进行绑定，如将图2和图3的相关参数绑定；优化设置包括但不限于设置优化目标、优化变量、优化约束以及优化算法；优化算法包括但不限于牛顿法、梯度法和遗传算法。
例如，将面板在给定板载荷下的最大变形最小作为优化目标，设置面板的面积作为优化约束，将优化约束中面板的长度和宽度参数与结构模型中的几何参数绑定。
(4)优化用本地计算机完成优化设置之后，其统一建模环境根据各个专业仿真模型之间的依赖关系，通过对应的工具适配器，自动驱动工具软件更新各个专业仿真模型，实现各个专业仿真模型的自动化更新以及仿真结果的自动提取，自动完成优化。如图4所示，CAE模型建立时用到了数据中心的CAD模型，统一环境就会建立CAD模型与CAE模型之间的依赖关系，依次类推形成一个引用关系网，统一建模环境会根据这张关系网确定各个模型的更新顺序，进而自动确定优化流程的各个节点的执行顺序。如图5所示，统一建模环境不仅能记录模型(CAD)与模型(CAE)之间的依赖关系，也能记录模型中参数之间的引用关系。例如CAD模型中某一参数x，与CAE模型中某一参数y，之间是依赖关系。在优化过程执行时，统一环境首先根据优化流程执行顺序更新流程节点上的模型，辟如CAD模型的更新，此时CAD中性指令集通知对应的驱动函数，驱动函数会通过CAD适配器驱动软件模型进行更新。当流程节点运行到CAE模型时，由于参数y依赖于参数x，参数y会根据依赖关系更新其值，CAE中性指令集调用驱动函数驱动工具软件计算，同时获取计算结果的驱动函数会驱动CAE工具软件获取计算结果，实现整个流程的自动化更新。
其中，基于统一建模环境建模时，因为所有的中性模型都是基于同一套数据标准的，下游专业人员建模时就可以直接访问上游的模型数据，同时统一建模环境还会自动建立他们之间的关联关系；基于不同模型之间的关联关系，当上游数据发生变更时，统一建模环境就可以更新下游的中性模型并通过对应的工具适配器驱动响应的工具软件更新模型，从而实现不同学科之间的异地联合仿真。
优化负责人设置完优化算法后，提交计算，统一环境就会根据模型之间的依赖关系(即关系网)，自动更新所有模型进行计算和模型数据修改，进而完成优化任务。
一具体应用例子，如图6-10所示，以多学科联合仿真模型为面板为例，对本发明的技术方案详细说明：
a)案例说明：优化图6的面板的长度和宽度，使其在给定载荷下的最大变形最小；
初始条件：长度200mm，宽度100mm，厚度10mm，材料lv、载荷1000N；
优化目标：最大变形最大(即载荷作用点处的变形最大)；
优化参数：100mm<长度<300mm、100mm<宽度<300mm；
约束条件：面板的面积不变(即长度*宽度不变)。
b)案例过程说明：以下所有过程都在统一建模环境中完成，其中，学科仿真模型分别为：
结构设计师A：在其统一建模环境中通过CAD适配器调用UG软件接口驱动UG完成面板的几何模型创建，也就是CAD模型，如图7所示；
仿真设计师B：面板的几何模型的基础上，在其统一建模环境中通过CAE适配器调用ANSYS软件接口驱动ANSYS完成面板的CAE仿真模型创建，并将在统一建模环境中封装好的有限元模型提交仿真计算；
仿真完成后，再通过统一建模环境驱动HyperWorks提取仿真结果，调用HyperWorks软件接口获取位移云图中最大值，也即面板的最大位移，如图8所示；
优化设计师C：基于面板的CAD模型、CAE仿真模型，在统一建模环境驱动Isight软件完成面板的优化模型创建，包括：
1、设定优化目标：面板最大变形最小；
2、优化参数：100mm<长度<300mm、100mm<宽度<300mm
3、约束：面板面积不变(即长度*宽度不变)提交优化计算，监控优化过程，查看优化后面板的位移云图中载荷作用处位移云图，如图9-10所示。
本发明实施例一提供的一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法，通过多个建模用本地计算机部署并启动统一建模环境，在其统一建模环境中搭建各自负责的专业仿真模型，统一建模环境记录搭建各专业仿真模型时各个专业仿真模型之间的依赖关系，并依据依赖关系将所述各专业仿真模型自动关联为产品多学科联合仿真模型；优化用本地计算机基于产品多学科联合仿真模型在统一建模环境中完成优化设置，并将优化设置的参数与产品多学科联合仿真模型中的相关参数进行绑定；优化用本地计算机完成优化设置之后，提交优化计算，自动完成优化的技术方案，降低复杂系统的优化难度，使得面向复杂产品的多学科优化成为可能，提高复杂产品的设计质量，降低试验成本，缩短产品设计周期。
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明并非局限于上述实施例，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于统一建模环境的多学科联合仿真和优化方法，其特征在于，包括：
(1)多个建模用本地计算机部署并启动统一建模环境，并在其统一建模环境中搭建各自负责的专业仿真模型；
(2)多个建模用本地计算机的各统一建模环境记录搭建各专业仿真模型时各个专业仿真模型之间的依赖关系，并依据依赖关系将所述各专业仿真模型自动关联为产品多学科联合仿真模型；
(3)优化用本地计算机部署并启动统一建模环境，并基于产品多学科联合仿真模型在其统一建模环境中完成优化设置，并将优化设置的参数与产品多学科联合仿真模型中的相关参数进行绑定；优化设置包括但不限于设置优化目标、优化变量、优化约束以及优化算法；
(4)所述优化用本地计算机完成优化设置之后，其统一建模环境根据各个专业仿真模型之间的依赖关系，通过对应的工具适配器，自动驱动工具软件更新各个专业仿真模型，实现各个专业仿真模型的自动化更新以及仿真结果的自动提取，自动完成优化。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，在其统一建模环境中搭建的各自负责的专业仿真模型统一存放在数据中心中。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，多个建模用本地计算机基于中性指令集搭建各自负责的专业仿真模型，在搭建专业仿真模型过程中驱动函数集根据中性指令的要求驱动工具软件完成相关的建模工作。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，多个建模用本地计算机的各统一建模环境记录搭建学科仿真模型时各个学科仿真模型之间的依赖关系，包括：
各统一建模环境记录下游仿真模型对上游仿真模型的依赖关系以及不同仿真模型间的依赖关系，形成一张关系网，通过此关系网来维护所述各专业仿真模型之间的依赖关系，根据所述关系网确认所述各专业仿真模型更新顺序及数据传递方向。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据各专业仿真模型之间的输入输出参数自动记录不同仿真模型间的依赖关系。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，优化算法包括但不限于牛顿法、梯度法和遗传算法。
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