CN112949240B - 一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法，包括如下步骤：进行步骤S1‑S5，实现电路模型的建模与求解过程，进行步骤S6‑S10，实现机械模型的建模与求解过程；S11、根据电路模型和机械模型的步长、仿真时刻，判断下一个时刻求解时，机械模型是否进行参与迭代计算；当机械模型参与迭代时，即更新仿真时刻T，则进入步骤S13，否则进入步骤S12；S12、维持T0时刻状态不变，仿真器仅仅求解当前时刻的电路模型；S13、设定电路和机械模型的仿真时刻为T，并分别对电路和机械运动方程进行非线性迭代计算。本发明方法可以提高复杂多物理场系统仿真的计算资源，从而提高求解效率。

Description

一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法
技术领域
本发明涉及计算机虚拟仿真技术领域，具体为一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法。
背景技术
仿真技术广泛应用于航空、航天、舰船、兵器以及轨道交通等物理系统的设计与分析，其中集中参数模型在系统原理设计、问题定位、算法优化、以及设计空间探索方面起着重要的作用。相对于有限元模型，由于其模型简单，适合系统的综合分析，也是系统精确分析的基础。集中参数模型在电气、机械、温升等领域已得到较为广泛的应用，但是在复杂系统的多物理场耦合分析中，由于各物理场系统的时间常数一般相差较大，通常情况下，以时间常数较小的系统为标准统一设定整体多物理场系统的步长，这对于时间常数较大的物理场系统而言，计算资源有较大的浪费。
发明内容
本发明的目的在于提供一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法，以解决上述背景技术中提出的问题。可以提高复杂多物理场系统仿真的计算资源，从而提高求解效率。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法，包括如下步骤：
S1、设定电路子系统此时的仿真时刻为t0，机械子系统的仿真时刻为T0，在此步骤中，电路模型中的时序函数根据仿真时刻更新函数值；
S2、根据当前时刻的Jacobian方程、右端项和信号激励，基于节点电压法，求解电路非线性方程；
S3、根据电路非线性方程的非线性迭代次数是否溢出来决定当前步长是否需要重置，若迭代次数溢出，则进入步骤S5，否则进入步骤S4；
S4、当非线性迭代收敛时，根据求解得到的解向量以及解向量相关参数，计算下一步电路仿真步长Δt；
S5、当电路非线性模型求解迭代次数溢出时，则减小当前步长，重置仿真时刻为tnew，进入步骤S1，重新进行迭代运算；
S6、在此步骤中，机械模型中的时序函数根据仿真时刻更新函数值；
S7、根据当前时刻的Jacobian方程、右端项和信号激励，基于节点电压法，求解机械运动非线性方程；
S8、根据机械运动非线性方程的非线性迭代次数是否溢出来决定当前步长是否需要重置，若迭代次数溢出，则进入步骤S10，否则进入步骤S9；
S9、当非线性迭代收敛时，根据求解得到的解向量以及解向量相关参数，计算下一步机械运动仿真步长ΔT；
S10、当机械运动非线性模型求解迭代次数溢出时，则减小当前步长，重置仿真时刻为Tnew，进入步骤S6，重新进行迭代运算；
S11、根据电路模型和机械模型的步长、仿真时刻，判断下一个时刻求解时，机械模型是否进行参与迭代计算；当机械模型参与迭代时，即更新仿真时刻T，则进入步骤S13，否则进入步骤S12；
S12、此时机械模型不参与求解，维持T0时刻状态不变，仿真器仅仅求解当前时刻的电路模型，即仿真时间仅仅更新t＝t0+Δt；
S13、当变步长算法判定需要更新机械模型的仿真时间T时，同时设定电路和机械模型的仿真时刻为T，并分别对电路和机械运动方程进行非线性迭代计算。
作为本发明进一步的方案，所述步骤S2中采用牛顿-拉斐逊算法求解电路非线性方程。
作为本发明进一步的方案，所述步骤S7中采用牛顿-拉斐逊算法求解机械运动非线性方程。
作为本发明进一步的方案，所述步骤S1-S5为电路模型建模与求解过程，所述步骤S6-S10为机械模型建模与求解过程，当机械模型参与步骤S6-S10的仿真求解运算时，电路模型也同时参与步骤S1-S5的仿真求解运算，在当前时刻，电路模型与机械模型在求解前后相互传递求解结果，此时，若非线性迭代不收敛，同时重置电路模型与机械模型的仿真时刻，并对电路模型和机械模型重新进行迭代运算；
当机械模型迭代收敛后，根据其解向量和迭代收敛信息，计算下一个步长ΔT。
作为本发明进一步的方案，所述的机械模型的变步长参数与电路模型的变步长参数不一致。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提供了一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法，本发明方法基于变步长技术，将多物理场耦合仿真系统的求解模型根据时间常数细分为多个子系统，各子系统单独设定最大步长和最小步长，时间常数较小的系统采用较小的步长，时间常数较大的系统采用较大的步长；相对于时间常数较大的系统，其一个步长内，包含了多个小时间常数系统的求解步长，当两者的求解时刻相同时，进行参数传递，进行子系统的弱耦合。显然，采用该方法可以有效减少大时间常数系统的计算资源。
附图说明
图1为一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法的流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，以机电耦合为例，本发明提供一种技术方案：一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法，包括如下步骤：
S1、设定电路子系统此时的仿真时刻为t0，机械子系统的仿真时刻为T0，在此步骤中，电路模型中的时序函数根据仿真时刻更新函数值；
S2、根据当前时刻的Jacobian方程、右端项和信号激励，基于节点电压法，采用牛顿-拉斐逊算法求解电路非线性方程；
S3、根据电路非线性方程的非线性迭代次数是否溢出来决定当前步长是否需要重置，若迭代次数溢出，则进入步骤S5，否则进入步骤S4；
S4、当非线性迭代收敛时，根据求解得到的解向量以及解向量相关参数，计算下一步电路仿真步长Δt；
S5、当电路非线性模型求解迭代次数溢出时，则减小当前步长，重置仿真时刻为tnew，进入步骤S1，重新进行迭代运算；
S6、在此步骤中，机械模型中的时序函数根据仿真时刻更新函数值；
S7、根据当前时刻的Jacobian方程、右端项和信号激励，基于节点电压法，采用牛顿-拉斐逊算法求解机械运动非线性方程；
S8、根据机械运动非线性方程的非线性迭代次数是否溢出来决定当前步长是否需要重置，若迭代次数溢出，则进入步骤S10，否则进入步骤S9；
S9、当非线性迭代收敛时，根据求解得到的解向量以及解向量相关参数，计算下一步机械运动仿真步长ΔT；
S10、当机械运动非线性模型求解迭代次数溢出时，则减小当前步长，重置仿真时刻为Tnew，进入步骤S6，重新进行迭代运算；
所述步骤S1-S5为电路模型建模与求解过程，所述步骤S6-S10为机械模型建模与求解过程，机械模型的变步长迭代过程与电路模型的变步长运算过程基本一致，差异在于，当机械模型参与步骤S6-S10的仿真求解运算时，电路模型也同时参与步骤S1-S5的仿真求解运算，在当前时刻，电路模型与机械模型在求解前后相互传递求解结果，此时，若非线性迭代不收敛，同时重置电路模型与机械模型的仿真时刻，并对电路模型和机械模型重新进行迭代运算；
当机械模型迭代收敛后，根据其解向量和迭代收敛信息，计算下一个步长ΔT。本实施例中所述的机械模型的变步长参数与电路模型的变步长参数不一致，需要分别单独设定最大步长、最小步长以及变步长规则。
S11、根据电路模型和机械模型的步长、仿真时刻，判断下一个时刻求解时，机械模型是否进行参与迭代计算；当机械模型参与迭代时，即更新仿真时刻T，则进入步骤S13，否则进入步骤S12；
S12、此时机械模型不参与求解，维持T0时刻状态不变，仿真器仅仅求解当前时刻的电路模型，即仿真时间仅仅更新t＝t0+Δt；
S13、当变步长算法判定需要更新机械模型的仿真时间T时，同时设定电路和机械模型的仿真时刻为T，并分别对电路和机械运动方程进行非线性迭代计算。
本发明提供了一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法，本发明方法基于变步长技术，将多物理场耦合仿真系统的求解模型根据时间常数细分为多个子系统，各子系统单独设定最大步长和最小步长，时间常数较小的系统采用较小的步长，时间常数较大的系统采用较大的步长；相对于时间常数较大的系统，其一个步长内，包含了多个小时间常数系统的求解步长，当两者的求解时刻相同时，进行参数传递，进行子系统的弱耦合。显然，采用该方法可以有效减少大时间常数系统的计算资源。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法，其特征在于：包括如下步骤：
S1、设定电路子系统此时的仿真时刻为t0，机械子系统的仿真时刻为T0，在此步骤中，电路模型中的时序函数根据仿真时刻更新函数值；
S2、根据当前时刻的Jacobian方程、右端项和信号激励，基于节点电压法，求解电路非线性方程；
S3、根据电路非线性方程的非线性迭代次数是否溢出来决定当前步长是否需要重置，若迭代次数溢出，则进入步骤S5，否则进入步骤S4；
S4、当非线性迭代收敛时，根据求解得到的解向量以及解向量相关参数，计算下一步电路仿真步长Δt；
S5、当电路非线性模型求解迭代次数溢出时，则减小当前步长，重置仿真时刻为tnew，进入步骤S1，重新进行迭代运算；
S6、在此步骤中，机械模型中的时序函数根据仿真时刻更新函数值；
S7、根据当前时刻的Jacobian方程、右端项和信号激励，基于节点电压法，求解机械运动非线性方程；
S8、根据机械运动非线性方程的非线性迭代次数是否溢出来决定当前步长是否需要重置，若迭代次数溢出，则进入步骤S10，否则进入步骤S9；
S9、当非线性迭代收敛时，根据求解得到的解向量以及解向量相关参数，计算下一步机械运动仿真步长ΔT；
S10、当机械运动非线性模型求解迭代次数溢出时，则减小当前步长，重置仿真时刻为Tnew，进入步骤S6，重新进行迭代运算；
S11、根据电路模型和机械模型的步长、仿真时刻，判断下一个时刻求解时，机械模型是否进行参与迭代计算；当机械模型参与迭代时，即更新仿真时刻T，则进入步骤S13，否则进入步骤S12；
S12、此时机械模型不参与求解，维持T0时刻状态不变，仿真器仅仅求解当前时刻的电路模型，即仿真时间仅仅更新t＝t0+Δt；
S13、当变步长算法判定需要更新机械模型的仿真时间T时，同时设定电路和机械模型的仿真时刻为T，并分别对电路和机械运动方程进行非线性迭代计算。
2.根据权利要求1所述的一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S2中采用牛顿-拉斐逊算法求解电路非线性方程。
3.根据权利要求1所述的一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S7中采用牛顿-拉斐逊算法求解机械运动非线性方程。
4.根据权利要求1所述的一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述步骤S1-S5为电路模型建模与求解过程，所述步骤S6-S10为机械模型建模与求解过程，当机械模型参与步骤S6-S10的仿真求解运算时，电路模型也同时参与步骤S1-S5的仿真求解运算，在当前时刻，电路模型与机械模型在求解前后相互传递求解结果，此时，若非线性迭代不收敛，同时重置电路模型与机械模型的仿真时刻，并对电路模型和机械模型重新进行迭代运算；
当机械模型迭代收敛后，根据其解向量和迭代收敛信息，计算下一个步长ΔT。
5.根据权利要求4所述的一种集中参数模型多物理场耦合仿真方法，其特征在于：所述的机械模型的变步长参数与电路模型的变步长参数不一致。
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