没想到虚拟系统(虚拟系统软件)

多学科仿真在机电系统虚拟系统原型中的应用

 

点击上方蓝字创景科技即可关注我们

翻译整理：王方勇John Hayes 发表于 March 28, 2014

创造能模拟机电系统复杂相互作用的虚拟系统原型，是一个要求很高的工作，即使是对于成熟的设计团队来说也是这样然而虚拟系统原型的优点非常明显，它能够为系统设计团队带来的好处如下所示：使得在概念阶段就能够评估系统级的替代方案，从而可以在综合权衡后做出最具经济效益的选择。

在拿到硬件原型之前就可以开始嵌入式软件的开发，从而缩短产品上市时间联合设计、联合仿真及联合验证硬件和软件，以确定由相互依赖产生的挑战实现系统、部件、组件级别的优化机电系统– 以混合动力电动汽车为例混合动力电动汽车是可以从虚拟系统原型中获益的复杂机电系统。

我和Todd McDevitt（ANSYS营销总监）谈到，为混合动力汽车应用虚拟系统仿真的大致步骤如下：第一步是要定义系统在最高等级执行的各项功能对于我们的混合动力汽车动力总成，它包括i）接受驾驶员的命令来移动、ii）产生能量，以及iii）把能力投入到运动中。

这些基本功能随后将会被进一步分解，直到每个功能可被分配给系统架构中的一个特定模块第二步是详细描述控制系统、电力系统、电动发动机和变速器（即进行系统架构设计的第一步）

即使在最高级别的概念阶段，仿真模型也可以辅助进行在各种负载或其他环境条件下的系统性能评估在这个层次上，如ANSYS Simplorer之类的0-D系统仿真工具，可以用来对系统行为建模，并确认其符合整体的性能要求。

此外，系统仿真可以用于评估多种设计方案，甚至还可以在详细设计阶段之前辅助优化架构细节据Matthew Loew（Maverick Innovation Lab技术总监）所说，即使在开始建模之前没有收集全所有的需求，团队也能够创建“准”最优产品。

他还指出，“太多的系统工程团队在拥有一个有效的系统架构之后就驻足不前了我建议团队在开始添加细节之前多开发一些概念”为系统级模型增加更多细节一旦对最佳概念形成了统一意见，构建虚拟系统原型的下个步骤，就是要进一步提高精确度，完善设计细节。

例如，我们将更多的详细信息添加到HEV的控制子系统之后，它看起来将是这样的：

子系统仿真一旦完成了各子系统的体系架构，需求将被向下关联到各个组件，对它们进行进一步设计，并使用3-D多物理仿真进行验证例如，混合动力汽车的电池需要在低于35℃的环境下进行验证，以达到规定的驱动范围工程团队可以模拟热量是如何从电池单元的电化学中产生的，以及如何通过使用了计算流体动力学（CFD）的冷却系统进行消散。

有了CFD，工程师可以进一步优化电池组的配置和风扇尺寸，从而满足电池子系统的导热需求更新系统级模型由于还没有捕获到各个子系统之间的相互依存关系，仅在子系统级通过仿真来验证设计还远远不够对于这个问题，系统工程师可以通过进行更高准确度的系统仿真来解决。

系统级仿真软件通常不需要完全跟踪所有的CFD模型复杂度替代方法是，工程师通过消除CFD模型中的大量自由度来创建降阶模型（ROM）对于工作条件中的特定范围，ROM可以为整个系统原型提供必要精确度

在设计团队中的部分成员对电池的初期虚拟原型进行仿真的时候，团队其他成员可以通过机电场仿真软件进行电力电子分析同样，ROM模型的输出将被馈送（理想状态下是完全自动化的）到提供虚拟系统原型的多领域系统仿真软件中。

Todd McDevitt提到，“搭建高准确度虚拟系统原型的关键是构建一个好的降阶模型部署在Fluent和Maxwell之类先进解决方案中的ROM方法和算法，已通过了完整3-D模型的证实，并且目前已经被我们很多客户所使用。

”Matthew Loew指出，ROM并不是管理子系统和组件级输出之间接口，以及完整虚拟系统原型的唯一方法，“功能模型接口（FMI）展示了其极大的潜力，适合管理领域间模型的协同仿真您可以使用源自不同供应商分析工具的FMI输出，来实现高准确度的虚拟系统原型。

”嵌入式软件设计的仿真，可以与物理、热和电子模型的开发并行在每一次的迭代中，设计团队一步步改善子系统和组件级模型的准确度，最终完成可用于更多复杂设计优化的虚拟系统原型工程团队需要机械、电子和软件开发的仿真工具，与多领域系统仿真软件一起，为虚拟系统原型提供输入。

除此之外，结合人机图形界面，还可以为虚拟原型提供更加人性化的评估成功的关键是在每个工作周期中，所有领域的准确度水平保持同步否则，您可能得到的是一个不完善的系统视图，例如该系统中的结构分析与最新控制系统的表现不匹配。

每个领域团队需要对在各个工作周期中达到的准确度水平形成统一意见Todd McDevitt指出，目前ANSYS提供系统仿真的工具套件，既包括他们为高级系统架构和虚拟系统原型提供的Simplorer工具，还包括如下其他工具：

流体动力学仿真 – ANSYSFluent电磁仿真 – ANSYS Maxwell结构分析 – ANSYS Mechanical控制系统嵌入式软件 – SCADE Suite人机界面嵌入式软件 – SCADEDisplay

ANSYS赞助推广了他们在ENGINEERING.com上的仿真解决方案。他们没有编辑输入到这个帖子 - 所有观点都是我的。John Hayes