面向协同仿真的复杂产品多学科耦合建模与计算方法研究

In this project, the theories, methods, and techniques for the multidisciplinary coupled modeling and computational methods for complex products are researched in response to the requirements raised for the collaborative development of virtual prototypes in a distributed environment. Firstly, the multidisciplinary coupled modeling method for complex products will be studied on the basis of traditional constraints-based methods and modeling and simulation (M&S) theories. Such a method will be developed by taking into account the features of physical systems in terms of the simulation of specific disciplines such as kinematics, dynamics, and so on, with a focus on the time-variant constraints. Secondly, a study will be done on the computational methods for the distributed simulation of coupled systems, and various algorithms that are adaptive to specific model features and simulation settings to implement the simulation of a coupled system by integrating subsystem models running in parallel in a distributed environment. Thirdly, the mechanism for the interaction between distributed models will be studied to identify the influences of factors such as model properties, integration algorithm, interpolation method, and error propagation on the performance of simulations in terms of accuracy, efficiency and numerical convergence. Fourthly, a software package will be developed on the basis of the algorithms and methods mentioned above to implement distributed simulation by integrating multiple CAE tools, which will be evaluated via application to the development of typical complex products in industry. The resultant theories and techniques of this research will support the paradigm of multidisciplinary collaborative design as well as the development a new high-performance and general-purpose collaborative simulation platform for complex products.

面向网络环境下虚拟样机多学科协同开发的要求，提出开展复杂产品多学科耦合建模与协同计算的相关理论、方法与技术研究。（1）研究复杂产品多学科耦合建模方法，在传统的约束建模和仿真建模理论的基础上，根据产品物理系统的运动学、动力学等仿真特性，重点考虑模型表示中的时变约束要求，建立面向复杂产品协同仿真的多学科耦合模型；（2）研究复杂产品多学科耦合模型的分布式协同计算方法，提出不同模型特点和仿真条件下的多种适用性算法，实现分布式环境下多领域耦合系统的并行计算；（3）研究模型性质、积分算法、插值公式、误差传播等因素对协同仿真算法的精度、效率和收敛性的影响，提出协同计算效率与仿真精度的均衡策略；（4）开发可嵌入CAE软件平台的复杂产品协同仿真求解算法的软件内核，并实现典型应用验证。相关成果将为实现复杂产品的多学科协同设计，以及开发新一代高性能的复杂产品协同仿真平台，提供一定的理论方法和技术支持。

本项目针对网络环境下复杂产品多学科协同仿真的要求，开展了复杂产品多学科耦合建模与协同计算问题的研究，取得了以下研究成果：.（1）研究了复杂仿真系统的多分辨率建模关键技术，提出了一种基于组件的多分辨率动态结构建模与仿真方法，为不同分辨率模型之间的一致性和并发性问题提供了解决方案；同时，研究了复杂产品多学科耦合系统建模与协同计算方法，提出了基于低频率使用全局灵敏度方程判断耦合强度的变步长协同仿真算法，支持多领域物理系统的并行计算。.（2）针对分布式仿真计算资源调度问题，研究了模型负载的动态性和数据实时性，提出了一种基于渐消记忆的负载均衡迁移策略，改进了一种基于三层深度完全二叉树模型的并行调度方法；同时，结合分布式仿真系统框架，建立基于k-means的仿真服务-资源的多目标调度模型，提出了一种加入精英解集的k近邻多目标优化算法。.（3）研究了协同仿真系统的误差估算和步长控制问题；针对耦合模型协同计算中的代数环与稳定性问题，研究了包含子系统梯度信息的基于Jacobian矩阵的消除代数环的迭代算法和基于逆拟牛顿法的包含代数环的迭代算法；同时，研究了时序约束下的飞行动力学数值仿真算法，利用带惩罚策略的遗传算法对预估校正型线性多步法进行了实时约束条件下的精度改进。.（4）在上述基础理论和方法研究的基础上，建立了基于HLA联邦组件和Web服务的验环境，开发了基于图形化用户交互界面的原型系统，并通过飞行动力学仿真实例，验证了研究成果的合理性。上述成果可以为实现复杂产品的多学科协同设计与系统仿真，提供一定的理论方法和技术支持。