技巧 | 揭开多体动力学仿真的五大误区

基于物理的仿真已经成为工程产品开发过程的一个组成部分,仿真已跨越物理类型和行业。汽车、航空航天、重型机械和能源行业的工程师通常利用多体动力学(MBD)仿真来模拟复杂装配体零部件的运动,随着工程组织(企业或研究机构)面临复杂的新的工程挑战,多体仿真应用也在不断增加。


注:本文译自Adams市场经理Hemanth Kolera-Gokula所写

《Debunking the Five Myths of Multibody Dynamics Simulation》

基于物理的仿真已经成为工程产品开发过程的一个组成部分,仿真已跨越物理类型和行业。汽车、航空航天、重型机械和能源行业的工程师通常利用多体动力学(MBD)仿真来模拟复杂装配体零部件的运动,随着工程组织(企业或研究机构)面临复杂的新的工程挑战,多体仿真应用也在不断增加。

仿真功能使工程师能够探索组件和几何配置之间的相互作用,用以设计控制策略和优化系统动力学。所有这些都可以在设计过程的早期实现,并且不需要不断的和昂贵的原型设计的开销。

今天,MBD能实现的可能性已经超出了我们的认知程度。更多高性能计算机、互操作性标准以及求解技术和仿真方法的进展有助于为机构设计带来新的理念。而一些组织正在向前迈进,以往的认知和观念阻碍了MBD仿真的应用,它们对现代工程开发过程具有重要价值。本文重点讨论与MBD仿真相关的五个常见误区以及面临的挑战,每一个都说明当前开发能力存在的不足和可能被忽视的好处

误区一:MBD仿真=运动分析

MBD仿真求解一套复杂的相互关联系统,远远超出了仅仅模拟约束机构的运动。领先的组织不会在局部进行优化,而是跨学科协作来权衡参数并实现所需的系统级优化。例如,汽车制造商拥有跨职能的团队,他们专注于机械耐久性、安全性、噪音和振动分析。MBD仿真可实现这种协作开发,并作为贯穿这些团队的共同基础,以实现系统级设计。

通过考虑感兴趣的响应频率和振幅,MBD仿真应用的广度和深度变的显而易见。以车辆的工程设计为例,车辆操控性仿真主要集中在与车辆事件(如车辆转弯)相关的低频响应上。在频谱的另一端,模拟车辆行驶和NVH(噪声、振动和平顺性)特性的应用程序捕获与较高频率和较低振幅相关的现象。例如,整车对道路颠簸的响应或传动系振动对乘员的影响。耐久性工程师通过频谱研究各种行驶、操纵和NVH设计参数对整车载荷的影响。

MBD仿真中的频率特性决定了所需模型的详细程度和保真度。一般来说,频率响应越高,对模型保真度的要求就越高。用户创建定制的模型用例来捕获感兴趣的系统响应。为了集中管理这些不同的用例,现在更高级的MBD仿真解决方案是将多个车辆配置合并到单个装配模型中,并将多个配置合并到单个子系统中。通过这种方式,可以创建一个单一模型数据库,该数据库表示不同保真度(柔性、梁、刚性)的车辆配置,并根据特定频率响应(操纵性、平顺性、耐久性)进行定制。由于模型是用来自各方的新数据不断改进、丰富和完善的,这种方法可以有效地维护这些配置。

误区二:MBD仿真只用于设计早期的概念设计研究

虽然MBD仿真在动态系统的概念设计中被大量使用,但其优点贯穿于设计周期的各个阶段。

在工程开发过程中,系统级目标被识别并级联到子系统和组件级。然后使用基于物理和应用的各种仿真解决方案开发和验证组件、子系统和完整系统原型的性能。
在汽车工业中,行驶和操纵特性的更高级别目标受到道路载荷以及悬架和底盘配置的影响。MBD仿真是机械系统和子系统概念研究的理想工具,可以调整关键位置的质量和刚度等特性。在获得任何详细的设计信息之前,可以快速设计和探索这些概念模型。
在开发周期的验证阶段,也存在利用MBD仿真的时机。例如,飞机制造商空中客车公司(Airbus)此前通过建造试验台来验证各种监管要求,这些试验台可使结构组件偏转,以模拟高升力配置,并确保操纵面的完整操作。这种方法有多个缺点:需要具备制造好了的机翼系统,以及需要测试的时间和成本,以及与修复测试发现的问题相关的成本。空中客车公司目前已在设计过程中将有限元分析(FEA)和MBD仿真结合起来,以同等水平替代证明符合监管要求所需的物理试验。

近年来,计算能力更强的高性能计算和更快的求解器的出现,使得MBD模型能够作为硬件在环(HiL)和驾驶员在环(DiL)测试系统的一部分用于道路车辆试验台,以进行系统测试、验证和校准。在试验台上能够使用真实的和虚拟的子系统定义,通过减少对物理测试原型的需求,使车辆测试更便宜、更高效。
MBD仿真的使用不再局限于产品开发过程的单一阶段。从概念系统设计到物理测试,MBD仿真对领先工程组织中动态系统的设计和开发有着广泛的影响。

误区三:MBD模型的物理保真度有限

在MBD仿真中,机构中最复杂的部分可以表示为一个简单的环节,这样就可以在系统层次上研究其动力学。然而,MBD仿真的实用性并不局限于研究广泛的系统级效应。今天,MBD正被应用于组件级的高度复杂的物理模型。此外,当可以向模型提供正确的输入(例如零件符合度、弹簧或衬套特性)时,可以实现高水平的物理级精度。
随着产品开发过程的深入,有机会逐步提高MBD模型的保真度。使用初始MBD分析确定机构的拓扑结构,然后分析人员可以结合CAD来详细说明单个零件。然后,基于CAD数据的FEA提供了详细的零件符合度,从而能够创建可用于进一步增强MBD模型保真度的柔性体。在每个阶段,MBD系统模型都可以与可用的工程信息级别保持一致,以确保最佳的保真度。
当然,与任何模拟技术一样,MBD模型必须根据预期模拟所需的物理逼真程度进行调整。例如,用于车辆操纵性分析的模型的保真度可以进一步细化,以捕捉行驶频率范围内的响应。这些调整是通过提供更高保真度组件来实现的,如阻尼器,衬套,液压支架和轮胎。
协同仿真是提高模型保真度的另一种途径。将MBD模型与FEA工具耦合以模拟复杂部件级行为(如大变形或非线性材料)越来越常见。高频声学模拟与MBD模型相结合,使产品设计师能够研究噪声源,并评估结构设计变化如何帮助他们减少传递到环境中的噪声。

误区四:使用MBD模拟需要专业知识

传统上,利用仿真研究系统的行为一直是仿真工程师或分析人员的研究领域。仿真接口,或仿真技术和过程的复杂性,导致了对用户高度专业化的要求。缺乏模型交换和互操作性的标准加剧了这些问题。
在系统动力学仿真领域,MBD分析员一直是仿真模型的把关人。然而,随着工程仿真在设计和开发中占据中心地位,对仿真模型和建模信息进行公开访问的需求正在增长。为此,仿真软件供应商努力将分析人员的知识和技能封装到模型中。这种封装使得其他工程师更容易利用这种封装,来探索建模系统如何与其他系统集成,以及研究对他们来说重要的设计权衡和优化。

有几种方法可以改进对MBD模型的访问。一种方法是制定独立于工具的标准,使“即插即用”方法能够通过更精简的接口利用高度先进的模型。功能模型接口(FMI)是CAE模型交换和协同仿真的独立于工具的标准。FMI通过将MBD模型表示为一个功能样机单元(FMU),可以将模型导入到符合标准的其他工具中。这种方法允许不是MBD专家的仿真工程师使用MBD模型,但不需要了解模型的内部复杂性或如何与创建模型的仿真软件交互。
简化用户体验是帮助组织改进访问并从MBD模型中获得价值的另一种方法。例如,MSC软件创建了Adams Explore,目的是向非仿真专家的工程师提供高端仿真模型。MBD仿真工程师可以使用Explore插件导出表示MBD模型的Excel电子表格。然后,设计工程师使用这个简单的Excel电子表格更改他们感兴趣的参数,然后运行MBD模型,并检查结果,以研究他们的设计更改对系统的影响。

误区五:实时MBD仿真=降阶模型(ROM)

实时仿真要求虚拟模型以与物理系统相同或更短的时间以特定的时间增量提供响应输出。这样,虚拟系统的状态总是与物理组件同步,以提供准确的测试环境。

因此,用于HiL和DiL集成的实时兼容车辆动力学模型传统上涉及较少的自由度(DOF),通常约为20。这种模型通常通过查找表来描述零部件的行为。虽然这些降阶模型(ROM)在某些应用中是一种有效的方法,但对实时计算而言,减少自由度的数量已不再是一个要求。
现成的高性能计算和工程仿真技术的进步,使得更高保真的实时仿真成为可能,提供了更有价值的认知。实时仿真现在实现了硬件在环(HiL)和驾驶员在环(DiL),提供了汽车测试环境中连接物理组件和虚拟模型的条件。

以MSC软件为例,设计了Adams实时仿真模块,在实时应用中保留了MBD建模系统的拓扑结构和参数。这样就可以维护诸如硬点、接头、弹簧、减振器和衬套之类的元件,并无需为每次仿真更改校准新的ROM而进行修改。因此,该模型可以捕获系统响应中的高频特性,并且可以在更短的周转时间内引入和探索不同的配置。采用单一工具,一种适用于实时和非实时应用程序的建模方法消除了不同工具之间容易出错的模型转换。这种方法还可以非常有效地调整和优化系统,并有可能从典型的车辆开发计划中减少数周的时间。

结论:

近年来,MBD仿真已经进化为所有行业都在应用的神话。领先的工程组织正在利用先进的技术,使用多体动力学来管理错综复杂的事物并推动协作,以便在第一时间将设计方案做好。今天,MBD模型可以包含高度精确的信息,并且它们可以被更多的工程师利用,跨越不同的学科,而不需要成为仿真专家。
MBD仿真可以在整个产品开发周期中提供对任何系统的有价值的深入理解,并且可以在构建系统的物理原型之前,与硬件一起对子系统进行高度可靠的验证。如果您认为这些误区中的任何一个是真的,那么现在是时候重新评估如何在设计过程中更有效地利用MBD了。