在實(shí)時(shí)環(huán)境中對多體系統(tǒng)進(jìn)行模擬一直是機(jī)械系統(tǒng)建模的目標(biāo)，尤其是在“硬件在環(huán)”“駕駛員在環(huán)”(DIL)以及虛擬(HUL)樣機(jī)領(lǐng)域，Simpack在其中發(fā)揮了重要作用，通過引入多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，使得實(shí)時(shí)多體動力學(xué)在復(fù)雜系統(tǒng)中的應(yīng)用成為可能。

 

 

 

首次實(shí)時(shí)使用Simpack的體驗(yàn)--分析師視角

我仍然清晰地記得第一次體驗(yàn)我們實(shí)時(shí)模擬技術(shù)的情景。那是在2012年前后，我正在參與一個(gè)客戶項(xiàng)目，涉及一個(gè)帶有類似Paceika的輪胎實(shí)現(xiàn)的車輛模型，以滿足特定的要求。經(jīng)過數(shù)周的完善每個(gè)子系統(tǒng)，并將輪胎方程式編碼為Simpack用戶例程，我終于對結(jié)果感到滿意。

 

由于客戶使用了駕駛模擬器，而我們剛推出新一代的實(shí)時(shí)技術(shù)，我們同意在基本的桌面模擬器上展示車輛模型我們搭建了一個(gè)簡單的測試裝置:一個(gè)游戲風(fēng)格的轉(zhuǎn)向盤和踏板，具備扭矩反饋功能，運(yùn)行在經(jīng)改裝以進(jìn)行實(shí)時(shí)操作的Windows筆記本電腦上。

 

接著到了關(guān)鍵時(shí)刻。我加載了模型，坐(在一張辦公椅上)下來，然后轉(zhuǎn)動方向盤。經(jīng)過無數(shù)小時(shí)的調(diào)整方程和分析二維圖表，當(dāng)感受到汽車對我的輸入做出反應(yīng)時(shí)，一切都發(fā)生了改變。隨著我加速、剎車和轉(zhuǎn)向，每一個(gè)反應(yīng)都反映了我所構(gòu)建的物理原理。我的工作有了生命--它不再只是數(shù)字，而是能以實(shí)體形式實(shí)時(shí)與我互動。我正在體驗(yàn)我的模型。這一經(jīng)歷深深觸動了我，以至于我本能地拍了一張照片--不是拍設(shè)備本身，而是拍它所代表的意義:這是我第一次在實(shí)時(shí)環(huán)境中駕駛我自己的多體模型。就是這個(gè)。

 

 

第一次駕駛自己的多體模型實(shí)時(shí)行駛的圖像。

 

Simpack實(shí)時(shí)多體動力學(xué)

如果說Simpack“發(fā)明”了實(shí)時(shí)多體動力學(xué)，這并不符合事實(shí)，但事實(shí)上，該軟件是首個(gè)在工業(yè)層面實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的軟件，并且Simpack通過關(guān)鍵創(chuàng)新引領(lǐng)了這一領(lǐng)域的發(fā)展。

 

在4月發(fā)表的一篇SIMULIA博客文章中，我討論了使Simpack的技術(shù)獨(dú)具特色之處，特別是它如何推導(dǎo)運(yùn)動方程。我描述的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是Simpack的相對坐標(biāo)方法，這種方法自然地導(dǎo)出了一個(gè)在數(shù)值上高效且穩(wěn)定的模型，使其天生適合用于實(shí)時(shí)模擬應(yīng)用。

 

這一優(yōu)勢源于Simpack傾向于生成常微分方程(ODE)，而非由絕對坐標(biāo)公式化通常產(chǎn)生的更復(fù)雜的差分-代數(shù)方程(DAE)。

 

實(shí)際上，DAES源自經(jīng)典的“絕對坐標(biāo)”表述方法，而問題在于，求解這些方程會增加計(jì)算復(fù)雜度。這類DAES會導(dǎo)致更高的求解開銷，并降低數(shù)值穩(wěn)定性，對于需要確定性和快速執(zhí)行的實(shí)時(shí)應(yīng)用而言，這些都是問題。

 

相反，Simpack的相對坐標(biāo)公式利用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來定義物體相對于其父體的運(yùn)動。因此，其運(yùn)動方程主要是微分方程，這些方程更易于數(shù)值求解，且對于實(shí)時(shí)模擬中常用的顯式或半隱式積分方法，具有更好的性能特性。

 

Simpack確實(shí)支持在需要時(shí)創(chuàng)建基于DAE的模但其獨(dú)特的公式還允許生成純粹的ODE模型，型這是許多其他多體仿真技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的。

 

基于ODE的系統(tǒng)在實(shí)時(shí)應(yīng)用中的優(yōu)勢包括：

l每次積分步驟的計(jì)算負(fù)載較低

l無需約束穩(wěn)定化

l改進(jìn)的數(shù)值條件

l更簡單的求解器結(jié)構(gòu)，更適合硬件在環(huán)(HiL)環(huán)境中常用的固定步長求解器。

 

Simpack代碼導(dǎo)出|早期應(yīng)用

因?yàn)?/span>Simpack的求解器技術(shù)非常適合實(shí)時(shí)應(yīng)用，在駕駛模擬器上運(yùn)行Simpack始終是一種可能性。我們從2001年開始推廣這項(xiàng)技術(shù)。當(dāng)時(shí)，我們的技術(shù)被命名為“CodeExport”，如圖中來自我們舊網(wǎng)站的內(nèi)容所示。

 

Code Export是我們第一代實(shí)時(shí)技術(shù)，基于代碼導(dǎo)出生成。通過這種方式，多體模型被進(jìn)行符號化預(yù)處理，并編譯成針對特定目標(biāo)的C代碼，這些代碼可以部署在專用的實(shí)時(shí)平臺上。該方法確保了極高的執(zhí)行速度和確定性，但需要一套獨(dú)立的代碼生成工作流程，這增加了集成的復(fù)雜性并降低了靈活性。

 

 

 

Simpack 實(shí)時(shí)|我們現(xiàn)代的實(shí)時(shí)多體仿真方法

Simpack Code Export 在現(xiàn)場應(yīng)用了大約十年，這讓我們深刻理解了與實(shí)時(shí)應(yīng)用相關(guān)的諸多挑戰(zhàn)。一個(gè)關(guān)鍵的收獲是，“僅僅”生成實(shí)時(shí)代碼不足以滿足客戶的需求。

 

第二代產(chǎn)品于2013年前后推出，這標(biāo)志著一個(gè)重大轉(zhuǎn)變。與需要專用硬件和操作系統(tǒng)的代碼導(dǎo)出方法不同，SimpackRealtime的設(shè)計(jì)理念是在標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)時(shí)兼容Linux平臺上運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)的Simpack安裝程序。這得益于新的SimpackRealtime求解器技術(shù)，該技術(shù)包括“智能并行化”，并結(jié)合了實(shí)時(shí)Linux內(nèi)核、內(nèi)存鎖定和確定性調(diào)度方面的進(jìn)步。

 

在實(shí)時(shí)運(yùn)行完整的“現(xiàn)成”多體求解器的想法在行業(yè)中是一個(gè)全新的概念。

 

那么是什么讓Simpack Realtime具有開創(chuàng)性?

它速度快，靈活，專為現(xiàn)代工程工作流程而設(shè)計(jì)。它允許在Simpack環(huán)境中直接進(jìn)行多體模擬模型的實(shí)時(shí)運(yùn)行無需進(jìn)行冗長的代碼生成或繁瑣的編譯步驟-一只需加載模型并點(diǎn)擊運(yùn)行即可。我們稱之為直接實(shí)時(shí)。

 

我們的直接實(shí)時(shí)方法始終為用戶帶來了顯著的價(jià)值。通過不受限制地利用Simpack求解器的全部功能，工程師可以在其實(shí)時(shí)模擬器上運(yùn)行模型，而不會犧牲模型的精確度或性能。

這種方法的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢是，模型簡化和求解器調(diào)整不再是必要的。

 

 

 

這種靈活性的一個(gè)有力例子是，Simpack Realtime 可以通過使用 Simpack FMU 導(dǎo)入功能無縫地導(dǎo)入功能性模擬單元(FMUS)，從而與軟件在環(huán)(SIL)結(jié)合使用。這意味著您可以集成第三方組件，如動力轉(zhuǎn)向或電池管理模塊，同時(shí)仍能實(shí)現(xiàn)可靠的實(shí)時(shí)性能(實(shí)際上，您必須確保這些第三方組件具有實(shí)時(shí)兼容性)

 

除此之外，您還可以在不同運(yùn)行之間輕松修改Simpack模型參數(shù)對于某些參數(shù)，甚至在實(shí)時(shí)模擬運(yùn)行過程中也能進(jìn)行即時(shí)調(diào)整這使得迭代和交互式測試能夠比以往更加快速。

 

正如我們的一個(gè)客戶所說，“我們真的很喜歡你們的工作流程，因?yàn)樗芡该鳌?/span>

 

例如，在汽車行業(yè)，工程師們一直依賴查找表來在實(shí)時(shí)模擬中近似計(jì)算懸架運(yùn)動學(xué)--這種方法雖然有效，但引入了一些中間數(shù)據(jù)處理步驟。借助SimpackRealtime，這些近似計(jì)算變得過時(shí)了?，F(xiàn)在，您可以運(yùn)行完全詳細(xì)的懸架模型，包括動態(tài)襯套元件，并且是在實(shí)時(shí)條件下進(jìn)行的，從而消除了對預(yù)先計(jì)算數(shù)據(jù)的依賴，并實(shí)現(xiàn)了更精確、基于物理的模擬--且無需任何妥協(xié)。多年來，我們還確保第三方輪胎模型的集成與所有主要輪胎模型的實(shí)時(shí)執(zhí)行完全兼容。

 

已經(jīng)證明，Simpack Realtime可以無縫地與包含柔性體的模型配合使用。這里有一篇由我們的客戶之一發(fā)表的論文:《利用實(shí)時(shí)多體仿真進(jìn)行駕駛動力學(xué)開發(fā)》。

 

根據(jù)我的經(jīng)驗(yàn)，靈活的體集成顯著提升了駕駛模擬器的駕駛體驗(yàn)。

 

值得注意的是，除了汽車行業(yè)，SimpackRealtime還被廣泛運(yùn)用于各種不同的行業(yè)，包括鐵路、風(fēng)能、傳動系統(tǒng)、建筑甚至消費(fèi)品領(lǐng)域。例如，您可以觀看這場網(wǎng)絡(luò)研討會，探討SimpackRealtime在風(fēng)力渦輪機(jī)中的應(yīng)用。

 

如今，Simpack Realtime允許您在多種硬件配置上部署相同的模型，無縫覆蓋實(shí)時(shí)開發(fā)過程的每個(gè)階段，從在桌面模擬器或?qū)崟r(shí)硬件上的早期獨(dú)立運(yùn)行，到在高性能運(yùn)動平臺上的全面部署。如果標(biāo)準(zhǔn)平臺不夠用，客戶甚至可以自行編寫自定義通信層。

 

不僅如此，通過集成的實(shí)時(shí)動畫功能，您可以直觀地看到模擬運(yùn)行的過程。

 

我們希望這篇帖子能揭示 Simpack為何已成為高性能實(shí)時(shí)模擬領(lǐng)域的值得信賴的領(lǐng)導(dǎo)者，它賦予工程師們探索極限的能力。但這只是故事的一部分，創(chuàng)新是我們所做一切的核心，我們對未來充滿期待。

 

敬請期待--我們將在未來的博客文章中分享更多令人興奮的發(fā)展。你準(zhǔn)備好實(shí)時(shí)多體動力學(xué)模擬了嗎?