基于FMI的履带车辆集成优化设计系统技术方案

一种基于FMI的履带车辆集成优化设计系统，包括：履带车辆仿真模型单元、FMU模型转换单元、数据接口交互单元和优化设计单元，本发明专利技术在基于FMI标准模型接口实现车辆联合仿真模型的一体化集成的基础上，通过多领域子系统的并行优化方案，消除复杂系统优化设计过程的嵌套迭代，以提高履带车辆系统优化设计过程的效率与产品质量。率与产品质量。率与产品质量。

【技术实现步骤摘要】
基于FMI的履带车辆集成优化设计系统


[0001]本专利技术涉及的是一种履带车辆优化设计领域的技术，具体是一种基于FMI(Functional Mock
‑
up Interface)标准模型接口的履带车辆集成优化设计系统。

技术介绍

[0002]履带车辆是一个包括多领域子系统的大型复杂装备，其在设计优化过程中面临迭代周期长，优化效率较低，优化结果并不理想等难题。造成上述问题主有以下两方面的问题：(1)履带车辆涉及机械、液压、控制、电子等多个领域，不同领域系统的仿真模型，如机械结构模型、多体动力学模型、控制系统模型等，需要建立在不同的仿真工具中。在进行履带车辆研发与优化设计过程中，需要将各领域软件平台的模型组合，形成一个完整的履带车辆系统仿真分析模型，但是传统的基于二次开发接口的跨平台联合仿真方法，各个领域的模型仍保持在各自的仿真工具上求解，耦合程度较弱，造成工具的碎片化，解决不了软件之间的兼容性以及集成一体化等问题，严重阻碍了履带车辆的集成优化设计效率。(2)传统履带车辆等复杂系统的优化设计多采用各领域串行嵌套迭代的方式，致使优化过程迭代次数成倍增加，时间成本高，并且优化结果易陷入局部最优，设计的产品质量有限。而现有基于FMI的装备协同仿真技术只使用主控程序进行系统模型的求解，缺乏对于复杂系统多领域优化方法的考虑。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有履带车辆设计优化过程中多领域模型集成程度不高、优化过程效率低等问题，提出一种基于FMI的履带车辆集成优化设计系统，在基于FMI标准模型接口实现车辆联合仿真模型的一体化集成的基础上，通过多领域子系统的并行优化方案，消除复杂系统优化设计过程的嵌套迭代，以提高履带车辆系统优化设计过程的效率与产品质量。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0005]本专利技术涉及一种基于FMI的履带车辆集成优化设计系统，包括：履带车辆仿真模型单元、FMU模型转换单元、数据接口交互单元和优化设计单元，其中：履带车辆仿真模型单元为后续转换和封装成基于统一FMI接口的FMU模型提供基础，FMU模型转换单元将履带车辆仿真模型转换并封装为统一FMI接口的FMU模型，为后续履带车辆一体化联合仿真系统模型的集成提供基础，数据接口交互单元确定各个FMU模型之间的数据交互接口，并通过统一的FMI模型接口实现各领域FMU模型的一一对应连接，实现履带车辆联合仿真模型的一体化集成；其次数据接口交互单元还包括履带车辆联合仿真模型与优化设计单元之间的接口交互，并行优化设计单元将履带车辆的优化设计问题划分为一个系统级与多个领域子系统级的两层优化策略，同时确定各子系统的耦合设计变量，在系统级优化层通过构建耦合变量的一致性约束来协调各子系统耦合变量的冲突，使得子系统优化层的各领域子系统可完全自主的执行优化过程后，优化设计单元通过接口交互将优化变量传递给集成的联合仿真模型，并动态改变优化变量，以寻得最优值。
[0006]所述的履带车辆仿真模型单元包括：履带车辆多体动力学模型、控制系统模型、三维结构模型、有限元分析模型等不同仿真软件上建立的领域子系统模型。
[0007]所述的FMU模型转换单元包括：多体动力学FMU模型转换模块、控制系统FMU模型转换模块、三维结构FMU模型转换模块和有限元分析FMU模型转换模块，其中：多体动力学FMU模型转换模块根据所建立的多体动力学模型信息，基于统一FMI接口进行转换，将其转换为多体动力学FMU模型，控制系统FMU模型转换模块根据所建立的控制系统模型信息，将其转换为控制系统FMU模型，三维结构FMU模型转换模块根据所建立的三维结构模型信息，将其转换为三维结构FMU模型，有限元分析FMU模型转换模块根据所建立的有限元分析模型信息，将其转换为有限元分析FMU模型。
[0008]所述的数据接口交互单元包括：FMU模型间接口模块和优化接口模块，其中：FMU模型间接口模块根据各个FMU模型之间的参数传递信息，得到各FMU模型间的接口交互关系，实现履带车辆联合仿真模型的一体化集成。优化接口模块根据履带车辆的优化目标、优化变量等信息，得到优化设计单元与履带车辆联合仿真模型之间的优化接口交互关系。
[0009]所述的并行优化设计单元包括：系统层优化模块与子系统层优化模块，其中：系统级模块构建耦合变量的一致性约束来协调各子系统的耦合变量冲突，使得各领域的子系统可自主进行优化。子系统优化层独立构建各领域子系统的优化问题，实现各领域子系统的并行优化。
[0010]本专利技术涉及上述系统的基于FMI的履带车辆集成优化方法，包括以下步骤：
[0011]步骤S1，利用不同的仿真工具分别建立履带车辆多体动力学、控制系统、液压传动、三维结构、有限元分析等不同领域子系统的仿真模型；
[0012]步骤S2，基于统一FMI模型接口，将各领域模型转换并封装为相应的FMU模型；
[0013]步骤S3，提取FMU模块之间的接口数据属性信息，构成模型接口模块，完成履带车辆模型的一体化集成。同时依据履带车辆优化设计的具体需求，完成履带车辆的优化设计过程，设定各领域优化目标与优化变量等参数，构成优化接口模块，形成最终的数据接口交互单元；
[0014]步骤S4，将履带车辆设计优化过程分解为系统级优化和多个领域子系统级优化两个层次，分别确定系统级与各领域子系统优化过程的优化目标、优化变量与耦合变量，同时构建各领域耦合变量的一致性约束，实现履带车辆的多领域子系统的并行优化，建立履带车辆的优化设计单元；
[0015]步骤S5，运行连接好的履带车辆集成优化设计系统，确定仿真步长以及同步多模型间的时钟，完成集成优化系统初始化工作；
[0016]步骤S6，利用履带车辆集成优化设计系统对履带车辆进行循环迭代优化，判断优化结果是否满足优化目标，若不满足则继续迭代，直到优化结果满足优化目标为止。技术效果
[0017]与现有常规技术手段相比，本专利技术首先利用FMU模型转换单元将多领域仿真模型单元中不同领域软件的子系统模型转换为基于FMI统一接口的FMU模型，实现履带车辆多领域联合仿真模型的一体化集成，解决由于多领域仿真软件之间的不兼容造成的仿真效率与精度不足的问题；其次利用优化设计单元的多领域子系统的并行优化策略，消除各领域系统之间的嵌套循环，进一步提高履带车辆设计优化的效率，使之适应履带车辆系统优化设
计的多领域参数耦合特点，提高优化迭代设计效率与产品质量。
附图说明
[0018]图1为本专利技术系统结构示意图；
[0019]图2为本专利技术系统具体操作步骤流程图；
[0020]图3为实施例履带车辆平顺性优化总体流程示意图；
[0021]图4为根据国家标准GB/T 7031 2005得到的E级路面激励图；
[0022]图5为利用本专利技术的履带车辆集成优化结果对比图；
[0023]图6为垂直方向加速度优化效果示意图；
[0024]图7为垂直方向俯仰角度优化效果示意图。
具体实施方式<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于FMI的履带车辆集成优化设计系统，其特征在于，包括：履带车辆仿真模型单元、FMU模型转换单元、数据接口交互单元和优化设计单元，其中：履带车辆仿真模型单元为后续转换和封装成基于统一FMI接口的FMU模型提供基础，FMU模型转换单元将履带车辆仿真模型转换并封装为统一FMI接口的FMU模型，为后续履带车辆一体化联合仿真系统模型的集成提供基础，数据接口交互单元确定各个FMU模型之间的数据交互接口，并通过统一的FMI模型接口实现各领域FMU模型的一一对应连接，实现履带车辆联合仿真模型的一体化集成；其次数据接口交互单元还包括履带车辆联合仿真模型与优化设计单元之间的接口交互，并行优化设计单元将履带车辆的优化设计问题划分为一个系统级与多个领域子系统级的两层优化策略，同时确定各子系统的耦合设计变量，在系统级优化层通过构建耦合变量的一致性约束来协调各子系统耦合变量的冲突，使得子系统优化层的各领域子系统可完全自主的执行优化过程后，优化设计单元通过接口交互将优化变量传递给集成的联合仿真模型，并动态改变优化变量，以寻得最优值。2.根据权利要求1所述的基于FMI的履带车辆集成优化设计系统，其特征是，所述的履带车辆仿真模型单元包括：履带车辆多体动力学模型、控制系统模型、三维结构模型、有限元分析模型等不同仿真软件上建立的领域子系统模型。3.根据权利要求1所述的基于FMI的履带车辆集成优化设计系统，其特征是，所述的FMU模型转换单元包括：多体动力学FMU模型转换模块、控制系统FMU模型转换模块、三维结构FMU模型转换模块和有限元分析FMU模型转换模块，其中：多体动力学FMU模型转换模块根据所建立的多体动力学模型信息，基于统一FMI接口进行转换，将其转换为多体动力学FMU模型，控制系统FMU模型转换模块根据所建立的控制系统模型信息，将其转换为控制系统FMU模型，三维结构FMU模型转换模块根据所建立的三维结构模型信息，将其转换为三维结构FMU模型，有限元分析FMU模型转换模块根据所建立的有限元分析模型信息，将其转换为有限元分析FMU模型。4.根据权利要求1所述的基于FMI的履带车辆集成优化设计系统，其特征是，所述的数据接口交互单元包括：FMU模型间接口模块和优化接口模块，其中：FMU模型间接口模块根据各个FMU模型之间的参数传递信息，得到各FMU模型间的接口交互关系，实现履带车辆联合仿真模型的一体化集成，优化接口模块根据履带车辆的优化目标、优化变量等信息，得到优化设计单元与履带车辆联合仿真模型之间的优化接口交互关系。5.根据权利要求1所述的基于FMI的履带车辆集成优化设计系统，其特征是，所述的并行优化设计单元包括：系统层优化模块...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈金伟，李元芾，汤鑫宇，张会生，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：