在實時環(huán)境中對多體系統(tǒng)進行模擬一直是機械系統(tǒng)建模的目標，尤其是在“硬件在環(huán)”“駕駛員在環(huán)”(DIL)以及虛擬(HUL)樣機領域，Simpack在其中發(fā)揮了重要作用，通過引入多項關鍵技術(shù)，使得實時多體動力學在復雜系統(tǒng)中的應用成為可能。

 

 

 

首次實時使用Simpack的體驗--分析師視角

我仍然清晰地記得第一次體驗我們實時模擬技術(shù)的情景。那是在2012年前后，我正在參與一個客戶項目，涉及一個帶有類似Paceika的輪胎實現(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時技術(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簡單的測試裝置:一個游戲風格的轉(zhuǎn)向盤和踏板，具備扭矩反饋功能，運行在經(jīng)改裝以進行實時操作的Windows筆記本電腦上。

 

接著到了關鍵時刻。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)小時的調(diào)整方程和分析二維圖表，當感受到汽車對我的輸入做出反應時，一切都發(fā)生了改變。隨著我加速、剎車和轉(zhuǎn)向，每一個反應都反映了我所構(gòu)建的物理原理。我的工作有了生命--它不再只是數(shù)字，而是能以實體形式實時與我互動。我正在體驗我的模型。這一經(jīng)歷深深觸動了我，以至于我本能地拍了一張照片--不是拍設備本身，而是拍它所代表的意義:這是我第一次在實時環(huán)境中駕駛我自己的多體模型。就是這個。

 

 

第一次駕駛自己的多體模型實時行駛的圖像。

 

Simpack實時多體動力學

如果說Simpack“發(fā)明”了實時多體動力學，這并不符合事實，但事實上，該軟件是首個在工業(yè)層面實現(xiàn)這一技術(shù)的軟件，并且Simpack通過關鍵創(chuàng)新引領了這一領域的發(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)獨具特色之處，特別是它如何推導運動方程。我描述的一個關鍵優(yōu)勢是Simpack的相對坐標方法，這種方法自然地導出了一個在數(shù)值上高效且穩(wěn)定的模型，使其天生適合用于實時模擬應用。

 

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

 

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

 

相反，Simpack的相對坐標公式利用樹狀拓撲結(jié)構(gòu)來定義物體相對于其父體的運動。因此，其運動方程主要是微分方程，這些方程更易于數(shù)值求解，且對于實時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確實支持在需要時創(chuàng)建基于DAE的模但其獨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)無法實現(xiàn)的。

 

基于ODE的系統(tǒng)在實時應用中的優(yōu)勢包括：

l每次積分步驟的計算負載較低

l無需約束穩(wěn)定化

l改進的數(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代碼導出|早期應用

因為Simpack的求解器技術(shù)非常適合實時應用，在駕駛模擬器上運行Simpack始終是一種可能性。我們從2001年開始推廣這項技術(shù)。當時，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是我們第一代實時技術(shù)，基于代碼導出生成。通過這種方式，多體模型被進行符號化預處理，并編譯成針對特定目標的C代碼，這些代碼可以部署在專用的實時平臺上。該方法確保了極高的執(zhí)行速度和確定性，但需要一套獨立的代碼生成工作流程，這增加了集成的復雜性并降低了靈活性。

 

 

 

Simpack 實時|我們現(xiàn)代的實時多體仿真方法

Simpack Code Export 在現(xiàn)場應用了大約十年，這讓我們深刻理解了與實時應用相關的諸多挑戰(zhàn)。一個關鍵的收獲是，“僅僅”生成實時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，這標志著一個重大轉(zhuǎn)變。與需要專用硬件和操作系統(tǒng)的代碼導出方法不同，SimpackRealtime的設計理念是在標準的實時兼容Linux平臺上運行標準的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)合了實時Linux內(nèi)核、內(nèi)存鎖定和確定性調(diào)度方面的進步。

 

在實時運行完整的“現(xiàn)成”多體求解器的想法在行業(yè)中是一個全新的概念。

 

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計。它允許在Simpack環(huán)境中直接進行多體模擬模型的實時運行無需進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擊運行即可。我們稱之為直接實時。

 

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

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

 

 

 

這種靈活性的一個有力例子是，Simpack Realtime 可以通過使用 Simpack FMU 導入功能無縫地導入功能性模擬單元(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，同時仍能實現(xiàn)可靠的實時性能(實際上，您必須確保這些第三方組件具有實時兼容性)

 

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

 

正如我們的一個客戶所說，“我們真的很喜歡你們的工作流程，因為它很透明”

 

例如，在汽車行業(yè)，工程師們一直依賴查找表來在實時模擬中近似計算懸架運動學--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，這些近似計算變得過時了?，F(xiàn)在，您可以運行完全詳細的懸架模型，包括動態(tài)襯套元件，并且是在實時條件下進行的，從而消除了對預先計算數(shù)據(jù)的依賴，并實現(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時執(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:《利用實時多體仿真進行駕駛動力學開發(fā)》。

 

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

 

值得注意的是，除了汽車行業(yè)，SimpackRealtime還被廣泛運用于各種不同的行業(yè)，包括鐵路、風能、傳動系統(tǒng)、建筑甚至消費品領域。例如，您可以觀看這場網(wǎng)絡研討會，探討SimpackRealtime在風力渦輪機中的應用。

 

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

 

不僅如此，通過集成的實時動畫功能，您可以直觀地看到模擬運行的過程。

 

我們希望這篇帖子能揭示 Simpack為何已成為高性能實時模擬領域的值得信賴的領導者，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。你準備好實時多體動力學模擬了嗎?