多领域统一建模
基于Modelica的多领域统一建模系统开发
机 械 工 程 与 自 动 化
Ｍ ＥＣＨＡＮＩ ＣＡＬ ＥＮＧＩ ＥＲＩ ＮＥ ＮＧ ＆ ＡＵＴ０Ｍ ＡＴ１ ０Ｎ
Ｎｏ．３
Ｊ ｎ ｕ．
文 章 编 号 ：６ ２６ １ （０ ０ ０—０ ００ １ ７ —４ ３ ２ １ ）３０ ２— ３
计 算和 后处理 ，处 理繁琐 ，建模 工作 量大 。而且 要求 用 户具 备专业 的知 识背景 和一定 的工 程经 验 ，在 一定 程 度上 限制 了 Ｃ ＡＥ的普及 。 随 着计算 机计 算能力 的提 高 以及 面 向对 象等 思想 的出现 ， 进 了多领 域统一 建模标 准语 言 Ｍｏ ｅｉ 促 ｄ ｌ ａ的 ｃ 产 生 。它采用 了统 一的规 范对模 型进行 描述 ，保 证 了 模 型的 一致性 和可靠 性 。其模 型直观 ，易 于理解 ，建 模工 作量 少 ，具 有 面 向对 象建模 、非 因果建 模 、陈述 式物 理建 模 、多领域 统一 建模和 连续 离散混 合建模 等
基 于 Ｍｏ ｅｉａ的 多领 域 统 一建 模 系统 开发 ｄｌ ｃ
谷 志 才
（ 京 航 空航 天 大 学 机 械 ２ 程 及 自动 化 学 院 ，北 京 １ ０ ９ ） 北 ｒ ＿ ０１ １ 摘 要 ：给 出 了基 于 Ｍ ｏ ｅｃ ｄ ｌａ的 多领 域 统 一 建 模 系 统 的 体 系 结构 ，包 括 显 示 层 、功 能层 和 处 理 层 。详 细讨 论 了 ｉ
特点 。 ¨ 目前 ， 于 Ｍｏ ｅｉ 语 言 的具有代 表性 的多领 域 基 ｄｌ ａ ｃ
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补充1-1 统一建模语言UML
2.对象图(Object diagram)
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3.包图(Package diagram)
包图: 一种组合机制，由关系密切的一组模型元素构 成，还可以由其他包嵌套构成。即主要由包或类组成， 主要表示包与包、包与类之间的关系。 作用：主要用来描述系统的分层结构；引入包是为了 降低系统的复杂性，包是维护和控制系统总体结构的 重要建模工具。
2.2 UML系统模型与建模
2.2.1 用例模型及组成成分 2.2.2 静态模型与系统体系结构建模 2.2.3 动态模型与行为控制流建模
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2.2 UML系统模型与建模
UML分析和设计模型由3大类10种图表示。
用例模型图：由用例图组成。 静态模型图：由类图、对象图、包图、构件图和 配臵图组成。 动态模型图：由活动图、顺序图、状态图和合作图 组成。
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2.1.2 UML的特点和作用
二. UML的主要作用
2. 为软件系统建立构件 UML不是面向对象的编程语言，但它的模型可以直 接对应到各种各样的编程语言。 例如：它可以使用代码生成器工具将UML模型转换 为多种程序设计语言代码，如：可生成C++、XML DTD、JAVA、Visual Basic等语言的代码，或使用 反向生成器工具将程序源代码转换为UML；甚至还 可以生成关系数据库中的表。
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2.1.1 UML的诞生与发展
UML的简要发展历程如图所示：
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2.1.2 UML的特点和主要作用
一. UML的特点
统一标准：UML统一了Booch、OMT和OOSE等方法中的
基本概念，已成为OMG的正式标准，提供了标准的面向对象 的模型元素的定义和表示。
统一建模语言
统一建模语言统一建模语言（UML）是一种定义良好、易于表达、功能强大且普遍适用的建模语言。
它融入了软件工程领域的新思想、新方法和新技术。
它的作用域不限于支持面向对象的分析与设计，还支持从需求分析开始的软件开发的全过程。
1．UML的结构UML的结构包括基本构造块、支配这些构造块如何放在一起的规则（体系架构）和一些运用于整个UML的机制。
（1）构造块。
UML有三种基本的构造块，分别是事物（thing）、关系（relationship）和图（diagram）。
事物是UML中重要的组成部分，关系把事物紧密联系在一起，图是很多有相互相关的事物的组。
（2）公共机制。
公共机制是指达到特定目标的公共UML方法，主要包括规格说明（详细说明）、修饰、公共分类（通用划分）和扩展机制四种。
●规格说明：规格说明是事物语义的文本描述，它是模型真正的核心。
●修饰：UML为每一个事物设置了一个简单的记号，还可以通过修饰来表达更多的信息。
●公共分类：包括类元与对象（类表示概念，而对象表示具体的实体）、接口和实现（接口用来定义契约，而实现就是具体的内容）两组公共分类。
●扩展机制：包括约束（添加新规则来扩展事物的语义）、构造型（用于定义新的事物）、标记值（添加新的特殊信息来扩展事物的规格说明）。
（3）规则。
UML用于描述事物的语义规则分别是为事物、关系和图命名。
给一个名字以特定含义的语境，即范围；怎样使用或看见名字，即可见性；事物如何正确、一致地相互联系，即完整性；运行或模拟动态模型的含义是什么，即执行。
UML对系统架构的定义是系统的组织结构，包括系统分解的组成部分、它们的关联性、交互、机制和指导原则等这些提供系统设计的信息。
而具体来说，就是指5个系统视图，分别是逻辑视图、进程视图、实现视图、部署视图和用例视图。
●逻辑视图：以问题域的语汇组成的类和对象集合。
●进程视图：可执行线程和进程作为活动类的建模，它是逻辑视图的一次执行实例，描绘了所设计的并发与同步结构。
UML与领域建模的应用实践指南
UML与领域建模的应用实践指南在软件开发领域，UML（统一建模语言）和领域建模是两个重要的概念。
它们被广泛应用于软件系统的设计和开发过程中，有助于提高系统的可理解性和可维护性。
本文将探讨UML和领域建模的应用实践指南，帮助读者更好地理解和应用这两个概念。
一、UML的概述UML是一种用于软件开发的建模语言，它提供了一套标准的符号和语法，用于描述系统的结构、行为和交互。
UML包括了多种图形表示方法，如用例图、类图、时序图等，每种图形都有特定的用途和表达能力。
通过使用UML，开发人员可以更好地理解和沟通系统的设计和实现。
在实践中，UML可以应用于多个阶段的软件开发过程，包括需求分析、系统设计、编码和测试等。
它可以帮助开发人员明确系统需求，定义系统的结构和行为，以及识别系统中的潜在问题。
因此，熟练掌握UML的使用方法对于开发高质量的软件系统至关重要。
二、领域建模的概述领域建模是一种用于描述和分析特定领域的建模方法。
它通过抽象和概括领域中的实体、关系和行为，帮助开发人员更好地理解和应对领域中的问题。
领域建模通常包括实体建模、关系建模和行为建模等方面，它们共同构成了一个完整的领域模型。
在实践中，领域建模可以帮助开发人员深入了解特定领域的需求和约束，从而更好地设计和实现相应的软件系统。
通过领域建模，开发人员可以识别领域中的核心概念和关键问题，为系统的设计和开发提供有力的指导。
三、UML与领域建模的结合应用UML和领域建模可以结合应用，相互增强，提高软件开发的效率和质量。
在实践中，可以通过以下几个步骤来实现UML与领域建模的结合应用。
首先，进行领域分析，了解特定领域的需求和约束。
通过与领域专家的交流和调研，收集和整理领域相关的信息和知识。
这一步骤可以帮助开发人员建立起对领域的整体认识，为后续的建模工作打下基础。
其次，使用UML进行领域建模。
根据领域分析的结果，使用UML的各种图形表示方法，如用例图、类图、时序图等，来描述和表达领域中的实体、关系和行为。
基于Modelica的多领域建模与联合仿真
基于Modelica的多领域建模与联合仿真作者：赵建军,吴紫俊来源：《计算机辅助工程》2011年第01期摘要：为实现多领域建模仿真环境与其他仿真环境的联合仿真，提出基于Modelica多领域建模的联合仿真方案.该方案基于Modelica多领域模型的连接机制，通过Modelica模型与Simulink模块的转换机理，实现在S-Function联合仿真框架下的联合仿真.基于Modelica的多领域物理系统建模仿真工具MWorks与AMESim的联合仿真实例表明：该方法可扩大Modelica模型的应用范围，实现多领域建模仿真平台与其他仿真软件的协同.关键词：多领域建模；联合仿真； Modelica； Simulink中图分类号：TP391.9 文献标志码：Multi-domain modeling and co-simulation based on ModelicaZHAO Jianjun, WU Zijun（National CAD Support Software Engineering Research Center, Huazhong Universityof Science and Technology,Wuhan 430074, China）Abstract： To achieve the co-simulation of multi-domain modeling and simulation environment with other simulation environment, a co-simulation solution based on multi-domain modeling with Modelica is proposed. Based on the connection mechanism of multi-domain Modelica models, the co-simulation under S-Function co-simulation framework is implemented using the converting principle between Modelica models and Simulink modules. A co-simulation example between MWorks which is a multi-domain physical system modeling and simulation tool based on Modelica and AMESim indicates that the method can extend the application of Modelica models and achieve the collaborative work between multi-domain modeling and simulation tools and other simulation software.Key words： multi-domain modeling; co-simulation; Modelica; Simulink0 引言随着仿真技术在一些大规模、多领域问题中的深入应用，人们对仿真精度和规模的要求日益提高，仿真过程的复杂度急剧上升.单领域仿真环境支持大规模仿真已成为仿真的瓶颈，而采用多领域物理统一建模仿真和联合仿真技术［1］成为解决该问题的有效方法.多领域建模仿真技术是基于统一建模语言、被广泛接受的一种建模仿真方法.Modelica是目前盛行的多领域物理系统建模语言，主要基于方程的陈述式建模语言，采用数学方程描述物理规律和现象，通过微分代数方程系统实现仿真运行，具备模型重用性高、建模简单方便以及模型贴近实际物理系统等优点.［2］同样，联合仿真技术也可实现多领域复杂模型的仿真.将复杂物理模型按学科领域划分为多个单领域的模型，利用单学科的专业软件建立相应的单领域模型，通过单领域软件间的交互接口等方式实现数据交换和调用，完成复杂物理模型的仿真.目前，国际上已有基于Modelica的建模仿真工具，这些工具的基本单元是Modelica组件［3］，即各领域系统的基本元件.同时，联合仿真技术也被广泛研究和应用.(1）基于软件已有接口的联合仿真.现有仿真软件可通过其提供的接口导出仿真结果或者将模型转换为其他软件可读取的格式，在某个运行环境中实现不同仿真软件模型的联合仿真.该方式成本较低，已被广泛运用于工程中.(2）基于HLA/RTI框架的联合仿真［4］.该方式通过接口标准HLA(High Level Architecture)所规定的模型描述规范和接口规范，通过运行时间支撑(Run Time Infrastructure，RTI)系统，实现联邦成员间的通信.其核心是仿真管理服务，包括仿真联邦管理和TTI联邦管理.该框架是联合仿真的高层软件体系框架，现已被运用于模拟军事演习系统中.基于Modelica统一建模仿真技术可实现多领域间的无缝集成，实现多领域在同一平台下的建模仿真，该技术以其统一协同的理念已开始应用于工程中.单领域的仿真软件尽管在其领域范围内被广泛认同，且有深厚的积累，但只限于该专业领域内；而联合仿真技术可将Modelica技术与单领域仿真软件的优势进行集成，实现优势互补.本文围绕联合仿真技术，以基于Modelica的多领域物理系统建模仿真工具和液压专业优势软件AMESim的联合仿真为例，说明利用Modelica工具的多领域优势和AMESim的液压领域优势进行建模和仿真的方法，探讨利用多领域物理建模软件和专业优势软件进行联合仿真的方法，详细分析基于软件接口的建模软件的联合仿真方法，为基于Modelica技术的多领域仿真系统与其他仿真系统的联合建模和仿真提供技术框架.1 联合仿真接口Modelica模型采用数学方程描述不同领域子系统的物理规律和现象，根据物理系统的拓扑结构，基于语言内在的组件联接机制，实现模型构成和多领域集成［5］，即Modelica模型是面向对象的数学模型，其基于物理系统数学表示的内在一致性，支持在一个模型中包含多个领域的模型组件，实现多领域建模.模型主要依赖其连接器进行联合仿真.［6］连接器是Modelica中约束类connector的实例，通常作为模型组件的类成员充当模型组件与外界的接口或端口.图1中的Pin是Modelica中电气组件的连接器类,其Modelica代码为只能在组件之间的同类连接器之间建立连接，通过方程实现，说明Modelica支持非因果连接.图2是3个Pin实例的连接及Modelica代码与等效方程.模型或组件之间借助连接器连接，实现不同模型或组件之间的数据交换.在Modelica模型的联合仿真过程中，Modelica模型也可使用连接器实现与其他模型的通信.图3表明Modelica 模型与连接器的关系，可使用Modelica模型的连接器定义模型的输入和输出，通过连接器通信实现Modelica模型与其他模型的数据交换.图 3 Modelica模型与连接器的关系Fig.3 Relationship between Modelica modeland its connectorAMESim提供与Excel，Matlab，Simulink和MSC Adams等软件的接口，这些接口均可将AMESim模型转换为对应仿真平台可读取的格式，使模型能在其他平台中求解.在仿真求解前，模型均需编译.在编译模型时，会生成该模型的C代码，其中包含模型的相关信息，可被仿真平台读取.为使该模型可被其他仿真平台使用，实现与其他仿真环境模型的联合仿真，可将该模型的C代码转换为其他仿真平台可读取的格式，或直接在该模型编译时控制编译的生成结果，直接生成能被其他平台读取的格式.AMESim本身提供与Simulink的接口，可将其自身模型转换为S-Function块；而Modelica 模型也可在编译时控制其生成该模型的S-Function块，从而实现Modelica多领域模型与其他仿真环境模型的联合仿真.2 联合仿真环境AMESim 模型经过编译和参数设置等生成供Simulink 使用的S-Function后, 在Simulink 环境中，利用AMESim的接口将建好的包含其他Simulink 模块的AMESim模型当作一个普通的S 函数添加到系统的Simulink 模型中，实现AMESim 与Simulink 的联合建模和仿真.AMESim可将模型转换为Simulink的模块.只需将Modelica多领域模型转换为Simulink模块，即可实现AMESim模型与Modelica模型的数据交换，从而在Simulink环境中实现Modelica工具与AMESim的联合仿真.联合仿真方案见图4.转换后，模型均为S-Function，在Simulink中的仿真流程见图5.在进行Modelica多领域模型转换时，采用Simulink的C代码S-function机制，将Modelica模型转换为Simulink块，转换后的Modelica模型必须符合Simulink块的数学模型定义，即满足如图6所示的数学关系.在Simulink中，将创建的Modelica多领域模型作为自定义块加入到“Simulink Library Browser”中，通过设置该自定义块的Mask和回调函数，实现块的参数设置和块仿真时状态的控制图 5 仿真流程Fig.5 Simulation process3 联合仿真实例液压机械模型是由液压、机械及控制等3部分组成的复杂系统.建模时，将系统拆分为机械和液压部分2个子模型，在MWorks中建立机械部分子模型，在AMESim中建立液压部分子模型，将建好的模型放到统一的运行环境中进行联合仿真.通过使用不同软件建立系统子模型的方法，验证多领域软件与其他软件联合仿真的可行性.根据所需的机械模型，在MWorks中直接拖拉Modelica模型库中的组件，合理设置各个组件参数，然后使用连接工具连接各个组件的连接器，组成完整的多领域模型系统.在建模过程中，为实现Modelica模型与其他软件模型的联合仿真，即实现Modelica模型与其他软件建立的模型之间的数据交换，需对Modelica模型进行数据接口的定义，见图7.在Modelica模型中定义1个输入接口、4个输出接口，见表1.输入接口接收外部数据，输出接口将Modelica模型中计算的数据输出到其他软件模型中，采用MWorks机械转动库中角速度传感器采集的4个转子的角速度数据，在联合仿真时通过这些接口与其他模型交换数据.如果在Modelica中没有定义数据交换接口，则在联合仿真时不能与其他模型进行数据交换，即不能进行联合仿真.因此，在建模过程中应根据系统模型的需要定义完整的Modelica模型数据交换接口.Modelica多领域模型完成后，需建立联合仿真系统的液压模型.在AMESim中直接调用各种液压元件模块，合理设置各元件的参数，也可利用HCD 库中的模型搭建所需的元件，然后将各元件连接成完整的液压回路.［7］建模时按实际系统在模型库中选取元件并进行油路连接，然后设置模型参数.一般可选择CoSim接口实现联合仿真，图8为联合仿真的AMESim 液压模型.在联合仿真的液压模型中需设计合理的数据交换接口，实现液压模型数据的输入输出.表2为液压模型联合仿真的接口.由图8可知，模型输出液压马达的转角数据，同时需其他模型输入对其输入阀的控制信号.在进行联合仿真前，需对AMESim模型进行编译.此时，可将定义完整的数据交换接口的液压与机械模型转化为S-Function模块，在Simulink环境中实现联合仿真.将MWorks的Modelica机械模型和AMESim的液压模型导入到Simulink中，并将液压模型的iname接口与机械模型的m_in接口连接，根据需要还可使用Simulink中的信号模块对联合仿真模型提供信号的输入.其MWorks的Modelica多领域模型与AMESim液压模型的联合仿真模型见图9.液压模型输出的马达转角为Modelica模型的转角输入.在此联合仿真模型中，可使用Simulink中的工具对AMESim模型进行反馈控制.在仿真时，AMESim模型与MWorks模型分别使用各自的求解器求解，仅通过接口交换数据.图 8 联合仿真的AMESim液压模型上述联合仿真模型包含2部分：AMESim液压模型与MWorks的Modelica多领域模型，还包含有Simulink的电源和示波器模块.联合仿真模型的输入是Simulink中的正弦波信号，同时该信号也是液压模型输入信号，控制液压模型的电磁换向阀.联合仿真模型输出机械模型4个转子的转角速度.在联合仿真模型中，液压模型的输出（即液压马达的转角速度）是机械模型的输入.在仿真时，联合仿真模型按相同的步长调用各自的求解器进行仿真.在每个步长中，液压模型的输出均输出给机械模型进行数据交换，在开始仿真时，随着液压模型输入正弦信号的增强，换向阀P-B的油路开口逐渐变大，进而流量增大，使得液压马达反向转速逐渐增大，见图10；当输入的正弦信号减小时，P-B油路开口减小，马达的转速减小，逐渐趋于0.当输入的正弦信号小于0时，马达正向加速旋转，此时当正弦信号趋于0时，马达正向减速旋转.机械模型接收到液压模型的输入时，其左边2个转轴(J1和J2)立即开始转动，而第2个转轴(J2)前有正弦刹车信号，则给转轴的角速度从0开始增大.后2个转轴(J3和J4)的刹车信号为阶跃信号，其阶跃信号的触发时间为1 s和2 s，则这2个转轴在和2 s时开始转动，见图11.因此，MWorks与AMESim的联合仿真可行，进而表明基于Simulink的S-Function机制的Modelica多领域模型与其他仿真环境模型的联合仿真可行.4 结束语针对多领域仿真软件和专业优势仿真软件各自的优势，分别介绍Modelica模型和AMESim模型与Simulink的接口技术，着重研究Modelica工具与AMESim间的联合策略.在此基础上，提出基于-的Modelica模型与其他仿真软件模型的联合建模仿真技术框架，同时进行验证.这种联合仿真建模技术框架充分发挥多领域统一建模技术和联合仿真技术的优势，适合多领域模型与其他单领域模型复杂系统的联合仿真.参考文献：［1］-A unified object-oriented language for system modeling and simulation［C］// ERIC H Proc 12th European Conf on Object-oriented Programming, Brussels: Springer-Verlag, 1998: 67-90.［2］袁平鹏陈青茶, 圹坪, 等. 基于网格的联合仿真平台［J］. 华中科技大学学报:自然科学版, 2007, 35(S2): 1-3.simulation platform［J］. J Huazhong Univ of Sci & Technol: Nat Sci, 2007, 35(S2)： 1-3.［3］吴义忠刘敏, 陈立平. 多领域物理系统混合建模平台开发［J］. 计算机辅助设计与图形学学报, 2006, 18(1): 120-124.multi-domain physical system［J］. J Computer-Aided Des & Comput Graphics, 2006, 18(1): 120-124.［4］曹琦何中市, 余磊, 等. 基于 HLA/RTI 的联合仿真建模技术框架［J］. 系统仿真学报-2924.simulation based on HLA/RTI［J］-2924.［5］赵建军丁建完, 周凡利, 等. Modelica语言及其多领域统一建模与仿真机理［J］. 系统仿真学报, 2006, 18(2): 570-573.multi-domain unified modeling and simulation［J］. J Syst Simulation, 2006, 18(2): 570-573.［6］丁建完陈立平, 周凡利, 等. 复杂陈述式仿真模型的相容性分析［J］. 软件学报, 2005, 16(11): 1869-1875.declarative simulation models［J］. J Software, 2005, 16(11): 1869-1875.［7］in MWorks: a platform for modeling and simulation of multi-domain physical systems based on Modelica［C］ // The Modelica Association. Proc 5th Int Modelica Conf, Vienna, Austria, 2006:733-740.(编辑于杰。
多领域建模语言Modelica类型解析研究与实现
２ Ｍｏ ｅ ｃ ｄｌ ａ语 言规 范 ｉ
Ｍｏｅｉ ｄｌ ａ是 欧 洲 仿 真 界 在 统 一 和归 纳 先 前 多 种 物 理 建 模 ｃ 语 言 的基 础 上 ， 为解 决 复 杂多 领 域 物 理 系 统 的统 一 建 模 与 仿 真 问 题 ， 出 的 一 种 面 向 对 象 的 、 于 方 程 的 、 述式 建 模 语 言 。 提 基 陈 该 语 言采 用 了非 因果 的建 模思 想 ， 更 加 自然 的语 法 和 语 义 来 用 表 述模 型 ， 常适 合 于 物理 系 统 的 建 模 。 非
吴 民峰 吴义 忠 周 凡利 陈立 平 （ 中科技 大 学 国家企业 信 息化 应 用支撑 软件 工程技 术研 究 中心 ， 汉 ４ ０ ７ ） 华 武 ３ ０ ４
摘 要 类 型 解析 是 编 译 器 开 发 的 一 项 重要 工作 ， 也是 语 义 分析 的一 个最 重 要 组 成 部 分 。基 于 Ｍｏｅｉ ｄｌ ａ建模 语 言 。 究 ｃ 研
Ａｂ ｔａ ｔ ｙ ｅ ｐ ｒ ｉ ｇ ｉ ｌ ｉ ｏｔ ｎ ｒ ｕ ｉｇ ｃ ｍｐ ｌ ｒ ｄ ｖ ｌｐ ｎ ｎ ｎ ｆ ｔ ｅ ｍｏ ｔ ｉ ｏ ａ ｔ ｃ ｍｐ ｓｔ ｎ ｆ ｓｒ ｃ ：Ｔ ｐ ａｓｎ ｓ ｌ ｍｐ ｒ ｔ ｗｏ ｋ ｄ ｒ ｏ ｉ ｅ ｅｏ ｉｇ ａ ｄ ｏ ｅ ｏ ｈ ｓ ｍｐ ｒ ｎ ｏ ｏ ｉ ｏ ｓ ｏ ａ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ
大 影 响 。先 后 出 现 了 Ｌｓ 、 ｌ ｃｌＯ ｊｃ、 ａｃｌＣ ＋ Ｊｖ ｉ Ｃａ ａ、 ｂｅｔＰ ｓａ、 ＋ 、ａａ等 ｐ ｓ
多 种 面 向对 象 的 语 言 ．其 中 以 Ｃ ＋ Ｊｖ ＋ 和 ａａ对 技 术 的推 广 和 应 用 影 响 最 为重 大 。 向对 象 语 言 在仿 真 界 ， ３ 面 近 ０年 里 也 产生 了 许 多 通 用 仿 真 工 具 ，如 Ａ Ｓ 、 ａｙ 、ｙｔ ｕｌ 及 专 用 的 Ｃ Ｌ Ｅ ｓ５ Ｓｓ ｍＢ ｉ ｅ ｄ以
多领域统一建模技术在管路分析中的应用与发展
２ ２年 ７ 月 ０１
舰
船
科
学
技
术
Ｖｏ ． ４． ＮＯ ７ １３ ．
Ｓ Ｉ ＣＩ Ｈ Ｐ Ｓ ＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ
Ｊ１ ｕ ．，２ ２ ０１
多领域 统一建模技术在管路分析 中的应用与发展
董 仁 义 ，吴 崇健 ，张 京 伟 ，彭文 波
～ｅ一．一 ＿一ｄ～＿ 叫 ｄ． 蓦朗 ＿一 一凹 出一 一ｍ 量 让一薹． ｎｅ 一； 肌
．
Ａｐｐ ｉ ａ ｉ ｎ ａ ｄ ｄ ｖ ｌ ｐｍ ｅ ｆｔ ｕ ｔ－ ｏ ａ ｎ ｕ ｆｅ ｏ ｅ ｉ ｇ ａ ｐｌ ｄ ｉ ｉ ｅ ａ ｌ ｓｓ ｌｃ ｔｏ ｎ ｅ ｅｏ ｎｔｏ ｈｅ ｍ ｌｉｄ ｍ ｉ ｎｉ ｄ ｍ ｄ ｌｎ ｐ ｉ ｎ ｐ ｐ ｎａ ｙ ｉ ｉ ｅ
界负 载对 系统 动态 特 性 影 响 ，最终 得 到 压 力 流 量 脉
进程 问通 信等 方 法进 行 信 息 交 换 ，然 后 独 立 利 用 各 自的求解 器进行 求解 ，最终 实现 整个 系统 的仿真 。
． ＤＯＮＧ Ｒｅ —ｉ ｎｙ ，ＷＵ Ｃ ｏ ｇｊ ｎ，Ｚ ｈ ｎ —ａ ｉ ＨＡＮ ｉｇｗｅ，Ｐ … ＿ ｎ ｂ汕 Ｇ Ｊｎ — ｉ ＥＮ 罟 ｍ ｏ Ｇ Ｗｅ —
（ ｈｎ ｈｐ Ｄｅ ｅｏ ｍｅ ｔａ ｄ Ｄｅｉｎ Ｃ ｎｅ ，Ｗｕ ａ ３ ０ ４，Ｃ ｉａ Ｃ ｉａＳ ｉ ｖ ｌｐ ｎ ｎ ｓｇ ｅ ｔｒ ｈｎ ４ ０ ６ ｈｎ ）
本 文 首 先 对 基 于 Ｍｏ ｅ ｃ 语 言 的 多 领 域 统 一 建 模 技 术 进 行 简 述 ， 点综 述 了 基 于 Ｍｏ ｅ ｃ 语 言 的 多 领 域 统 一 建 模 技 ｄｌａ ｉ 重 ｄｌａ ｉ 术 在 管 路 分 析 中 的 应 用 概 况 ， 此 基 础 上 给 出了 管 路 分 析 的未 来 发 展 趋 势 。 在
多领域建模理论与方法
XXX理工大学CHANGSHA UNIVERSITY OF TECHNOLOGY&TECHNOLGY题目：多领域建模理论与方法学院： XXX学生： XXX学号: XXX指导教师： XXX2015年7月2日多领域建模理论和方法The theories and methods of Multi-domain ModelingStudent:XXX Teacher:XXX摘要建模理论和方法是推动仿真技术进步和发展的重要因素，也是系统仿真可持续发展的基础[1]文中综述了多领域建模主要采用的四种方法，并重点对基于云制造的多领域建模和仿真进行了叙述，并对其发展进行了展望。
关键词：多领域建模仿真；云制造；展望Abstract：The theory and method of system model building is not only the key factor to stimulate the development and improvement of simulation technique but also the base of system simulation. This paper analysis four prevails way in Multi-domain Modeling, especially to the Multi-domain Modeling and Simulation in cloud manufacturing environment. We give a detail on its development and future.Keywords: Multi-domain Modeling and simulation; Cloud manufacturing; Future development一引言随着科学技术的发展进步和产品的升级需求，对产品提出了更高的要求，使得建模对象的组成更加复杂，涉及到各个学科、进程的复杂性以及设计方法的多元化。
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• 复杂机电系统对产品设计在 理论、方法和技术手段三个
层面提出了新的挑战
多学科协同优化MDO Multi-discipline
Collaborative Opt.
多领域统一建模与分析 Multi-domain Modeling
16
基于HLA的方法
联邦成员1 RTI接口
联邦成员2
…
RTI接口
联邦成员n RTI接口
运行时间支撑系统RTI 底层通信支持系统
缺点：相比基于接口的方法，其标准性和开发性得到
提高，但仍需要各专业仿真软件提供与HLA的接口，
仍需要人为地割裂耦合关系，仍需要针对不同的仿真
应用配置模型接口、编写集成代码，多个求解器步长
似” 整机研发能力弱于单一零部件研发能力 复杂机电系统产品研发能力弱于单纯机械产品研发能力 设计多以传统常规为主，缺乏鲁棒性、优化设计和使能手段 缺乏数据和知识的积累与重用，急需支持数据、知识集成和重
用的支撑平台 实现了产品设计工具的计算机化，但开发流程仍然延续传统的
管理方法，开发模式和方法从内在机制上缺乏对集成性、并行 性和自适应性的支持，难以形成快速响应的设计能力
自定义 构件库
领域 库
复杂系统
Modelica 模型
内部 代码
求解 结果
求解 引擎
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Байду номын сангаас
实现机制
物理构件
复杂系统
自定义 构件库
领域 库
Modelica 模型
内部 代码
求解 结果
求解 引擎
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4.2 MWorks
33
4.2 MWorks
analog Circuit
采用ADAMS与Nastran解决刚柔耦合多体系统动力学问题 采用LMS/Sysnoise解决NVH噪声问题 采用ANSYS解决多场耦合问题
6
动力性、燃油经济性、环保性 涉及动力性、燃油经济性及排放环保性涉及动力传动系
统的匹配优化，机电液耦合系统动力学的支撑
采用Matlab/Simulink控制策略优化问题 采用AMEsim解决多领域建模仿真问题
• 1996年8月欧洲仿真界的一群专家学者开始致力于物理系统建模 语言的标准化工作 ，在归纳和统一多种建模语言的基础上，于 1997年9月提出了Modelica语言，并成立了Modelica协会
•
18
19
20
实例
21
22
23
多领域物理建模与仿真技术
物理构件
34
4.2 MWorks
Fighter F14 飞行控制建模与仿真
35
变等）
2
工程机械/汽车研发涉及的CAE技术
被动安全性 主动安全性
舒适性
动力性 燃油经济性
环保性
其他…
疲劳耐久性
结构优化及 制造经济性
3
主动安全性及动态特性
涉及底盘系统匹配优化，涉及悬架、转向、制动、传动系统动力 学及汽车电子控制，需要刚柔耦合多体系统动力学、机电液耦合 系统动力学的支撑
采用ADAMS与Nastran解决刚柔耦合多体系统动力学问题 采用AMESim解决液压系统设计问题 采用Matlab/Simulink解决控制器设计问题 通过上述软件的接口集成实现机-电-液-控的联合仿真
• 基于接口的方法 • 基于高层体系结构（HLA）的方法 • 基于统一建模语言（Modelica语言）的
方法
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基于接口的方法
仿真软件A 求解器 模型A
仿真软件B 求解器
模型B
缺点：需要人为地割裂不同领域子系统之间的耦 合关系，需要各专用仿真软件提供相互交互的接 口，不具有标准性、开发性，扩充困难
7
结构优化及制造经济性 涉及底盘部件的结构减重，以及车身材料替代及车身板金
冲压成型工艺优化，需要机械结构优化及大变形碰撞动力 学的支撑。
采用Nastran、ANSYS解决结构分析问题 采用HyperWorks/Optistrut解决结构拓扑问题 采用LS-DYNA3D、DYNAFORM解决板金冲压成型
显示引擎 HOOPS
。。。。。。。
11
产品设计与CAD的释义
• 产品设计是产品的功能设计 • 产品模型是多领域、多学科统一综合描述 • 产品设计最终目标是产品性能的优化设计
• CADrafting • CADesign • CADevelop
2D 3D Multi-D
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我国产品设计的技术现状
设计能力弱于制造能力 设计缺乏系统性、理性的指导和技术支撑，多“形似”少“神
多领域统一建模、分析与优化
——下一代机电产品数字化设计技术
1
现代机电产品：机、电、液、气、控、热…多物理 器件集成
动力传动系统（包 括变速箱、离合器、
差速器等）
制动系统（包括 ABS、 ESP、 TCS等）
发动机（燃 油、电动）
空调系统
转向系统（全 液压、电液、
电动）
悬架系统（机械、
液压、气动、磁流
– 模型的重用性不足，缺乏统一建模规范
– 现有CAE以基础理论的软件化为重，工程界需要支持设计师计算活动的计算设计 理论与技术
10
数字化设计技术现状
系统集成开发
CAD1
CAD2
1
。。。。
CADn
1
关键共性组件
几何引擎 Parasolid、ACIS
几何约束引擎 D－cubed
• 重结构、轻性能 • 多几何设计、少功能设计 • 强信息集成，弱模型集成 • 缺系统综合能力 • 短辅助创新设计能力
8
疲劳耐久性 涉及底盘部件及车身部件的疲劳耐久性，需要刚柔耦
合多体系统动力学及机械结构优化技术的支撑
采用ADAMS与Nastran解决刚柔耦合多体系统动力学问题 采用N-code，MSC.Fatigure疲劳耐久性
9
– “精致”的异构单领域工具，难以支持多领域协同开发
• 一般力学、多体系统动力学 －> 机械系统动力学平台
• 固体力学 －> 结构有限元分析 FEM
• 流体力学 －> 计算流体动力学 CFD
• 电磁学 －> 电磁场有限元分析
• 控制理论－> Matlib/Simulink
• 液压系统－> AMESim
……
– 平台开放性差，软件封装知识，知识依赖软件
– 缺少系统建模、分析和优化的技术支撑
– 模型难以在现有技术平台上有效积累、集成、共享、重用
协调存在技术问题
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多领域物理统一建模与Modelica语言
• Elmqvist于1978年首先提出基于方程的面向对象建模思想，并 设计了Dymola语言
• 随着计算机硬件、软件和数值技术的快速发展，先后涌现出了 一批基于方程的面向对象建模语言。例如：Omola 、ALLEN 、 Smile 、ASCEND、gPROMS、ObjectMath、NMF等
（但无法实现基于统一模型的一体化仿真）
4
被动安全性 涉及车身结构及乘员约束系统的优化设计，需要车身结构
的大变形碰撞动力学的支撑
采用LS-DYNA3D、ETA/VPG解决大变形碰撞动力学
5
舒适性 涉及整车NVH的匹配与优化，涉及底盘、车身系统动力学，
需要多场耦合（声热固等）系统动力学及刚柔耦合多体 系统动力学的支撑
多体系统建模与分析 Multi-body Dynamics
CAD
Product Lifecycle Management
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多领域物理建模研究现状与趋势 多领域建模是为实现复杂系统的协同仿真而产生的 建模技术，其目标是将机械、电子、液压、控制等 不同学科领域的模型集成一体，以实现协同设计、 分析和仿真