基于FMI的履带车辆集成优化设计系统

基于fmi的履带车辆集成优化设计系统
技术领域
1.本发明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。


背景技术：

2.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。


技术实现要素：

3.本发明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。
4.本发明是通过以下技术方案实现的：
5.本发明涉及一种基于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。
6.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。
7.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。
8.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。
9.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。
10.本发明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：
11.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；
12.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；
13.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；
14.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；
15.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；
16.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
17.与现有常规技术手段相比，本发明首先利用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
18.图1为本发明系统结构示意图；
19.图2为本发明系统具体操作步骤流程图；
20.图3为实施例履带车辆平顺性优化总体流程示意图；
21.图4为根据国家标准gb/t 7031 2005得到的e级路面激励图；
22.图5为利用本发明的履带车辆集成优化结果对比图；
23.图6为垂直方向加速度优化效果示意图；
24.图7为垂直方向俯仰角度优化效果示意图。
具体实施方式
25.如图1所示，本实施例涉及一种基于fmi的履带车辆集成优化设计系统，包括：履带车辆多领域仿真模型单元、fmu模型转换单元、数据接口交互单元以及优化设计单元。
26.如图2所示，为本实施例基于上述系统的履带车辆的平顺性优化设计实例，对影响车辆平顺性的车辆悬挂控制系统中天棚阻力控制系数进行优化设计，从而达到优化的目标，具体包括：
27.步骤s1，结合履带车辆具体优化设计需求，分别在pro/e、amesim、recurdyn、simulink领域软件中建立相应的领域系统模型，具体包括在pro/e中建立的履带车辆的三维结构模型，并导入到recurdyn软件中建立履带车辆多体动力学系统模型，在amesim中建立履带车辆液压系统模型，在simulink中建立履带车辆悬挂控制系统模型。
28.步骤s2，通过fmi标准模型接口，利用各领域软件的fmu转换模块，包括amesim-to-fmu转换模块，recurdyn-to-fmu转换模块，simulink-to-fmu转换模块，将各领域软件中的仿真模型转化并封装为统一接口标准的fmu模型。
29.步骤s3，构建集成优化设计系统中的数据接口交互模块，具体包括各领域fmu模型间的数据交互接口，集成履带车辆联合仿真模型与性能设计优化单元之间的接口交互。
30.所述的各个领域fmu模型间数据交互接口包括：液压子系统fmu模型与履带车辆多体动力学fmu模型的接口交互以及悬挂控制子系统fmu模型与履带车辆多体动力学fmu模型的接口交互，具体为：液压子系统fmu模型向车辆多体动力学fmu模型传递履带车辆驱动轮的驱动力矩，以及控制子系统fmu模型通过控制天棚阻尼系统计算得到的可调节阻尼力传递给车辆多体动力学fmu模型，多体动力学fmu模型计算得到的车体质心垂直方向的振动位移xb传递给悬挂控制系统fmu模型。通过将上述fmu模型接口一一对应连接，完成履带车辆联合仿真模型的一体化集成。
31.所述的履带车辆系统联合仿真模型与性能设计优化单元的接口交互，优化变量为关键轮的天棚阻尼系数l1，天棚阻尼系数l2；优化目标为履带车辆的平顺性指标，具体为：σ
acc
＝和其中：σ
acc
为车体质心垂直方向加速度的均方根，σ
α
为俯仰角α的均方根，具体优化流程如图3所示。
32.步骤s4，建立履带车辆的优化设计单元，确定子系统优化层各领域单独的优化目
标、优化变量与耦合变量，确定系统级的优化目标与优化变量与一致性约束，协调各子系统耦合变量的冲突，实现子系统优化层各领域子系统的并行优化。
33.所述的优化方法的系统级优化问题为：
34.min f
sys
(x，y，z)
35.s.t.j(z)＝||z-y||＝0，
36.其中：y为给定的子系统优化状态变量，{x,z}为系统级优化变量，z为对应子系统的耦合变量且z
l
≤z≤zu，j为系统级的一致性约束,以消除各子领域系统单独优化过程中耦合变量产生的冲突。
37.所述的子系统级的优化问题为：
38.min fi(yi，x，z)i＝1
→
s339.s.t.j(yi，x，z)
40.其中：{x,z}为给定系统级优化的变量且在子系统优化层面对多个领域子系统单独进行优化，优化的方法为：持全局变量及耦合变量{x,z}恒定的同时，寻得给定约束条件下子系统的最优值子系统优化变量yi，并传递回系统级优化层面。
41.步骤s5，确定优化设计问题的边界条件，包括优化设计变量与系统状态变量的初始值、外界环境参数等，同时确定履带车辆联合仿真模型的仿真步长，同步各领域fmu模型的时钟，完成优化设计过程的初始化工作；
42.步骤s6，针对履带车辆的平顺性优化目标，开始对履带车辆悬挂控制系统关键轮的天棚阻尼控制系统进行优化，直到满足规定的优化目标，得到优化结果为止。
43.对于履带车辆的路面激励的边界条件，采用国家标准gb/t 7031 2005的路面不平度划分等级，选用e级路面不平度作为实施例的路面环境的边界条件，如图4所示。
44.经过具体实际仿真实验，根据国家标准gb/t 7031 2005的路面不平度划分等级，在选用e级路面不平度作为具体路面环境的设置下，以关键轮的天棚阻尼系数l1，天棚阻尼系数l2作为优化参数运行上述方法，能够得到对履带车辆系统的平顺性优化结果，得到的验证数据为：
45.如图5所示，对比本系统与传统系统的迭代次数，可看出本系统相比于传统的整体优化方法以更少的迭代步数达到收敛条件，提升了履带车辆的集成优化设计效率。
46.如图6和图7所示，为经过本履带车辆优化系统优化后的平顺性指标效果。本系统可以有效的提升车辆的平顺性，其中经过优化设计后的垂直方向上加速度更加平稳，峰值更小，加速度均方根值σ
acc
相较于优化前下降了20.63％。从俯仰角度结果来看，优化后车辆运行的俯仰角度变化也更加平稳，俯仰角度均方根值σ
α
相较于优化前下降22.14％。
47.与现有技术相比，本系统首先利用统一fmi模型接口进行多领域模型的集成，提高履带车辆联合仿真模型的运行效率，同时利用优化设计单元消除子领域系统的嵌套循环的方式，实现多领域子系统的并行优化，降低优化过程计算复杂度，提高优化设计效率和产品设计质量。
48.上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。