数字化仿真与优化技术.ppt

数字化仿真与优化技术 李建广教授单位 机电工程学院机械制造及自动化系电话 86402543 601E mail mejgli 内容 数字化仿真技术概述产品的优化设计技术数字化样机制造系统的仿真与优化 1 数字化仿真技术概述 1 1仿真技术及其分类 仿真 Simulation 通过对系统模型的试验 研究已存在的或设计中的系统性能的方法及其技术 ISO 仿真即用另一数据处理系统 主要用软件来全部或部分地模仿某一数据处理系统 使得模仿的系统能像被模仿的系统一样接收同样的数据 执行同样的程序 获得同样的结果 仿真可再现系统的状态 动态行为及性能特征 用于分析系统配置是否合理 性能是否满足要求 预测系统可能存在的缺陷 为系统设计提供决策支持和科学依据 1 数字化仿真技术概述 根据模型分类模型 对现实系统有关结构信息和行为的某种形式的描述 是对系统的特征与变化规律的一种定量抽象 是人们认识事物的一种手段或工具 物理模型 客观存在的实体地球仪 飞行器模型数学模型 从一定的功能或结构上进行相似 用数学的方法再现原型的功能或特征 仿真模型 根据数学模型 用仿真语言转化为计算机可以实施的模型 仿真模型 数字化仿真 1 数字化仿真技术概述 根据系统状态变化是否连续分类 1 连续系统 系统状态随时间发生连续变化如化工 电力 液压 气动系统数学模型 微分方程 状态方程 脉冲响应函数 2 离散事件系统 在离散的时间点上发生 事件 时 系统状态才发生变化 生产线 装配线 路口交通流量的分布数学模型 差分方程 1 数字化仿真技术概述 仿真系统在系统研制中的应用 1 数字化仿真技术概述 数字化仿真优点 1 提高产品质量复现全生命周期各种复杂工作环境 2 缩短产品开发周期各环节的仿真 样机试验 3 降低产品开发成本虚拟样机试验 4 复杂产品的操作 使用训练再现系统实际工作过程 设计各种 故障 险情 航空 航天 汽车 船舶 机械结构 化工 电气 土木 建筑 交通规划 物理等工程领域以及金融 证券 人口 医疗 物流等非工程领域 1 数字化仿真技术概述 1 数字化仿真技术概述 1 数字化仿真技术概述 1 2数字化仿真的基本步骤 1 数字化仿真技术概述 1 系统建模针对仿真目标 在分析仿真对象的基础上 经过简化和抽象 数学模型 准确把握系统结构和机理 提取关键参数和特征 采取正确的建模方法 数学建模方法 A 演绎法从某些前提 假设 原理和规则出发 通过数学或逻辑推导建立数学模型 一般 特殊 B 归纳法通过对真实系统的测试 获得有关真实系统本质的信息及数据 通过对相关信息及数据的处理 得出对真实系统规律性的描述 特殊 一般 1 数字化仿真技术概述 2 仿真试验运行仿真程序 在不同的条件下对所建立的仿真模型进行数值试验和求解 连续系统 微分方程 传递函数等常微分方程 数值积分法偏微分方程 有限差分法 蒙特卡罗法离散系统 概率模型 数值试验 1 数字化仿真技术概述 3 仿真结果分析从仿真试验中提出有价值的信息 以指导实际系统的开发 仿真结果的输出 A 文字 数据 B 图形 图表 C 动画 1 数字化仿真技术概述 1 3数字化仿真软件 1 软件的开发模式传统 面向应用 以语言为中心的开发模型应用范围窄 适应性差 可扩展性和可维护性差 系统建模和仿真试验存在缺陷 现代 系统规模大 功能强 结构复杂A 开放式结构标准数据接口B 事件驱动 的编程方法 顺序驱动 事件驱动 C 模块化建模减少软件模型 面向对象编程D 数据处理技术数据的交互处理 1 数字化仿真技术概述 2 软件的分类应用A 基于仿真语言基于语言的仿真应用较为广泛 但缺乏针对性 用户需要有一定的专业知识 建模能力及编程技巧 仿真模型开发的工作量较大 GPSS SIMAN SLAM等B 基于专用仿真环境专用仿真环境针对特定的应用领域 可使用户的精力集中于系统分析及建模 有利于提高仿真效率和仿真质量 SiFactory ProModel等 1 数字化仿真技术概述 3 支持机械产品开发的部分仿真软件 1 数字化仿真技术概述 1 数字化仿真技术概述 1 4有限元分析软件 工程和产品的性能分析及运行行为仿真 1 静力学分析弹性 弹塑性 塑性 蠕变 膨胀 变形 应力应变 疲劳的分析等 2 动力学分析交变载荷 冲击载荷以及各种动载荷作用下的振动模态分析 谐波响应分析 随机振动分析 稳定性分析等 3 热分析传导 对流和辐射状态下的热分析 相变分析 热 结构耦合分析等 1 数字化仿真技术概述 4 电磁场和电流分析电磁场 电流 压电行为以及电磁 结构耦合分析等 5 流体计算常规的管内和外场的层流 湍流 热 流耦合以及流 固耦合分析 6 声场与波的传播计算静态和动态声场及噪声计算 固体 流体和空气中波的传播分析等 1 数字化仿真技术概述 有限元分析软件结构 2 产品的优化设计技术 2 1优化设计 优化 对问题寻优的过程研究对象问题的解 方案 2 产品的优化设计技术 优化设计的方法 内容1 数学寻优法2 DFX技术 2 产品的优化设计技术 2 2数学寻优法 2 产品的优化设计技术 2 2数学寻优法 2 2 1数学建模1 目标函数评价优化问题性能的准则函数 评价函数 优化变量 目标函数 物理意义的表达式或等价的定量指标 2 产品的优化设计技术 2 设计变量在设计过程中可供选择的变量相互独立设计变量 优化目标 按一定顺序排列成数组 2 产品的优化设计技术 2 设计变量 设计变量的个数 优化问题的维数 表示设计的自由度设计变量 设计自由度大 可供选择的方案 设计灵活 但求解复杂 应当减少设计变量数 优化变量 连续变量 离散变量求解难度 复杂性增加 2 产品的优化设计技术 3 约束条件与可行域 设计变量的取值受到一定的限制 限制条件 约束条件约束条件增加了计算量 但减少了可行解数量约束条件以方程式表示 A 不等式 B 等式 1 按约束条件的性质可分为 2 产品的优化设计技术 A 边界约束 对设计变量取值范围界限的限制 区域约束 B 性能约束 对设计变量的取值要满足某些性能要求 2 按约束条件的功能可分为 A 显式约束 直接对若干设计变量加以限制 区域约束 B 隐式约束 间接对若干设计变量加以限制 3 按约束条件的形式可分为 2 产品的优化设计技术 可行域 约束条件 设计空间 可行域 非可行域 可行域 设计变量允许取值的设计空间 满足约束条件非可行域 不允许设计变量取值的设计空间 2 产品的优化设计技术 4 数学模型的规格化 为便于表达和计算 数学模型 规格化形式 问题minF X 满足 2 产品的优化设计技术 2 2 2优化问题的分类 优化问题也称为规划问题 根据数学形式可分为 线性规划目标函数和约束方程均为设计变量的线性函数 非线性规划若目标函数和约束方程中至少有一个与设计变量存在非线性关系 动态规划设计变量是成序列 多阶段的决策过程 机械产品的优化设计问题属于多维 有约束的非线性规划 2 产品的优化设计技术 2 2 3优化设计的步骤 确定设计要求及规模分析设计要求 合理确定优化的范围和目标 分析优化对象全面分析 主次分明 建立数学模型选择合适的优化方法根据数学模型的规模和类型选择合适的优化方法求解 建立仿真模型 2 产品的优化设计技术 2 产品的优化设计技术 1 设计变量的确定优化设计时可供选择的变量直接影响设计结果和设计指标 A 与优化设计有直接影响的参数 B 合理选择设计变量的数目主要影响的参数 C 各设计变量应相互独立2 目标函数的建立针对影响最为显著的因素建立次要的目标函数 约束条件 优化设计的注意问题 2 产品的优化设计技术 3 约束条件的确定机械产品的设计变量必须满足一定的设计准则或一定的机械性能及几何尺寸要求 4 数学模型的规格化 A 表达式的规格化目标函数 约束方程 B 参数的规格化量纲和数量级 2 产品的优化设计技术 5 优化方法的选择二分法 牛顿法 罚函数法 GA SA PSO A 根据优化问题的规模大小 B 根据目标函数的性质 计算的复杂程度 C 算法的可靠性 计算的精确性 程序的简便性 D 计算机的内存 计算速度等 E 考虑数学模型的特点 6 优化结果的分析 2 产品的优化设计技术 2 3DFx技术 DFx是一种基于知识的产品设计方法 其目的是在产品设计中最大程度地实现所有需要的特性 包括高质量 高可靠性 可维护性 安全性 用户友好性 环保性 短的上市时间等 同时也最大限度地降低包括制造成本在内的产品生命周期总成本 降低产品全生命周期的成本是当前制造业设计目标的一个重要组成部分 简化产品降低制造的成本提高产品质量缩短上市时间 2 产品的优化设计技术 A DFA DesignforAssembly面向装配的设计B DFM DesignforManufacture面向制造的设计C DFD DFR DesignforDisassemblyandDesignforRecyclability面向拆卸的设计和面向回收的设计D DFE DesignforEnvironment面向环境的设计E DFLC DesignforLife cycle面向全生命周期的设计F DFQ DesignforQuality面向质量的设计G DFMt DesignforMaintainability面向维修的设计H DFR DesignforReliability面向可靠性的设计 2 产品的优化设计技术 DFA 2 产品的优化设计技术 DFA DFM的应用成效降低装配时间61 降低装配操作53 分离的紧固件70 降低装配缺陷68 缩短上市时间50 2 产品的优化设计技术 DFD DFR 2 产品的优化设计技术 主要特征 1 新的系统观人 自然资源 科学技术 大系统2 新的经济观工程承受能力 生态承载能力3 新的价值观自然 垃圾场 取料场 生存基础4 新的生产观3R 资源利用的减量化 Reduce 原则产品再使用 Reuse 原则废弃物的再循环 Recycle 原则5 新的消费观在消费的同时考虑废弃物的资源化建立循环生产和消费的观念 DFE物料 能源 排放 2 产品的优化设计技术 DFLC 2 产品的优化设计技术 DFMt 确保在产品的整个使用期内能以合理的价格没有困难地进行维修 3 数字化样机 1997年7月4日 NASA成功地实现了火星探测器MarsPathfinder在火星上的软着陆 在探测器发射以前 工程师们运用一项新技术预测到在登陆舱降落过程中 受火星风和登陆舱制动火箭的综合作用 登陆舱将巨烈摇摆 从而改变设计的着陆冲击角度 原计划令登陆舱以与垂直方而呈30 的倾角着陆 但仿真表明着陆角是60 这就意味着登陆舱有可能倒置落下 在这样的大角度冲击下 登陆舱的缓冲气囊不能提供足够的保护作用 有可能彻底损坏登陆舱 工程师们针对这个问题修改了技术方案 保证了火星登陆计划的成功 3 数字化样机 福特汽车公司在一个新车型的开发中采用了一项新技术 其设计周期缩短了70天 在公司范围内 由于采用了这项新技术 设计费用减少了4000万美元 制造费用节省了10亿美元 由于设计制造周期的缩短 新车上市早 额外赢利达到其成本的数倍 世界上最大的工程机械制造商Caterpillar公司的工程师们采用这项技术进行工程机械开发 可在切削任何一片金属之前就可快速试验数千种设计方案 不但降低了产品设计成本 缩短了开发周期 而且还制造出性能更为优异的产品 3 数字化样机 数字化样机技术虚拟样机技术 VirtualPrototypingTechnology 虚拟样机技术是当前设计制造领域的一项新技术 利用软件建立机械系统的三维实体模型 力学模型 通过仿真分析和评估系统的性能 从而为物理样机的设计和制造提供依据 产品的三维建模技术 传感器技术 显示技术 有限元分析技术 机电液控制技术 优化技术 系统运动学技术及动力学分析技术等 3 数字化样机 3 1数字化样机的基本概念 虚拟样机技术是指在产品设计开发过程中 将分散的零部件设计和分析技术 指在某单一的系统中零部件的CAD和FEA技术 揉合在一起 在计算机上建造出产品的整体模型 并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析 预测产品的整体性能 进而改进产品设计 提高产品性能的一种新技术 3 数字化样机 3 数字化样机 传统的设计与制造vs虚拟样机 概念设计与方案论证 产品设计 物理样机 试验 修改 时间 成本 质量 概念设计与方案论证 产品设计 虚拟样机 仿真试验 修改 物理样机 试验 车间 计算机 3 数字化样机 利用CAD系统提供的零部件的物理信息及几何信息 定义零部件问连接关系 虚拟装配 获得虚拟样机 使用系统仿真软件在虚拟环境中真实地模拟系统的运动 仿真分析在各种工况下的运动和受力情况 试验各组成部件的相互运动 在计算机上修改设计缺陷 仿真试验不同的设计方案 对整个系统进行不断改进 直至获得最优设计方案 如必要做出物理样机 虚拟样机技术的应用贯串在整个设计过程中 3 数字化样机 3 2虚拟样机的研究内容 机械系统运动学和动力学分析机械系统的静力学分析在外力作用下 各构件的受力和强度问题 刚性系统机械系统的运动学分析系统中一个或多个构件的绝对或相对位置与时间存在给定关系 通过求解位置 速度和加速度的非线性方程组求各组件的位置 速度和加速度与时间关系 运动 力机械系统的动力学分析外力作用下引起的系统运动 3 数字化样机 汽车制造业 工程机械 航天航空业 国防工业及通用机械制造业等领域 3 3应用 工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动虚拟样机技术对产品进行分析 找到了原因 提出了改进方案卡车制造公司在研制新型柴油机时 当点火控制系统的链条在转速达到6000rpm时运动失稳并发生振动 借助于虚拟样机技术 根据动力学及控制系统的分析结果 发现了不稳定因素 改进了控制系统 使系统的稳定范围达到10000rpm以上 3 数字化样机 3 2应用 福持公司专门雇佣一家咨询公司用虚拟样机技术为它进行车辆事故仿真 在法庭上用其仿真结果为自己辩护 意大利的赛车手丧生 汽车公司虚拟样机 胜大型洗衣机的振动问题PellerinMilnorCo 洗衣机设备制造商 改变弹簧的刚度和阻尼 选用不同类型减振器 虚拟样机保龄球圆对称 非圆非对称 3 数字化样机 3 4虚拟样机分析软件 ADAMS美国机械动力学公司 Mechanica1DynamicsInc MSC市场占有率50 DADS比利时LMS公司SIMPACK德国航天局 ADAMS技术国际领先的机械运动学及动力学分析系统 可生成复杂机 电 液一体化系统的运动学 动力学虚拟样机模型 仿真系统的静力学 运动学 动力学行为 提供从产品概念设计 方案论证及优化 详细设计 试验规划以及故障诊断等各阶段的仿真计算 3 数字化样机 4 制造系统的仿真与优化 4 1引言 虚拟现实技术 快速原型技术 数据库技术 网络技术和多媒体体技术 CIM 对产品信息 工艺信息和资源信息分析 规划和重组 产品设计和功能的仿真 原型制造 制造过程 精确定量和数字化描述 数字空间 仿真和分析 产品制造 4 制造系统的仿真与优化 数字化制造 多过程 多行为和多对象的复杂系统离散性 混沌性 随机性 多层次性 数字化制造系统特点 4 制造系统的仿真与优化 4 2制造系统仿真模型和建模4 2 1系统仿真模型 1 静态和动态仿真模型 1 静态仿真模型模型没有活动的结构 仿真过程不随时间变化 2 动态仿真模型将结构和活动结合起来 仿真过程随时间变化 模型反映整个系统 2 连续和离散仿真模型 1 连续仿真模型状态变量随时间的变化而变化 2 离散仿真模型系统状态只在一些时间点上由于某种随机事件的驱动而变化 两事件间的状态量不变 4 制造系统的仿真与优化 3 随机和确定性仿真模型 1 随机性仿真模型有若干个系统参数不能被完全确定 但可从确定的概率分布中取样 2 确定性仿真模型不包含随机变量的系统参数 4 面向对象和多智能体仿真模型 1 面向对象的仿真模型根据组成系统的对象及其相互作用关系来构造仿真模型 模型中的对象 实际系统中相应的实体 2 基于多智能体仿真模型采用智能Agent体作为仿真系统建模与仿真的基本元素 4 制造系统的仿真与优化 4 2 2数字化制造的建模对象 1 产品 生命周期采用各种产品模型和过程模型描述2 资源 设备 资金 人 物料 软件等3 信息 对数字制造全过程的信息采集 处理和运用 需建立适当的信息模型4 组织和决策 将数字化制造的组织和决策过程模型化 是优化决策的重要途径5 生产过程 将生产过程模型化是实现制造系统生产 调度过程优化的前提 4 制造系统的仿真与优化 4 2 3建模方法要求数字化制造建模就是运用适当的建模方法将数字化制造全生命周期的各对象 过程等抽象地表达出来 通过研究其结构和特点 进行分析 综合 仿真和优化 1 抽象性高层抽象中底层抽象2 动态性企业全生命周期3 可重用性可扩展性 可重用性4 简便性5 继承性6 完整性7 适应性 柔性 8 可集成性 4 制造系统的仿真与优化 4 2 4建模方法1 DEDS 离散系统2 Petri网 离散动态并行系统3 混杂系统建模 离散事件系统 连续变量动态系统4 IDEFX 结构化建模方法 从不同角度描述系统5 UML 图形表示法具有静态结构和动态行为系统6 基于多智能体的建模 分布式 自治环境下的系统 4 制造系统的仿真与优化 4 3离散系统仿真4 3 1基本概念 在离散系统中 系统变量是反映系统中各部分相互作用的一些事件 系统模型是反映这些事件状态的数集 仿真结果是产生处理这些事件的事件历程 1 实体 顾客 系统仿真模型中可被单独识别和处理的临时元素 2 属性 与实体相关的信息 3 资源 或服务 模型结构中的基本永久元素 为实体提供服务 4 制造系统的仿真与优化 4 队列 实体等待资源服务而资源忙 队列 5 事件 引起系统状态变化的行为 6 活动 实体所做的或对实体施加的事件 是实体在两个事件之间保持某一状态的持续过程 7 进程 由与某类实体相关的事件和活动组成 描述事件与活动间的相互逻辑关系和时序关系 如 顾客到达 排队 开始接受服务 服务完毕的过程 8 仿真时钟 跟踪仿真运行时仿真时间的当前值 根据此变量的值 触发仿真过程中的相应活动 4 制造系统的仿真与优化 仿真的体系结构 4 制造系统的仿真与优化 4 3 2随机数及随机变量 实体的活动是不确定的 事件的发生具有随机性 其发生满足一定的分布规律 随机过程采用概率及统计的方法进行描述离散事件系统建模建立合理的系统概率统计模型 选择适宜的随机变量的概率分布形式产生符合分布的随机变量 即采样 在整个仿真时间内推动仿真的进行 随机变量的一系列独立样本值 随机数 递推算法 4 制造系统的仿真与优化 4 3 3离散系统仿真的实现方法 仿真钟推进方式下一事件步长法把仿真钟推进到下一最早发生事件的时刻推进灵活越过不发生系统状态变化的时刻 节约仿真时间 固定增量法按固定的时间增量来推进仿真钟每推进一次 事件类型 处理事件 推进 4 制造系统的仿真与优化 离散系统仿真的实现方法 事件调度法 EventScheduling ES 定义事件 按时间顺序处理所发生的事件 记录系统状态的变化 仿真事件预定 预定状态变化时间 适合于活动持续时间确定的系统按下一事件步长法推进仿真钟 按事件发生时间顺序建立事件表 根据仿真钟处理事件 4 制造系统的仿真与优化 2 活动扫描法 ActivityScanning AS 与事件调度法相似用各实体时间元的最小值推进仿真钟 按优先序执行可激活实体的活动例程 事件发生 改变系统状态和安排相关事件的发生时间 活动例程是AS的基本单元 3 进程交互法 ProcessInteractions PI 进程看成实体 包含一组逻辑上有关的事件 进程有活动 睡眠 就绪和终结四种状态 4 制造系统的仿真与优化 4 4制造系统的仿真与优化 仿真优化是指非枚举地从可能值中找到最佳输入变量 使得输出最优解或满意解的过程 对所有的输入变量 X1 X2 Xn 的取值进行优化组合 使得输出响应f X1 X2 Xn 达到满意或最优 仿真优化模型 4 制造系统的仿真与优化 优化策略 利用仿真模型的输出对最优解的搜索过程提供反馈 当产生的输出结果满足寻优的条件时退出求解最优值的过程 4 制造系统的仿真与优化 4 4 1仿真优化方法 基于梯度的搜索法随机优化法响应曲面法启发式方法A Teams统计方法神经网络 4 制造系统的仿真与优化 4 4 1仿真优化方法 基于梯度的搜索法 估计响应函数的梯度 改进目标函数的方向 数学规划法求解 2 随机优化法 目标函数值无法解析得到 但可估计 3 响应曲面法 RSM 试验设计与数理统计相结合的优化方法给定初时的试验设计点 仿真 仿真输出响应 回归模型 拟合成响应曲面 响应面的最大梯度方向寻优 响应曲面上的最优解 以该点为中心再作试验设计 新的试验点 重复进行 直到满足终止条件 4 制造系统的仿真与优化 4 启发式法 直接搜索的优化方法优化算法中判断解的优劣 比较仿真的响应输出遗传算法 GA 模拟退火算法 SA 遗传算法 4 制造系统的仿真与优化 5 A Teams 多种优化策略的结合遗传算法 GA 传统算法 如Newton法 A Teams快捷和稳定解非线性方程组可节省大量时间 6 统计方法重点抽样算法 排序和选择等 7 神经网络培训样本 神经网络模型 搜索优化解 4 制造系统的仿真与优化 4 4 2制造系统的仿真优化 现代化制造系统 自动化水平高 柔性要求高 在规划 设计阶段预测静态 动态性能 发现系统配置 布局规划 运行调度的控制策略等方面的问题制造系统建模和仿真 建立评价模型 4 制造系统的仿真与优化 制造系统的仿真过程 4 制造系统的仿真与优化 4 4 3面向制造的仿真分类 1 面向产品的仿真 产品的开发过程 A 产品的静态 动态性能分析 B 产品的可制造性分析技术分析 经济分析 C 产品的可装配性分析 2 面向制造工艺和装备的仿真 加工中心 机器人 A 加工设备及加工对象在加工过程中的运动及状态 B 由NC代码驱动加工过程仿真的每个步骤 C 工件加工过程的三维实时动画 4 制造系统的仿真与优化 3 面向生产管理的仿真 计划 调度和控制 A 确定生产管理控制策略 B 用于车间层的设计和调度 C 库存管理满足生产和销售要求 库存最小 4 制造系统的仿真与优化 4 4 4制造系统的仿真建模 软件框架 4 制造系统的仿真与优化 O O 生产线建模描述生产线资源的对象类系统仿真类仿真数据库类用户接口类 4 制造系统的仿真与优化 1 描述生产线资源的对象类 A 源 Source 描述工件按某种规律到达生产线的过程 B 宿 Sink 表征工件退出生产线的过程 C 机器 Machine 排队网络中的