關(guān)于工程力學(xué)建模技術(shù)研究

何貴瓊

【摘 要】工程力學(xué)建模技術(shù)是以相似原理、模型理論、系統(tǒng)技術(shù)、信息技術(shù)等有關(guān)專業(yè)技術(shù)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、與應(yīng)用相關(guān)的物理效應(yīng)設(shè)備及仿真器為工具，根據(jù)用戶的項(xiàng)目需求，利用系統(tǒng)模型對(duì)已有或設(shè)想的系統(tǒng)進(jìn)行研究、分析、設(shè)計(jì)、加工生產(chǎn)、試驗(yàn)、運(yùn)行、評(píng)估、維護(hù)等活動(dòng)的一門多學(xué)科的綜合性技術(shù)，建模技術(shù)在制造生產(chǎn)中有著重要作用，本文就這一技術(shù)進(jìn)行研究，以作技術(shù)交流。

【關(guān)鍵詞】工程力學(xué)；建模技術(shù)；研究

近年來，隨著計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)不斷的應(yīng)用到機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中，制造業(yè)傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式發(fā)生了翻天覆地的變化，其專業(yè)技術(shù)體系已經(jīng)日趨形成。目前， 建模與仿真技術(shù)正向“數(shù)字化、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、集成化、協(xié)同化”為方向發(fā)展。我國建模技術(shù)尤其在復(fù)雜系統(tǒng)建模技術(shù)、智能系統(tǒng)建模技術(shù)和基于智能科學(xué)的建模技術(shù)、定性與定量組合的實(shí)體建模技術(shù)、復(fù)雜分布建模環(huán)境等方面取得了較大的進(jìn)展。在建模與仿真支撐系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)方面， 我國在實(shí)時(shí)仿真算法、各類系統(tǒng)的并行算法、視化算法與軟件、分布仿真運(yùn)行支撐平臺(tái)、虛擬樣機(jī)工程支撐平臺(tái)、仿真網(wǎng)格等方面取得了一批高水平研究成果。相繼研制和生產(chǎn)了多種型號(hào)的模擬計(jì)算機(jī)、混合模擬計(jì)算機(jī)及混合計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、全數(shù)字并行仿真計(jì)算機(jī)，并正從局部、分散的研究向?qū)嵱没?、自?dòng)化、規(guī)范化、集成化發(fā)展。工程力學(xué)建模在我國現(xiàn)階段的制造業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，可以有效的縮短產(chǎn)品生命周期，提高產(chǎn)品的性能、多樣化、高質(zhì)量、人性化，很大程度上滿足了現(xiàn)在多元化的競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)。加強(qiáng)對(duì)工程力學(xué)建模是我國制造業(yè)的一大重要任務(wù)，也是滿足多元化市場(chǎng)增加競(jìng)爭(zhēng)力的必然要求。

1.建模技術(shù)的基本原則

傳統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)需要工程設(shè)計(jì)人員將設(shè)計(jì)問題用數(shù)學(xué)方程的形式全面準(zhǔn)確地描述，即確定設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)， 因此要求設(shè)計(jì)人員不但要熟悉產(chǎn)品的設(shè)計(jì)， 還要掌握一定的優(yōu)化理論和數(shù)值計(jì)算方法。對(duì)大多數(shù)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員來說，做到這一點(diǎn)是很困難的。這在一定程度上影響了優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用。對(duì)于復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品來說，數(shù)學(xué)模型建立的好壞對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)成功與否起著決定性的作用。多學(xué)科產(chǎn)品建模的總體原則可分為：①支持產(chǎn)品的更新。無論是開發(fā)新產(chǎn)品，還是對(duì)老產(chǎn)品的改進(jìn)，建模技術(shù)必須考慮到產(chǎn)品的更新設(shè)計(jì)，這就要求建立基于參數(shù)驅(qū)動(dòng)的產(chǎn)品模型。②支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)的進(jìn)程。一般的設(shè)計(jì)進(jìn)程包括功能設(shè)計(jì)、原理設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和施工設(shè)計(jì)等多個(gè)階段。在每個(gè)階段都包括概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、分析評(píng)價(jià)到重設(shè)計(jì)等一系列反復(fù)過程。建模就是要支持產(chǎn)品從整體設(shè)計(jì)到局部設(shè)計(jì)、從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的不斷反復(fù)、迭代的進(jìn)程。③支持產(chǎn)品模型轉(zhuǎn)換的全過程。機(jī)械產(chǎn)品的多學(xué)科優(yōu)化建模的最終目標(biāo)是生成優(yōu)化任務(wù)數(shù)學(xué)模型。產(chǎn)品模型是對(duì)產(chǎn)品物理結(jié)構(gòu)的真實(shí)反映， 而計(jì)算機(jī)能對(duì)優(yōu)化任務(wù)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行尋優(yōu)計(jì)算。全性能優(yōu)化建模不僅要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品全系統(tǒng)和全性能的描述，還要根據(jù)不同的要求轉(zhuǎn)換為不同的優(yōu)化任務(wù)數(shù)學(xué)模型， 實(shí)現(xiàn)物理模型和數(shù)學(xué)模型的自動(dòng)轉(zhuǎn)變。

2.建模技術(shù)分析與處理間的相互關(guān)系

完美的設(shè)計(jì)已成為當(dāng)今制造行業(yè)追求的關(guān)鍵問題，為了達(dá)到這一境界人們提出了多學(xué)科建模技術(shù)。多學(xué)科優(yōu)化建模應(yīng)綜合考慮產(chǎn)品多方位的全系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和社會(huì)性等各方面性能的統(tǒng)一，以及全面考察從設(shè)計(jì)、制造、使用到回收整個(gè)產(chǎn)品的全生命周期過程。工程力學(xué)建模是后期計(jì)算的基礎(chǔ)，所建立的模型既要保證后期的分析計(jì)算結(jié)果不失真，也要保證后期的分析計(jì)算能夠在實(shí)際中可以實(shí)施，就要同時(shí)把握兩個(gè)原則“可靠性”和“經(jīng)濟(jì)性”。建模技術(shù)研究的具體內(nèi)容包括：功能方案、產(chǎn)品建模、優(yōu)化規(guī)劃、優(yōu)化算法、尋優(yōu)搜索和結(jié)果處理等。計(jì)算精度能夠達(dá)到工程要求，它直接影響工程能否正常運(yùn)行。以工作規(guī)范以及國家標(biāo)準(zhǔn)系列等為依據(jù)，保障力學(xué)分析計(jì)算的可靠性?？梢园哑渲姓贾鲗?dǎo)作用的內(nèi)容歸納為：初步建模、尋優(yōu)搜索和耦合分析與處理三方面，它們構(gòu)成了建模設(shè)計(jì)優(yōu)化的主體，也是產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化不同于傳統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵所在，而其它方面的內(nèi)容則是該主體的延伸及支撐。這三方面的內(nèi)容是相互依存、相互統(tǒng)一不可分割的，不同的建模方式導(dǎo)致了相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域間不同耦合關(guān)系的產(chǎn)生，而不同的耦合關(guān)系又需要不同的搜索策略和方法，不同的搜索策略和方法又必須有合適的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型與之相匹配。

3.現(xiàn)代建模方法介紹

3.1元建模技術(shù)和產(chǎn)品建模技術(shù)

一直以來，人們對(duì)建模方法學(xué)進(jìn)行了大量的研究，具有代表性的是元建模技術(shù)和以功能為核心的產(chǎn)品建模技術(shù)。基于產(chǎn)品物理本質(zhì)的元建模技術(shù)，認(rèn)為各種應(yīng)用模型難以溝通的原因在于不同的領(lǐng)域所涉及的知識(shí)域不同，而現(xiàn)有的模型缺乏這些知識(shí)域之間的聯(lián)系，因此無法進(jìn)行信息的重用與共享。他們把產(chǎn)品中那些反映物理本質(zhì)的信息如質(zhì)量、力等屬性作為信息元，用符號(hào)來描述不同抽象程度、不同粒度、不同近似度以及不同對(duì)應(yīng)關(guān)系上各信息元之間的物理依賴關(guān)系，用由這些信息元及其依賴關(guān)系構(gòu)成的元模型來建立起知識(shí)域之間的聯(lián)系，最后通過定性推理從元模型中導(dǎo)出各應(yīng)用分析模型，而各應(yīng)用模型的變化也能通過元模型傳播到其它應(yīng)用模型。但建立基于物理本質(zhì)的元模型需要開發(fā)人員對(duì)產(chǎn)品的各種物理規(guī)律有清楚的了解， 這在產(chǎn)品開發(fā)過程的初始階段是十分困難的。用功能單元來描述產(chǎn)品既可以使設(shè)計(jì)人員避免從設(shè)計(jì)一開始就面臨著對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象物理規(guī)律的抽象，又可以滿足概念設(shè)計(jì)的需要。然而，多學(xué)科建模需要解決的任務(wù)是多方位的，隨著產(chǎn)品開發(fā)過程的推進(jìn)“功能單元”描述需要不斷深化。如何由基礎(chǔ)的功能單元衍生出各種應(yīng)用所需要的新的功能模型，保證多學(xué)科建模各階段模型一致性、可擴(kuò)充性、可集成性以及可重用性是各種建模方法所需解決的核心內(nèi)容。

3.2現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)協(xié)同建模技術(shù)

高水平建模工具開發(fā)平臺(tái)是實(shí)施多學(xué)科建模技術(shù)的基礎(chǔ)，它需要把計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、操作系統(tǒng)、分布式數(shù)據(jù)庫和一些專用方法、工具集成起來，構(gòu)建一個(gè)適應(yīng)并行工作方式的計(jì)算機(jī)環(huán)境；把不同地點(diǎn)， 使用不同學(xué)科的多學(xué)科小組成員集成起來構(gòu)建一個(gè)分布式協(xié)同建模平臺(tái)，各個(gè)學(xué)科小組成員通過共享產(chǎn)品信息模型進(jìn)行信息交互和協(xié)同設(shè)計(jì)。這種產(chǎn)品建模方式是基于網(wǎng)絡(luò)、支持異地并行、協(xié)同及面向產(chǎn)品全生命周期的設(shè)計(jì)模式。這樣各個(gè)研究機(jī)構(gòu)或公司可以利用自己的學(xué)科或產(chǎn)品領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)，按照標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)建自己的設(shè)計(jì)問題模型，并在網(wǎng)絡(luò)上發(fā)布相應(yīng)的設(shè)計(jì)模塊。設(shè)計(jì)人員在面對(duì)一個(gè)復(fù)雜的設(shè)計(jì)問題時(shí)，不需要關(guān)注自己不了解的學(xué)科領(lǐng)域，只需在網(wǎng)絡(luò)上尋找到相關(guān)的設(shè)計(jì)模塊，然后將他們與自己創(chuàng)建的本地設(shè)計(jì)模塊連接起來， 就可以形成一個(gè)集成設(shè)計(jì)系統(tǒng)。這不僅可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時(shí)間，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，同時(shí)也可以使設(shè)計(jì)人員集中于自己關(guān)注的領(lǐng)域，從而更好地進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)?；诰W(wǎng)絡(luò)協(xié)同和UG NX 實(shí)現(xiàn)的框架平臺(tái)是一種高水平的建模工具平臺(tái)，它是并行、協(xié)同及分布式產(chǎn)品開發(fā)的模式與CAD 軟件集成的具體體現(xiàn)。

4.結(jié)束語

綜上所述，工程力學(xué)建模是一項(xiàng)根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)基本原理，結(jié)合現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)，以市場(chǎng)需求的多元性與高性能產(chǎn)品為要求的先進(jìn)技術(shù)。我們要加強(qiáng)對(duì)工程建模技術(shù)的研究，不斷研發(fā)更多先進(jìn)技術(shù)，以生產(chǎn)出更多人性化、高質(zhì)量、綠色環(huán)保產(chǎn)品，更好的促進(jìn)人們生活水平的提高以及國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。