关于工程力学建模技术研究

何贵琼

【摘 要】工程力学建模技术是以相似原理、模型理论、系统技术、信息技术等有关专业技术为基础，以计算机系统、与应用相关的物理效应设备及仿真器为工具，根据用户的项目需求，利用系统模型对已有或设想的系统进行研究、分析、设计、加工生产、试验、运行、评估、维护等活动的一门多学科的综合性技术，建模技术在制造生产中有着重要作用，本文就这一技术进行研究，以作技术交流。

【关键词】工程力学；建模技术；研究

近年来，随着计算机辅助技术不断的应用到机械设计当中，制造业传统的生产模式发生了翻天覆地的变化，其专业技术体系已经日趋形成。目前， 建模与仿真技术正向“数字化、虚拟化、网络化、智能化、集成化、协同化”为方向发展。我国建模技术尤其在复杂系统建模技术、智能系统建模技术和基于智能科学的建模技术、定性与定量组合的实体建模技术、复杂分布建模环境等方面取得了较大的进展。在建模与仿真支撑系统技术研发方面， 我国在实时仿真算法、各类系统的并行算法、视化算法与软件、分布仿真运行支撑平台、虚拟样机工程支撑平台、仿真网格等方面取得了一批高水平研究成果。相继研制和生产了多种型号的模拟计算机、混合模拟计算机及混合计算机系统、全数字并行仿真计算机，并正从局部、分散的研究向实用化、自动化、规范化、集成化发展。工程力学建模在我国现阶段的制造业中得到了广泛的应用，可以有效的缩短产品生命周期，提高产品的性能、多样化、高质量、人性化，很大程度上满足了现在多元化的竞争市场。加强对工程力学建模是我国制造业的一大重要任务，也是满足多元化市场增加竞争力的必然要求。

1.建模技术的基本原则

传统的优化技术需要工程设计人员将设计问题用数学方程的形式全面准确地描述，即确定设计变量、目标函数和约束函数， 因此要求设计人员不但要熟悉产品的设计， 还要掌握一定的优化理论和数值计算方法。对大多数的机械产品设计人员来说，做到这一点是很困难的。这在一定程度上影响了优化设计的应用。对于复杂机械产品来说，数学模型建立的好坏对优化设计成功与否起着决定性的作用。多学科产品建模的总体原则可分为：①支持产品的更新。无论是开发新产品，还是对老产品的改进，建模技术必须考虑到产品的更新设计，这就要求建立基于参数驱动的产品模型。②支持产品设计的进程。一般的设计进程包括功能设计、原理设计、详细设计和施工设计等多个阶段。在每个阶段都包括概念设计、详细设计、分析评价到重设计等一系列反复过程。建模就是要支持产品从整体设计到局部设计、从概念设计到详细设计的不断反复、迭代的进程。③支持产品模型转换的全过程。机械产品的多学科优化建模的最终目标是生成优化任务数学模型。产品模型是对产品物理结构的真实反映， 而计算机能对优化任务的数学模型进行寻优计算。全性能优化建模不仅要实现产品全系统和全性能的描述，还要根据不同的要求转换为不同的优化任务数学模型， 实现物理模型和数学模型的自动转变。

2.建模技术分析与处理间的相互关系

完美的设计已成为当今制造行业追求的关键问题，为了达到这一境界人们提出了多学科建模技术。多学科优化建模应综合考虑产品多方位的全系统结构和产品技术性、经济性和社会性等各方面性能的统一，以及全面考察从设计、制造、使用到回收整个产品的全生命周期过程。工程力学建模是后期计算的基础，所建立的模型既要保证后期的分析计算结果不失真，也要保证后期的分析计算能够在实际中可以实施，就要同时把握两个原则“可靠性”和“经济性”。建模技术研究的具体内容包括：功能方案、产品建模、优化规划、优化算法、寻优搜索和结果处理等。计算精度能够达到工程要求，它直接影响工程能否正常运行。以工作规范以及国家标准系列等为依据，保障力学分析计算的可靠性。可以把其中占主导作用的内容归纳为：初步建模、寻优搜索和耦合分析与处理三方面，它们构成了建模设计优化的主体，也是产品设计优化不同于传统优化的关键所在，而其它方面的内容则是该主体的延伸及支撑。这三方面的内容是相互依存、相互统一不可分割的，不同的建模方式导致了相关技术领域间不同耦合关系的产生，而不同的耦合关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须有合适的优化数学模型与之相匹配。

3.现代建模方法介绍

3.1元建模技术和产品建模技术

一直以来，人们对建模方法学进行了大量的研究，具有代表性的是元建模技术和以功能为核心的产品建模技术。基于产品物理本质的元建模技术，认为各种应用模型难以沟通的原因在于不同的领域所涉及的知识域不同，而现有的模型缺乏这些知识域之间的联系，因此无法进行信息的重用与共享。他们把产品中那些反映物理本质的信息如质量、力等属性作为信息元，用符号来描述不同抽象程度、不同粒度、不同近似度以及不同对应关系上各信息元之间的物理依赖关系，用由这些信息元及其依赖关系构成的元模型来建立起知识域之间的联系，最后通过定性推理从元模型中导出各应用分析模型，而各应用模型的变化也能通过元模型传播到其它应用模型。但建立基于物理本质的元模型需要开发人员对产品的各种物理规律有清楚的了解， 这在产品开发过程的初始阶段是十分困难的。用功能单元来描述产品既可以使设计人员避免从设计一开始就面临着对设计对象物理规律的抽象，又可以满足概念设计的需要。然而，多学科建模需要解决的任务是多方位的，随着产品开发过程的推进“功能单元”描述需要不断深化。如何由基础的功能单元衍生出各种应用所需要的新的功能模型，保证多学科建模各阶段模型一致性、可扩充性、可集成性以及可重用性是各种建模方法所需解决的核心内容。

3.2现代网络协同建模技术

高水平建模工具开发平台是实施多学科建模技术的基础，它需要把计算机、网络、操作系统、分布式数据库和一些专用方法、工具集成起来，构建一个适应并行工作方式的计算机环境；把不同地点， 使用不同学科的多学科小组成员集成起来构建一个分布式协同建模平台，各个学科小组成员通过共享产品信息模型进行信息交互和协同设计。这种产品建模方式是基于网络、支持异地并行、协同及面向产品全生命周期的设计模式。这样各个研究机构或公司可以利用自己的学科或产品领域优势，按照标准创建自己的设计问题模型，并在网络上发布相应的设计模块。设计人员在面对一个复杂的设计问题时，不需要关注自己不了解的学科领域，只需在网络上寻找到相关的设计模块，然后将他们与自己创建的本地设计模块连接起来， 就可以形成一个集成设计系统。这不仅可以大大缩短产品的开发时间，降低产品开发成本，同时也可以使设计人员集中于自己关注的领域，从而更好地进行产品的创新设计。基于网络协同和UG NX 实现的框架平台是一种高水平的建模工具平台，它是并行、协同及分布式产品开发的模式与CAD 软件集成的具体体现。

4.结束语

综上所述，工程力学建模是一项根据产品设计基本原理，结合现代计算机技术，以市场需求的多元性与高性能产品为要求的先进技术。我们要加强对工程建模技术的研究，不断研发更多先进技术，以生产出更多人性化、高质量、绿色环保产品，更好的促进人们生活水平的提高以及国民经济的可持续发展。