本發明涉及計算機輔助工程領域，尤其涉及一種多學科協同仿真系統及方法。

背景技術：

計算機輔助設計，即CAD(Computer Aided Design)和計算機輔助工程，即CAE(Computer Aided Engineering)技術隨著在產品設計中的廣泛應用得到了不斷地發展和完善，市場上也涌現了大量的系統軟件，如商用CAD軟件SolidWorks、Pro/E、UG，商用CAE軟件SAMCEF、ANSYS、Nastran等。在CAD軟件中可以快速實現產品的三維實體參數化建模設計，在CAE軟件中可以快速完成產品性能的仿真分析和性能預估，以提高產品設計的可靠性。

隨著計算機技術的普及和計算機運算能力的提高，計算機輔助仿真被越來越多地運用到工業產品開發的流程中。通過計算機輔助仿真技術，設計人員可以在產品開發的前期環節，就對產品性能及各種工況下的使用情況進行模擬，并對產品的性能進行優化，從而大大縮短開發時間，并降低了開發成本。

由于產品不同的應用背景，面對物理問題不一，目前主流的計算機輔助仿真軟件，基于計算精度和效率的考慮，往往只針對某個單一學科，以單學科性能最優為目標，進行的仿真也只是單學科靜態仿真。各部門的設計員和分析師根據自己負責的領域(強度，電磁，熱等)獨立完成該學科的分析，再將結果放在一起進行綜合判斷和分析。這樣的研發沒有考慮各學科間的耦合，因而無法協調各學科性能，也無法模擬更真實的動態性能，難以達到產品總體性能最優。

但是隨著仿真技術的不斷提高，目前大型復雜產品(如飛機，汽車和船舶等)設計已高度專業化且不斷細分，分析流程也日趨繁雜，不但設計參數眾多，而且涉及到多學科(結構，熱，流，電磁，控制等)之間的各種耦合問題。這些因素，都對復雜產品總體設計和參數全局優化，以及仿真的精度與效率提出了嚴峻的挑戰，同時又對仿真分析的多學科耦合分析功能提出了更高的要求，需要仿真分析軟件能將結構、流體、光學、電等多學科集成在一起，同時考慮多物理場共同作用下的產品性能一體化仿真。

技術實現要素：

鑒于以上所述現有技術的缺點，本發明的目的在于提供一種多學科協同仿真系統，實現各學科分析軟件之間的有效集成。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

本發明第一個方面是提供一種多學科協同仿真系統，包括多學科協同仿真平臺，所述多學科協同仿真平臺包括：

幾何模型模塊，用于讀取導入的幾何圖形文件，提取幾何特征數據，建立幾何模型，并導出幾何模型數據文件；

網格劃分模塊，用于選擇所述幾何模型中需要劃分網格的部分，或者選擇全部幾何模型，按照有限元方法將所述幾何模型劃分為對應的網格單元形狀，得到有限元模型，生成相應文件格式的有限元模型數據文件；

參數設置模塊，對所述有限元模型設置屬性和求解條件，并設置有限元求解器以及有限元求解分析類型；

求解分析模塊，用于調用各個單一物理場的有限元求解分析類型，對所述有限元模型進行有限元求解運算，得到求解分析結果，生成求解分析結果數據文件；

多物理場耦合模塊，用于將各個單一物理場的有限元求解分析類型計算得到的求解分析結果中的全部或部分數據，進行多物理場耦合；所述多物理場耦合采用通用JSON及XML數據格式調用求解器接口，并通過CMAKE編譯接口進行多種編程語言的編譯鏈接。

優選地，所述多物理場耦合模塊采用WebSocket通信協議實現多個軟件之間的消息傳遞。

優選地，所述幾何模型模塊包括：

幾何特征數據導入模塊，用于實現不同格式的幾何圖形文件的統一讀取；

幾何特征建模模塊，提取導入的幾何圖形文件的幾何特征數據，建立幾何模型；

幾何特征數據導出模塊，用于導出幾何模型數據文件。

更優選地，導入的所述幾何圖形文件的格式可以是、但不限于STP、STL、IGES格式。

優選地，所述網格劃分模塊將所述幾何模型劃分的網格單元類型包括、但不限于四面體網格、六面體網格、混合網格中的一種或幾種。

優選地，所述參數設置模塊包括、但不限于如下模塊中的一種或幾種：

材料定義模塊：用于定義網格劃分后的有限元模型局部或全部材料參數；

邊界條件定義模塊：用于定義需要求解分析的邊界條件類型、各方向約束條件等；

工況定義模塊：用于定義需要求解分析的工況參數，優選地，包括但不限于載荷類型、載荷數值、步長信息中的一種或幾種；

有限元求解器選擇模塊：根據有限元模型選擇參與有限元求解運算的有限元求解器；

有限元求解分析類型選擇模塊：根據所選擇的有限元求解器選擇有限元求解分析類型，所述有限元求解分析類型包括、但不限于結構分析、熱分析、流體分析、光學分析、電磁分析、優化分析中的一種或幾種。

本發明所述“邊界條件”是：運動邊界上方程組的解應該滿足的條件。

優選地，所述多學科協同仿真平臺還包括格式轉換模塊，將有限元模型數據文件的格式轉換成與所述有限元求解器對應的文件格式。

優選地，所述多學科協同仿真平臺還包括后處理模塊，用于對所述求解分析模塊計算的求解分析結果進行可視化處理，并生成運算結果報告。

更優選地，所述多學科協同仿真系統還包括數據庫，用于存儲導入的幾何圖形文件、幾何模型模塊生成的幾何模型數據文件、網格劃分模塊生成的有限元模型數據文件、求解分析模塊生成的求解分析結果數據文件以及所述后處理模塊生成的運算結果報告。

更優選地，所述多學科協同仿真平臺還包括三維顯示模塊，用于將導入的幾何圖形文件、幾何模型模塊生成的幾何模型、網格劃分模塊生成的有限元模型以及后處理模塊生成的求解分析結果返回至三維顯示模塊進行可視化顯示。

進一步地，所述三維顯示模塊支持以彩色云圖、矢量圖、粒子流跡圖、切面、表格或文本的形式進行顯示。

優選地，所述多學科協同仿真系統還包括服務器端、客戶端，所述服務器端采用分布式服務部署，支持tomcat應用服務器、oracle數據庫或MySQL服務器。

本發明第二個方面是提供一種多學科協同仿真方法，包括：

A1，多學科協同仿真平臺調用幾何模型模塊，讀取導入的幾何圖形文件，提取幾何特征數據，建立幾何模型，并導出幾何模型數據文件；

A2，所述多學科協同仿真平臺調用網格劃分模塊，選擇所述幾何模型中需要劃分網格的部分，或者選擇全部幾何模型，按照有限元方法將所述幾何模型劃分為對應的網格單元形狀，得到有限元模型，生成相應文件格式的有限元模型數據文件；

A3，設置所述有限元模型的屬性和求解條件，并設置有限元求解器以及有限元求解分析類型；

A4，所述多學科協同仿真平臺將有限元模型數據文件的格式轉換成與所述有限元求解器對應的文件格式；

A5，所述多學科協同仿真平臺調用單一的有限元求解分析類型，對所述有限元模型進行有限元求解運算，得到求解分析結果，生成求解分析結果數據文件；

A6，通過迭代循環的方式，將前一次計算得到的求解分析結果中的全部或部分數據，作為邊界條件或工況定義條件，耦合到后續其他有限元求解分析類型中，將所述求解分析結果作為邊界條件或工況定義參與后續其他有限元求解分析類型的有限元求解運算中。

優選地，所述步驟A6中，所述耦合采用通用JSON及XML數據格式調用求解器接口，并通過CMAKE編譯接口進行多種編程語言的編譯鏈接，耦合過程中，多個軟件之間的消息傳遞采用WebSocket通信協議。

優選地，所述步驟A3還包括、但不限于如下步驟中的一種或幾種：

定義網格劃分后的有限元模型局部或全部材料參數；

定義需要求解分析的邊界條件類型、各方向約束條件等；

定義需要求解分析的工況參數，優選地，包括但不限于載荷類型、載荷數值、步長信息中的一種或幾種；

根據有限元模型選擇參與有限元求解運算的有限元求解器；

根據所選擇的有限元求解器選擇有限元求解分析類型，所述有限元求解分析類型包括、但不限于結構分析、熱分析、流體分析、光學分析、電磁分析、優化分析中的一種或幾種。

優選地，所述一種多學科協同仿真方法還包括：所述多學科協同仿真平臺調用后處理模塊對有限元求解運算得到的求解分析結果處理進行可視化處理，并生成運算結果報告。

優選地，所述一種多學科協同仿真方法還包括：將導入的幾何圖形文件、幾何模型模塊生成的幾何模型數據文件、網格劃分模塊生成的有限元模型數據文件、有限元求解運算得到的求解分析結果數據文件以及所述后處理模塊生成的運算結果報告存入數據庫。

優選地，所述一種多學科協同仿真方法還包括：將導入的幾何圖形文件、幾何模型模塊生成的幾何模型、網格劃分模塊生成的有限元模型以及后處理模塊生成的求解分析結果返回至三維顯示模塊進行可視化顯示。

更優選地，所述三維顯示模塊支持以彩色云圖、矢量圖、粒子流跡圖、切面、表格或文本的形式進行顯示。

與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下有益效果：

1)提供一種多學科協同仿真系統，將光學、結構、熱，流體，電磁等多種學科的分析工具，集成在一個仿真平臺下運行，通過對結構，流體，光學，電磁等多物理場的耦合運算，實現對復雜環境下的產品分析，大大提高了產品設計仿真的速度和精度。

2)提供一種多學科協同仿真方法，能夠支持上述一種多學科協同仿真系統的正常運行。

附圖說明

構成本申請的一部分附圖用來提供對本申請的進一步理解，本申請的示意性實施例及其說明用于解釋本申請，并不構成對本申請的不當限定。在附圖中：

圖1是本發明優選實施例的一種多學科協同仿真系統結構示意圖。

圖2是本發明優選實施例的協同仿真工作流程圖。

具體實施方式

本發明提供一種多學科協同仿真系統及方法，為使本發明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實例對本發明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

實施例一：

圖1給出了一種多學科協同仿真系統結構示意圖。

如圖1所示，本實施例的一種多學科協同仿真系統包括多學科協同仿真平臺、數據庫和三維顯示模塊。

所述多學科協同仿真平臺包括幾何模型模塊、網絡劃分模塊、參數設置模塊、求解分析模塊、多物理場耦合模塊和后處理模塊。其中，

幾何模型模塊，用于讀取導入的幾何圖形文件，提取幾何特征數據，建立幾何模型，并導出幾何模型數據文件。所述幾何模型模塊包括：1)幾何特征數據導入模塊，用于實現不同格式的幾何圖形文件的統一讀取；2)幾何特征建模模塊，提取導入的幾何圖形文件的幾何特征數據，建立幾何模型；3)幾何特征數據導出模塊，用于導出幾何模型數據文件。本實施例導入的所述幾何圖形文件的格式可以是、但不限于STP、STL、IGES格式，建立的幾何模型為CAD模型，本實施例通過三維顯示模塊實現導入的幾何圖形文件和CAD模型的展示。CAD模型展示時可以選擇如下幾種模式：只展示CAD模型的表面、只展示CAD模型的線框或者兩者均展示。

網格劃分模塊，用于選擇所述幾何模型中需要劃分網格的部分，或者選擇全部幾何模型，按照有限元方法將所述幾何模型劃分為對應的網格單元形狀，得到有限元模型，生成相應文件格式的有限元模型數據文件。所述網格劃分模塊將所述幾何模型劃分的網格單元形狀包括、但不限于四面體網格、六面體網格、混合網格中的一種或幾種。本實施例通過三維顯示模塊實現有限元模型的展示，以使工程師能夠清晰可見劃分后的網格。

參數設置模塊，對所述有限元模型設置屬性和求解條件，并設置有限元求解器以及有限元求解分析類型。具體地，所述參數設置模塊包括、但不限于如下模塊中的一種或幾種：1)材料定義模塊：用于定義網格劃分后的有限元模型局部或全部材料參數；2)邊界條件定義模塊：用于定義需要求解分析的邊界條件類型、各方向約束條件等；3)工況定義模塊：用于定義需要求解分析的工況參數，優選地，包括但不限于載荷類型、載荷數值、步長信息中的一種或幾種；4)有限元求解器選擇模塊：根據有限元模型選擇參與有限元求解運算的有限元求解器；5)有限元求解分析類型選擇模塊：根據所選擇的有限元求解器選擇有限元求解分析類型，所述有限元求解分析類型包括、但不限于結構分析、熱分析、流體分析、光學分析、電磁分析、優化分析中的一種或幾種。本發明所述“邊界條件”是運動邊界上方程組的解應該滿足的條件。本實施例支持多種開源的有限元求解器，這些有限元求解器能夠支持多種類型的有限元求解分析，如結構分析、熱分析、流體分析等。

求解分析模塊，用于調用單一的有限元求解分析類型，對所述有限元模型進行有限元求解運算，得到求解分析結果，生成求解分析結果數據文件。求解分析結果返回至三維顯示模塊進行可視化顯示。

多物理場耦合模塊，通過迭代循環的方式，將之前某一次計算得到的求解分析結果中的全部或部分數據，作為邊界條件或工況定義條件，耦合到后續其他有限元求解分析類型中，將所述求解分析結果作為邊界條件或工況定義參與后續其他有限元求解分析類型的有限元求解運算中。多物理場耦合模塊采用通用JSON及XML數據格式調用求解器接口，通過CMAKE編譯接口進行多種編程語言的編譯鏈接，并采用WebSocket通信協議實現多個軟件之間的消息傳遞。

后處理模塊，用于對所述有求解分析模塊計算的求解分析結果進行可視化處理并生成運算結果報告。

此外，所述多學科協同仿真平臺還包括格式轉換模塊，將有限元模型數據文件的格式轉換成與所述有限元求解器對應的文件格式。

本實施例的一種多學科協同仿真系統的數據庫，用于存儲導入的幾何圖形文件、幾何模型模塊生成的幾何模型數據文件、網格劃分模塊生成的有限元模型數據文件、求解分析模塊生成的求解分析結果數據文件以及所述后處理模塊生成的運算結果報告。

本實施例的一種多學科協同仿真系統的三維顯示模塊，用于將導入的幾何圖形文件、幾何模型模塊生成的幾何模型、網格劃分模塊生成的有限元模型以及后處理模塊生成的求解分析結果返回至三維顯示模塊進行可視化顯示。所述三維顯示模塊支持以彩色云圖、矢量圖、粒子流跡圖、切面、表格或文本的形式進行顯示。

本實施例的一種多學科協同仿真系統基于Browser/Server，即瀏覽器/服務器結構，Browser客戶端可以通過web瀏覽器直接瀏覽結果，支持WinXP以上操作系統。Server服務器端支持Windows Server操作系統，主要用于計算，數據的統一管理和各分析項目的保存。客戶端作為協同工作的統一入口，訪問協同設計仿真平臺包含的所有模塊和功能，并實現人機交互。服務器端通過tomcat應用服務器，oracle數據庫、MySQL服務器等軟件實現對多學科耦合仿真的高性能和高并行需求的支持。在服務器架設方面，采用分布式部署原則，防止由于把所有的服務都放到一個服務器上帶來的風險。分布式服務部署是將多個服務分散至多臺不同的物理服務器上，并通過TCP/IP協議或遠程調用技術實現分布式部署服務的互訪問。軟件運行環境可基于局域網，運行環境硬件配置支持Xeon(至強)處理器或更高級別處理器，8G及以上內存，1TB存儲以上服務器。

實施例二：

當多學科聯合仿真為耦合仿真時，多學科協同仿真平臺按照仿真試驗流程、每個模型的過程參數文件，通過與每個模型每一計算步驟下的接口控制每個模型單步運行，實現各個異構模型運行過程的協調控制，并根據每個模型的模型參數文件以及各個交互模型的參數匹配關系，完成聯合仿真，獲取樣本數據。具體如下：

圖2給出了一種多學科協同仿真工作流程圖。

如圖2所示，具體包括如下步驟：

步驟A1，多學科協同仿真平臺調用幾何模型模塊，讀取導入的幾何圖形文件，提取幾何特征數據，建立幾何模型，并導出幾何模型數據文件。

具體地，幾何模型模塊讀取導入的幾何圖形文件，本實施例導入的所述幾何圖形文件的格式可以是、但不限于STP、STL、IGES格式。根據幾何圖形文件提取幾何特征數據，包括幾何維度和幾何模型尺寸信息，調用CAD內核，建立CAD模型。用戶通過三維顯示模塊可以查看和確認CAD模型。生成幾何模型數據文件存入數據庫，也可以根據用戶需求導出。

步驟A2，所述多學科協同仿真平臺調用網格劃分模塊，選擇所述幾何模型中需要劃分網格的部分，或者選擇全部幾何模型，按照有限元方法將所述幾何模型劃分為對應的網格單元形狀，得到有限元模型，生成相應文件格式的有限元模型數據文件。

具體地，三維顯示模塊顯示所述幾何特征模塊建立的CAD模型后，所述多學科協同仿真平臺調用網格劃分模塊選擇所述幾何模型中需要劃分網格的部分，或者選擇全部幾何模型按照預設要求對CAD模型進行網格劃分。其中，預設要求可以在所述多學科協同仿真平臺上進行設置，比如，對網格劃分的單元屬性參數進行設置，規定網格劃分的單元精細度以及網格劃分的網格單元形狀(網格單元形狀包括、但不限于四面體網格、六面體網格、混合網格中的一種或幾種)。劃分網格后，得到的有限元模型返回三維顯示模塊展示，生成相應格式的有限元模型數據文件存入數據庫。

步驟A3，設置所述有限元模型的屬性和求解條件，并設置有限元求解器以及有限元求解分析類型。

具體地，用戶可以選擇有限元模型所使用的材料和型材等參數來定義有限元模型的屬性，同時設定載荷和邊界條件等有限元求解條件用于對有限元模型的求解。用戶還可以選擇用于有限元模型求解分析的有限元求解器以及選擇有限元求解分析類型。本實施例支持多種開源的有限元求解器，這些有限元求解器能夠支持多種類型的有限元求解分析，所述有限元求解分析類型包括、但不限于結構分析、熱分析、流體分析、光學分析、電磁分析、優化分析中的一種或幾種。

例如，有限元求解器選擇ANSYS軟件，ANSYS的求解模塊是對有限元模型進行分析和處理。ANSYS支持以下有限元求解分析類型：

結構分析：結構分析是ANSYS最常用的一個應用領域。ANSYS能夠對模型進行靜力、非線性、動力學分析求解，并能對隱式模型、顯示模型及顯示—隱式—顯示進行耦合求解。

熱分析：系統內部溫度及溫度場的變化情況直接影響該系統的性能指標，ANSYS的熱分析可以提供大量分析熱模型并對這些物理量進行測定。目前，ANSYS能夠對穩態溫度場、瞬態溫度場、相變、輻射等常用熱分析模型進行很好的求解。

電磁分析：主要對電容、磁力線、電場分布、渦流及能量損失等電磁場問題進行分析求解。一般還用于變換器、發電機等裝置的設計分析，其內容主要包括軸對稱靜磁場分析、交流磁場分析等。

流體分析：能對流體瞬態和穩態進行二維及三維動力學分析，并能對自由對流與強迫對流；層流、紊流；牛頓流與非牛頓流體等進行分析計算。

聲場分析：能對流體介質中聲波傳遞方式進行分析研究，而且也能對流體介質中的固態介質進行動態分析。其分析內容主要包括：聲波在容器內的流體介質傳播；聲波在固體介質中的傳播；水下結構的動力分析；無限表面吸收單元等。

本實例采用的求解器及分析類型為：

熱分析：設置所述有限元模型的屬性和熱分析求解條件，并設置有限元求解器ANSYS熱分析模塊以及有限元求解分析類型為熱分析。ANSYS能夠對穩態溫度場、瞬態溫度場、相變、輻射等常用熱分析模型進行很好地求解。

結構分析：設置所述有限元模型的屬性和結構分析求解條件，將熱分析結果映射到網格模型上作為輸入條件，并設置有限元求解器ANSYS結構分析模塊以及有限元求解分析類型為結構分析。ANSYS結構分析模塊能夠對模型進行靜力、非線性、動力學分析求解，并能對隱式模型、顯示模型及顯示—隱式—顯示進行耦合求解。

光學分析：設置所述有限元模型的屬性和光學分析求解條件，并設置光學分析求解器CODEV以及求解分析類型為光學分析。CODEV軟件采用其腳本SEQ語言接口進行集成開發，實現光學設計模型的修改轉換功能。

步驟A4，所述多學科協同仿真平臺將有限元模型數據文件的格式轉換成與所述有限元求解器對應的文件格式。

具體地，根據用戶選擇的有限元求解器，將步驟A2網格化分得到的有限元模型的文件格式轉換成與選擇的有限元求解器對應的文件格式。其中，一種有限元求解器對應多種文件格式的有限元模型，因此需要進行文件格式的轉換。

步驟A5，所述多學科協同仿真平臺調用單一的有限元求解分析類型，對所述有限元模型進行有限元求解運算，得到求解分析結果，生成求解分析結果數據文件。

具體地，所述多學科協同仿真平臺根據用戶選擇的有限元求解器，調用對應的有限元求解器，并按照預先設定的有限元求解分析類型，對文件格式轉換后的有限元模型進行有限元求解運算，得到求解分析結果。求解分析結果返回至三維顯示模塊進行可視化顯示。

步驟A6，通過迭代循環的方式，將前一次計算得到的求解分析結果中的全部或部分數據，作為邊界條件或工況定義條件，耦合到后續其他有限元求解分析類型中，將所述求解分析結果作為邊界條件或工況定義參與后續其他有限元求解分析類型的有限元求解運算中。

上述耦合采用通用JSON及XML數據格式調用求解器接口，并通過CMAKE編譯接口進行多種編程語言的編譯鏈接。耦合過程中，多個軟件之間的消息傳遞采用WebSocket通信協議，并通過數據庫接口支持Oracle、MySQL、SQLServer、DB2、Hbase等。

多物理場耦合模塊是多學科仿真分析的基礎，將單物理場的結果疊加在另一物理場中，求解出多場耦合的結果，使傳統流程模板中的單物理場分析轉變到多物理場耦合分析成為現實。

以上對本發明的具體實施例進行了詳細描述，但其只是作為范例，本發明并不限制于以上描述的具體實施例。對于本領域技術人員而言，任何對本發明進行的等同修改和替代也都在本發明的范疇之中。因此，在不脫離本發明的精神和范圍下所作的均等變換和修改，都應涵蓋在本發明的范圍內。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的使用c语言的多学科协同仿真软件,一种多学科协同仿真系统及方法与流程的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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