何貴瓊

【摘 要】工程力學建模技術是以相似原理、模型理論、系統(tǒng)技術、信息技術等有關專業(yè)技術為基礎，以計算機系統(tǒng)、與應用相關的物理效應設備及仿真器為工具，根據(jù)用戶的項目需求，利用系統(tǒng)模型對已有或設想的系統(tǒng)進行研究、分析、設計、加工生產(chǎn)、試驗、運行、評估、維護等活動的一門多學科的綜合性技術，建模技術在制造生產(chǎn)中有著重要作用，本文就這一技術進行研究，以作技術交流。

【關鍵詞】工程力學；建模技術；研究

近年來，隨著計算機輔助技術不斷的應用到機械設計當中，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)技術體系已經(jīng)日趨形成。目前， 建模與仿真技術正向“數(shù)字化、虛擬化、網(wǎng)絡化、智能化、集成化、協(xié)同化”為方向發(fā)展。我國建模技術尤其在復雜系統(tǒng)建模技術、智能系統(tǒng)建模技術和基于智能科學的建模技術、定性與定量組合的實體建模技術、復雜分布建模環(huán)境等方面取得了較大的進展。在建模與仿真支撐系統(tǒng)技術研發(fā)方面， 我國在實時仿真算法、各類系統(tǒng)的并行算法、視化算法與軟件、分布仿真運行支撐平臺、虛擬樣機工程支撐平臺、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)了多種型號的模擬計算機、混合模擬計算機及混合計算機系統(tǒng)、全數(shù)字并行仿真計算機，并正從局部、分散的研究向實用化、自動化、規(guī)范化、集成化發(fā)展。工程力學建模在我國現(xiàn)階段的制造業(yè)中得到了廣泛的應用，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、高質量、人性化，很大程度上滿足了現(xiàn)在多元化的競爭市場。加強對工程力學建模是我國制造業(yè)的一大重要任務，也是滿足多元化市場增加競爭力的必然要求。

1.建模技術的基本原則

傳統(tǒng)的優(yōu)化技術需要工程設計人員將設計問題用數(shù)學方程的形式全面準確地描述，即確定設計變量、目標函數(shù)和約束函數(shù)， 因此要求設計人員不但要熟悉產(chǎn)品的設計， 還要掌握一定的優(yōu)化理論和數(shù)值計算方法。對大多數(shù)的機械產(chǎn)品設計人員來說，做到這一點是很困難的。這在一定程度上影響了優(yōu)化設計的應用。對于復雜機械產(chǎn)品來說，數(shù)學模型建立的好壞對優(yōu)化設計成功與否起著決定性的作用。多學科產(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，還是對老產(chǎn)品的改進，建模技術必須考慮到產(chǎn)品的更新設計，這就要求建立基于參數(shù)驅動的產(chǎn)品模型。②支持產(chǎn)品設計的進程。一般的設計進程包括功能設計、原理設計、詳細設計和施工設計等多個階段。在每個階段都包括概念設計、詳細設計、分析評價到重設計等一系列反復過程。建模就是要支持產(chǎn)品從整體設計到局部設計、從概念設計到詳細設計的不斷反復、迭代的進程。③支持產(chǎn)品模型轉換的全過程。機械產(chǎn)品的多學科優(yōu)化建模的最終目標是生成優(yōu)化任務數(shù)學模型。產(chǎn)品模型是對產(chǎn)品物理結構的真實反映， 而計算機能對優(yōu)化任務的數(shù)學模型進行尋優(yōu)計算。全性能優(yōu)化建模不僅要實現(xiàn)產(chǎn)品全系統(tǒng)和全性能的描述，還要根據(jù)不同的要求轉換為不同的優(yōu)化任務數(shù)學模型， 實現(xiàn)物理模型和數(shù)學模型的自動轉變。

2.建模技術分析與處理間的相互關系

完美的設計已成為當今制造行業(yè)追求的關鍵問題，為了達到這一境界人們提出了多學科建模技術。多學科優(yōu)化建模應綜合考慮產(chǎn)品多方位的全系統(tǒng)結構和產(chǎn)品技術性、經(jīng)濟性和社會性等各方面性能的統(tǒng)一，以及全面考察從設計、制造、使用到回收整個產(chǎn)品的全生命周期過程。工程力學建模是后期計算的基礎，所建立的模型既要保證后期的分析計算結果不失真，也要保證后期的分析計算能夠在實際中可以實施，就要同時把握兩個原則“可靠性”和“經(jīng)濟性”。建模技術研究的具體內(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)搜索和結果處理等。計算精度能夠達到工程要求，它直接影響工程能否正常運行。以工作規(guī)范以及國家標準系列等為依據(jù)，保障力學分析計算的可靠性。可以把其中占主導作用的內(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，它們構成了建模設計優(yōu)化的主體，也是產(chǎn)品設計優(yōu)化不同于傳統(tǒng)優(yōu)化的關鍵所在，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，不同的建模方式導致了相關技術領域間不同耦合關系的產(chǎn)生，而不同的耦合關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)學模型與之相匹配。

3.現(xiàn)代建模方法介紹

3.1元建模技術和產(chǎn)品建模技術

一直以來，人們對建模方法學進行了大量的研究，具有代表性的是元建模技術和以功能為核心的產(chǎn)品建模技術?；诋a(chǎn)品物理本質的元建模技術，認為各種應用模型難以溝通的原因在于不同的領域所涉及的知識域不同，而現(xiàn)有的模型缺乏這些知識域之間的聯(lián)系，因此無法進行信息的重用與共享。他們把產(chǎn)品中那些反映物理本質的信息如質量、力等屬性作為信息元，用符號來描述不同抽象程度、不同粒度、不同近似度以及不同對應關系上各信息元之間的物理依賴關系，用由這些信息元及其依賴關系構成的元模型來建立起知識域之間的聯(lián)系，最后通過定性推理從元模型中導出各應用分析模型，而各應用模型的變化也能通過元模型傳播到其它應用模型。但建立基于物理本質的元模型需要開發(fā)人員對產(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)品既可以使設計人員避免從設計一開始就面臨著對設計對象物理規(guī)律的抽象，又可以滿足概念設計的需要。然而，多學科建模需要解決的任務是多方位的，隨著產(chǎn)品開發(fā)過程的推進“功能單元”描述需要不斷深化。如何由基礎的功能單元衍生出各種應用所需要的新的功能模型，保證多學科建模各階段模型一致性、可擴充性、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)絡協(xié)同建模技術

高水平建模工具開發(fā)平臺是實施多學科建模技術的基礎，它需要把計算機、網(wǎng)絡、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，構建一個適應并行工作方式的計算機環(huán)境；把不同地點， 使用不同學科的多學科小組成員集成起來構建一個分布式協(xié)同建模平臺，各個學科小組成員通過共享產(chǎn)品信息模型進行信息交互和協(xié)同設計。這種產(chǎn)品建模方式是基于網(wǎng)絡、支持異地并行、協(xié)同及面向產(chǎn)品全生命周期的設計模式。這樣各個研究機構或公司可以利用自己的學科或產(chǎn)品領域優(yōu)勢，按照標準創(chuàng)建自己的設計問題模型，并在網(wǎng)絡上發(fā)布相應的設計模塊。設計人員在面對一個復雜的設計問題時，不需要關注自己不了解的學科領域，只需在網(wǎng)絡上尋找到相關的設計模塊，然后將他們與自己創(chuàng)建的本地設計模塊連接起來， 就可以形成一個集成設計系統(tǒng)。這不僅可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間，降低產(chǎn)品開發(fā)成本，同時也可以使設計人員集中于自己關注的領域，從而更好地進行產(chǎn)品的創(chuàng)新設計?；诰W(wǎng)絡協(xié)同和UG NX 實現(xiàn)的框架平臺是一種高水平的建模工具平臺，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.結束語

綜上所述，工程力學建模是一項根據(jù)產(chǎn)品設計基本原理，結合現(xiàn)代計算機技術，以市場需求的多元性與高性能產(chǎn)品為要求的先進技術。我們要加強對工程建模技術的研究，不斷研發(fā)更多先進技術，以生產(chǎn)出更多人性化、高質量、綠色環(huán)保產(chǎn)品，更好的促進人們生活水平的提高以及國民經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展。