多學科耦合建模的案例
多學科統一的多體動力學建模方法
在現代的機電系統中，例如機器人、機械臂、車輛等，是多學科相互作用、相互交叉的，包括機械、電學、液壓、熱學等學科，如何分析這些系統的動力學耦合特性就顯得特別有意義，如果以單個學科的角度或以局部組件為對象進行分析，雖然很多局部的細節考慮到，而各個系統間的相互作用卻被簡化了，相反的如果從整個系統的角度，彼此之間的交互作用卻是十分重要的，也是十分突出的。在多學科多體系統動力學的分析中，應該包括建模和分析，即建立的動力學方程和利用數值方法進行求解，最后形成了仿真分析，如下圖所示
在多學科耦合系統動力學建模和分析的方法也很多，包括線狀圖法（Linear graph）、鍵合圖法（Bond graph）、圖論（Graph theories）、“等效”方法。
線狀圖方法是數學的一個分支，主要研究系統拓撲學，由L.Euler在18世紀左右提出，在20世紀擴展到物理建模中。鍵合圖法在1959年由H.M.Paynterti提出，是以能量守恒原理為基礎，以勢、流、變位和動量四個廣義變量表示各個物理參數，具有因果關系，但是多適用于平面模型建模，在三維多體系統中較為復雜，還有待發展，鍵合圖如圖圖所示。
一些學者在線狀圖和鍵合圖的基礎上提出了圖論的多體建模方法。其中Waterloo大學的John.McPhee教授利用圖論方法建立機電耦合系統的動力學方程提出較具體的方法。
下面介紹屬于“等效”的方法。采用虛功原理建立多學科的系統動力學方程，這種方法依賴于選擇獨立的廣義坐標，能夠描述系統的配置。通過對多個學科的物理量的等效對應關系，便可以依據多體動力學方法進行建模求解。
展開 動態多學科系統建模平臺SimulationX 4.0即將發布
動態多學科系統建模與仿真平臺SimulationX4.0發布在即，這是一款基于Modelica開發，支持一系列軟件接口(包括FMI)，面向全領域、全行業的多學科系統建模與仿真方案軟件。
SimulationX包括的物理模型庫有：機械、水力學、氣動、熱流動、電子、控制、電磁、聲學、燃調、環控、救生、起落架、發動機……
SimulationX可以廣泛應用在航空、航天、車輛、船舶、機車、石油工業、液壓及工程機械、精密機械、能源與動力工程……其應用之廣、之深，幾乎無所不能。
SimulationX 4.0新版發布在即，我們設置一系列網絡研討會，一起了解下新版本。
時間：2019年2月19日6:00 pm (CET - Paris Time)
方式：網絡在線
聯系人：Manuela Joseph
聯系電話： +49 (351) 26050 182
對于SimulationX的每個主要版本，我們的軟件和模型庫開發人員在許多方面進行了相關工作，以簡化和加速預處理、建模、模擬和后處理過程，并且提高結果的有效性。
本次網絡研討會將首次介紹新版本和重點內容概述。
網絡研討會亮點：
?模擬系統，包括公差、老化、磨損和故障
?將車輛系統與3D車輛動力學相結合
?新一代提高清晰度和生產力的用戶圖形界面
主講人：
Thomas Hofmann - ESI ITI GmbH系統仿真解決方案經理
展開 PIDO智能仿真 | 基于optiSLang的渦輪葉片多學科耦合優化設計
在渦輪冷卻設計中涉及到眾多的設計參數選擇和優化問題，目前優化技術越來越多的成為產品創新設計中的重要環節；基于高精度的流熱固耦合仿真計算和各類數學優化算法的大規模HPC并行計算，對提升渦輪葉片冷卻設計效果無疑將起到重要的推動作用。工程師在渦輪冷卻葉片初步設計方案的基礎上，建立其流熱固耦合仿真模型，以各冷卻通道位置、壁厚、各回路冷氣用量、局部冷卻特征（如柱肋、氣膜孔）參數為設計變量，以渦輪葉片整體降溫需求為約束，以最少冷氣量為目標，利用優化算法不斷改進上述設計變量直到獲得最佳設計方案：
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基于Ansys Workbench的流熱固耦合仿真
渦輪葉片在工作過程中，高溫燃氣、渦輪冷卻葉片、冷卻氣體間存在實時對流換熱，氣動載荷和溫度載荷等會導致渦輪冷卻葉片發生變形，因此渦輪冷卻葉片是一個典型的流-熱-固耦合分析問題。
基于Ansys Workbench平臺用戶可方便的搭建流-熱-固耦合仿真分析流程，首先對葉片進行幾何前處理、流體域/固體域網格劃分，然后在Ansys CFX中進行流-熱耦合計算，最后導入靜力學分析模塊Static Structural進行流-熱-固耦合分析。用戶還可根據需要進行后續的疲勞、蠕變分析等。Ansys為用戶進行渦輪葉片流-熱-固耦合仿真提供了極大的便利！
展開 MBSE架構圖：一種集成系統建模與多學科分析的MBSE開發框架
SysML是一種圖形化的建模語言，作為一種國際標準支持MBSE。使用SysML定義的系統工程模型本質上是描述性的，不直接產生分析結果，將導致系統工程活動和工程分析之間存在著巨大的差異。因為系統工程師和工程分析師使用不同的模型、工具、方法和術語，他們不得不依靠特別的通訊和人工翻譯的設計規范和數據。這種差異導致了效率低下并需要花費昂貴代價去修復質量問題。因此，迫切需要將SysML模型與分析模型連接起來。
圖1 系統模型與領域分析模型的差異
目前， SysML建模工具內部的系統級分析通常僅限于對簡單參數方程式的評估。這意味著盡管SysML模型能夠詳細地描述一個給定的系統配置，卻很難恰當地評估設計與需求的契合度或對性能、成本和風險執行重要的權衡分析。因為缺乏便利地可獲取的分析能力，使得系統工程師很難快速地了解需求和系統配置不可避免的變化帶來的后果，并采取必要的行動。
另一方面，域/多學科工程師(結構、熱力、電力、軟件、成本等)通常使用各種先進的分析工具來分析和設計系統。因為這些工具沒有連接到系統模型，很難使用系統模型設置分析問題或使用分析結果更新系統模型。如果可以填補這個空檔，域/多學科工程師可以使用MBSE數據存儲庫獲取所需的設計信息去創建他們的分析模型，并進行分析以支持系統開發。使用此功能，域/多學科工程師可以減少多學科建模和分析活動中由于手工數據轉換和失效信息的使用所導致的常見錯誤和修正工作。
將建模和分析集成的功能彌補了以上缺陷。
展開 
PIDO智能仿真 | 基于optiSLang的渦輪葉片多學科耦合優化設計
在渦輪冷卻設計中涉及到眾多的設計參數選擇和優化問題，目前優化技術越來越多的成為產品創新設計中的重要環節；基于高精度的流熱固耦合仿真計算和各類數學優化算法的大規模HPC并行計算，對提升渦輪葉片冷卻設計效果無疑將起到重要的推動作用。
工程師在渦輪冷卻葉片初步設計方案的基礎上，建立其流熱固耦合仿真模型，以各冷卻通道位置、壁厚、各回路冷氣用量、局部冷卻特征（如柱肋、氣膜孔）參數為設計變量，以渦輪葉片整體降溫需求為約束，以最少冷氣量為目標，利用優化算法不斷改進上述設計變量直到獲得最佳設計方案：
1、基于Ansys Workbench的流熱固耦合仿真
渦輪葉片在工作過程中，高溫燃氣、渦輪冷卻葉片、冷卻氣體間存在實時對流換熱，氣動載荷和溫度載荷等會導致渦輪冷卻葉片發生變形，因此渦輪冷卻葉片是一個典型的流-熱-固耦合分析問題。
基于Ansys Workbench平臺用戶可方便的搭建流-熱-固耦合仿真分析流程，首先對葉片進行幾何前處理、流體域/固體域網格劃分，然后在Ansys CFX中進行流-熱耦合計算，最后導入靜力學分析模塊Static Structural進行流-熱-固耦合分析。用戶還可根據需要進行后續的疲勞、蠕變分析等。Ansys為用戶進行渦輪葉片流-熱-固耦合仿真提供了極大的便利！
展開 行業案例 | MBSE解決方案（五）：基于SysML的設備級建模與多學科聯合仿真
價值
通過問題域、方案域和實現域的逐層分析，形成了一套規范、可實施的設計方法；
在仿真時除了應用狀態機中的離散信號外，引入了機、電、液、控、軟等多學科模型，使仿真更貼近于實際；
實現了需求工程到仿真工程的局部貫通，數據貫通、工具貫通、業務貫通，促進MBSE進一步落地應用。
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本文所使用軟件
以上案例中的模型均是由北京索為公司的兩款MBSE工具完成。
系統建模仿真軟件Modelook
復雜工程系統建模仿真軟件（Modelook）是基于國外先進的模型驅動工程（MDE）和和基于模型的系統工程（MBSE）理論、方法和實踐成果的基礎上，自主研發的面向系統級用戶的MBSE解決方案產品。Modelook定位于為復雜工程系統（例如武器裝備中的電子信息系統、控制系統、體系級指控系統等）的系統級研發提供基于模型的建模仿真解決方案，用戶可以在系統設計階段基于SysML模型進行需求分析、架構設計、仿真分析，改變原有的基于文檔的設計范式，有效的提高系統研發效率。
模型總線軟件Modelbus
模型總線（Model Bus）是一款完全自主研發、支撐跨學科、跨領域復雜系統模型集成仿真的通用工具，以TCP/IP通信協議和FMI協議為基礎，通過C/S架構實現了多客戶端系統仿真軟件分布式集成，適用于大規模復雜異構系統的多仿真工具統一調度與并行求解。有效地解決了不同仿真工具（含商業和自研）之間的連接接口問題，操作便捷，能顯著提高仿真效率。
文章來源 杉石科技
展開 提高復雜機電系統的研發效率—多學科建模與聯合仿真
而采用實驗的方法對產品進行研究則需要物理樣機，一方面所需投入較多、時間周期較長，另一方面，當發現樣機在某些功能和性能層面無法滿足要求時，進行更改的成本非常高。即使這些問題都能夠解決，實驗方法還要面對某些工況下實驗帶來的危險和破壞、實驗環境不一致、實驗結果的離散性等諸多問題。此種情況下，基于計算機技術，借助于專業的軟件，通過數字化建模仿真的方式對產品的方案進行驗證和優化，可以顯著縮短研發周期、降低研發成本、完善產品質量，提高產品的市場競爭力。另外，產品部件之間的耦合關系越來越緊密，多數功能需要各部分緊密配合才能實現，因此系統級建模尤為重要。
機-電-液-控一體化的高速發展使得由單一領域部件構成的產品越來越少，取而代之的是綜合利用機械、電、磁、液壓和控制等諸多領域研究成果、涉及多個學科的產品，而多數情況下，產品的研發又需要多個部門配合工作，當對產品功能進行仿真驗證時，把各部分模型進行集成，獲得各部分模型之間的耦合關系，且保證仿真過程中各部分模型之間能夠進行高效的數據交互。所以，在系統級多學科建模之后，還需要進行聯合仿真。
以飛機機電系統的機電綜合為例，在機電綜合的背景下，在功能、能量、控制和物理的層面，燃油、環控、液壓、電氣系統之間的管理越來越緊密。例如在綜合能量管理系統中，為實現能量高效利用的目的，環控、燃油、滑油、液壓、電氣、發動機等系統協調工作。在多電飛機架構中，通過供-配-用電網絡，機電系統之間的聯系變得更為緊密。
飛機綜合能量管理系統
飛機機電系統涉及電、磁、熱、機械、液壓、流體、控制等多個學科，且每個機電子系統都涉及多個學科，這種特點使得系統級建模必然涉及多個學科的聯合仿真。
展開 多場耦合問題的建模與耦合關系的研究
對多場耦合問題進行了建模,并對耦合關系進行了詳細的研究。給出了位移場、流場、電場、磁場和溫度場的14種耦合關系式,使用表格和有向圖對之進行分析,結果表明溫度場是影響范圍最廣的場,位移場是受到影響最多的場,五種場按照性質分為三類,相似的場之間容易發生強的耦合作...........
多場耦合問題的建模與耦合關系的研究.pdf
【CAE案例】換熱器多尺度建模耦合
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PreSys在爆炸與多介質流固耦合中的建模方法：從ALE到SPH的工程實踐
原創 于 2026年2月25日 發布 標簽：#FSI #ExplosionSimulation #ALE #SPH #PreSys #CFD #FEM
在爆炸與沖擊仿真領域，多介質流固耦合（FSI）問題一直是數值計算的核心難點。從空氣沖擊波傳播到結構破壞，再到破片飛散，整個過程涉及強非線性、大變形與多尺度耦合。
基于
PreSys
的工程實踐，這類問題可以通過 ALE + SPH + Lagrange 多方法協同實現穩定求解。
