多學科的案例
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 達索SIMULIA多學科多目標優化設計軟件Isight高級應用研討論壇回顧
達索SIMULIA多學科多目標優化設計軟件Isight高級應用研討論壇于2018年7月26日在杭州洲際酒店北京廳召開。來自達索總部的專家，國內的航空航天、鐵路、汽車、石油、能源動力與高校等行業的高級客戶；以及達索的合作伙伴從全國各地齊聚杭州參加了此次技術高峰論壇。對基于多學科多領域的參數綜合優化、設計流程自動化、分析流程模板、基于Isight的定制流程開發的領域進行了多方面專業化的深入的技術交流。
多學科多目標優化設計軟件Isight高級應用研討論壇注冊處：
大會于上午8：40時許召開。首先由達索系統SIMULIA品牌中國區總監MikeSheh博士致開場詞并介紹了大會的日程安排，并向到場的客戶、合作伙伴致謝。
達索系統SIMULIA品牌中國區總監Mike Sheh博士致開場詞
達索SIMULIA多學科多目標優化設計軟件Isight應用論壇主要內容涵蓋以下十個方面：
Isight多學科有目標優化軟件在國際上的應用（主要介紹在英國與日本的應用情況）
Isight多學科多目標優化技術的戰略規劃和版本更新。
Isight多學科多目標優化技術在航天領域的應用。
Isight多學科多目標優化技術在航空發動機設計領域中的應用。
Isight多學科多目標優化技術在鐵路行業中的應用。
Isight多學科多目標優化技術在石油鉆井領域的應用。
Isight多學科多目標優化技術在汽車行業中的應用。
Isight多學科多目標優化技術在船舶發動機領域的應用。
Isight多學科多目標優化技術定制化二次開發的應用。
達索合作伙伴對Isight優化技術的高級深度應用。
展開 多目標多學科優化--Isight軟件概述
在多學科優化語言MDOL支持下，接受用戶界面輸入，通過相應的過程集成服務、問題描述服務、可視化和數據分析服務、后處理服務以及數據庫服務，以MDOL為核心，借助系統通信層協議，與仿真引擎、設計學習引擎、規則引擎、應用程序接口以及第三方軟件工具進行通信。形成一個整體的、可配置的軟件平臺，適應于工程系統的優化設計和綜合系統分析，為產品的設計優化和多學科設計分析提供了基礎。
仿真分析流程
汽車領域多學科優化設計解決方案--Optimus
汽車設計是一項復雜的系統工程，涉及多個學科專業領域，包括結構、碰撞、NVH、熱、電池、光學等多學科的協同設計，不同學科之間數據難以傳遞，基于經驗的人工試錯優化過程導致研發周期長、研發成本高。
圖1 汽車領域多學科優化設計
經緯恒潤基于Optimus工具提供多學科優化設計解決方案。Optimus是比利時Noesis Solutions公司著名的多學科過程集成和優化設計軟件產品。通過Optimus軟件，可管理多學科的仿真流程及數據，自動顯示和探索設計空間，實現產品設計過程中的自動性能優化，并且實現多學科、多指標參數的均衡優化，能對產品設計部門的設計變更給出明確指導意見，在提高產品性能的同時降低成本、縮短設計時間。
圖2 多學科過程集成和優化設計軟件--Optimus
Optimus功能模塊
Optimus具備仿真流程集成、試驗設計、創建代理模型、優化設計、可靠性和魯棒性優化等功能。
? 多學科仿真流程集成
多學科仿真流程集成是進行自動化優化迭代的基礎，是實現多學科協同的前提條件。Optimus可以實現對常用汽車領域CAD/CAE工具的集成與調用，將不同部門、不同專業的仿真工具集成起來，比如結構、碰撞、NVH、熱、流體、電、磁、光學等學科的仿真工具，在同一平臺下自動調用各工具執行多學科耦合仿真分析。
圖3 Optimus仿真流程集成界面
? 試驗設計
科學地確定試驗或仿真方案中的參數組合，采用少量代表性的試驗方案，快速探索整個設計空間，實現參數的靈敏度分析、相關性分析，辨別關鍵參數，幫助用戶對設計問題有更深入的了解。
展開 
基于SimManager多學科協同仿真流程構建和應用
需要應用不同學科的仿真軟件，包括控制仿真、結構仿真、動力學仿真電磁效應仿真、熱仿真等。
因仿真涉及多個學科，存在多變量、多目標、多約束的復雜情況，而且各個學科之間的變量之間可能還存在著耦合關系。在產品開發過程，如何考慮多學科集成設計、性能優化、成本、時間周期等諸多重要因素，在中間找到最佳的平衡點和數據耦合成為至關重要的問題。
基于這個需求，通過SimManager可構建基于流程任務的多學科協同仿真平臺，通過平臺串聯產品研發各流程模塊，并實現上下游分析任務的輸入/輸出傳遞，將仿真分析數據按照產品型號進行結構化層次管理，在任務流程中通過集成仿真分析軟件，實現仿真軟件按流程任務調用，并將相關知識與流程綁定，在任務執行中自動推送相關知識。
技術挑戰
實現多學科協同仿真流程，存在著如下的技術挑戰：
1. 通過交互方式動態構建多學科協同仿真流程，支持多學科、多部門之間的協同工作。
2. 工作任務拆解，將任務拆解為可執行的流程節點。
3. 構建的多學科仿真流程可發布、編輯、復用；建立多學科協同仿真流程共享數據庫和資源池。
4. 使仿真流程規范化，并對仿真執行過程實現監控。
解決方案
基于SimManager的多學科協同仿真流程方案包括仿真流程構建、仿真流程應用執行。
多學科協同仿真流程構建中，SimManager提供圖形化的流程定義界面，定義仿真任務的先后順序和邏輯關系。指定各個節點仿真任務的負責人、計劃時間等任務信息,指定任務節點的輸入輸出數據（參數和文件等）,定義任務的激活條件。對于流程節點的關系，支持循環、判斷、并行、串行及支持嵌套子流程等方式，下面為流程構建界面的示意圖。
多學科協同仿真流程執行：在流程構建和發布后，各個學科的對應節點負責人可以按照流程定義的前后順序，開展仿真分析工作。
展開 新書推薦(2)——《多學科綜合優化設計原理與方法》
目錄：
第1章 緒論
1.1 多學科綜合優化的形成動因
1.2 多學科綜合優化的研究概況與研究對象
1.3 復雜產品優化求解策略發展概況
1.4 多學科優化的特征及目前存在的主要問題
參考文獻
第2章 多學科綜合優化設計體系
2.1 多學科綜合優化設計定義及性質
2.2 多學科綜合優化研究內容與理論基礎
2.3 多學科綜合優化設計功能體系結構
參考文獻
第3章 多學科產品建模理論、方法與技術
3.1 復雜產品優化建模概況
3.2 多學科產品建模理論分析
3.3 多學科產品建模方法
參考文獻
第4章 多學科產品模型處理與分解規劃技術
4.1 引言
4.2 設計對象層次化
4.3 層次型規劃
4.4 分部件與分性能的非層次型規劃
4.5 優化計算模型生成
第5章 智能優化方法
5.1 概述
5.2 神經網絡優化方法
5.3 模擬退火算法
5.4 遺傳算法
參考文獻
第6章 非光滑優化方法
6.1 非光滑分析的基本理論
6.2 次梯度方法
6.3 捆集法
參考文獻
第7章 多學科優化策略相關變量的處理
7.1 學科描述及多學科解流程
7.2 學科優解組合為整體優解的條件研究
7.3 耦合成因素表現形式分析
7.4 多學科二級直協調策略
7.5 非層次型多學科協同求解策略
7.6 求解策略的算例
7.7 學科之間相關程度分析
7.8 相關變量影響性質
參考文獻
第8章 基本響應面技術的多學科優化設計
8.1 響應面法的基本原理
8.2 基于CCD響應面技術的多學科化設計
8.3 基于人工神經網絡響應面技術的多學科優化設計
參考文獻
第9章 優化計算中的可視化和可控化
9.1 概述
9.2 優化算法的分類、選擇與開發
9.3 系統的功能分析與總體結構
9.4 可控視功能的具體實現
參考文獻
第10章 一種多學科綜合優化設計支持平臺簡介
10.1 多學科綜合優化支持平臺系統結構
展開 一種多學科優化軟件本地聯合HPC解決方案
以上針對仿真分析是可以滿足工作需求的，但對于多學科優化工作而言，往往會遇到一些問題。
仿真分析最后的計算通常只需要提交命令進行計算即可。而多學科優化分析往往需要配置優化流程，包括輸入文件解析、輸出文件解析、求解設置，文件傳遞等等設置。這一系列操作往往都是需要在GUI界面下完成。因此，為了順利進行多學科優化分析，也需要將優化軟件配置在HPC系統上，并設置好調用有限元求解器、文件傳遞等等系列問題。
誠然，有些多學科優化軟件是支持配置在HPC系統上的，但這往往需要比較繁瑣的設置，并且門檻較高，需要較為專業的支持（正版軟件的待遇--請支持正版軟件）
。
如果沒有辦法解決這個問題，那么即使有再多核數的HPC，也無法將多學科優化分析的作用發揮出來。
那么，有沒有一種更為簡單的方法，可以讓多學科優化軟件可以同配置調用本地求解器的方式一樣來調用HPC上的求解器來進行多學科聯合仿真優化呢？答案是肯定的。
為了實現上面的目的，需要解決兩個主要問題：一個是在本地調用HPC上的求解器進行求解計算，另一個是文件的上傳和下載。
我這里，開發了不同有限元求解器的接口軟件，包括lsdyna、nastran、ABAQUS和Optistruct。這幾個是比較常用的結構分析軟件，其他軟件可以用同樣的方法進行。
使用以上開發的有限元分析軟件接口，可以實現以下功能：
1。用于常規提交計算：使用這些接口軟件可以直接在本地提交計算。
2。用于多學科優化分析計算：使用這些軟件接口可以直接在本地機上使用多學科優化軟件進行聯合優化仿真配置，就像調用本地求解器一樣。
展開 多學科設計優化技術研究
多學科設計優化技術研究part1
多學科設計優化技術研究.part1.rar
多學科設計優化技術研究.part2.rar
多學科設計優化技術研究.part3.rar
多學科設計優化技術研究.part4.rar
多學科設計優化技術研究.part5.rar
多學科協同仿真管理平臺SDMan
多學科協同仿真管理平臺SDMan針對多學科多專業的計算機仿真數據進行結構化管理、對仿真流程進行規范化管理、對仿真工具進行集成管理，實現多學科仿真過程的協同管理。平臺通過仿真流程管理功能實現多學科仿真任務的策劃，分配仿真任務給各學科的專業分析人員，實現任務之間的仿真數據傳遞。通過仿真流程模板可定義多學科耦合的仿真流程，支持串行、并行等流程執行方式。通過數據管理功能實現仿真過程數據的存儲、檢索、數據譜系和多方案多工況的對比。實現管理者、專業分析人員之間的多學科仿真任務協同和數據協同。
平臺提供基于B/S（瀏覽器/服務器）架構的Web訪問，以及基于C/S（客戶端/服務器）架構的本地客戶端訪問。Web訪問方式方便管理者通過瀏覽器對仿真項目的管理、仿真任務的策劃、資源的調配、仿真過程的監控、仿真文件的查看等。本地客戶端方式貼合仿真分析工程師的日常工作環境，可在客戶端集成仿真環境中調用封裝的工具軟件、執行仿真任務、上傳仿真結果等工作。
功能特色
功能特色
多學科協同仿真管理平臺核心的功能模塊包括仿真流程管理、仿真數據管理以及仿真工具集成，同時平臺具備仿真知識管理功能，用于管理仿真規范、仿真模板、仿真材料等，平臺可集成高算資源，仿真流程中的仿真求解任務可提交到高算平臺上。平臺具備完善的權限管理配置功能，滿足三員管理及保密功能。
多學科協同仿真管理平臺的核心功能模塊見下圖。
展開 modefrontier整車多學科優化及輕量化優化
響應面或者元模型的創建包括多項式、徑向基函數、kriging、神經網絡等，或者比較新的ML法等。優化算法一般選擇全局優化算法-遺傳算法或通過優化策略組合局部和全局優化算法等。
至此，常見的優化軟件的求解器優化設置，多學科優化設置等基本都介紹完了。包括Nastran、ABAQUS、Lsdyna等，以及優化軟件用于材料參數擬合，及多學科優化。
鏈接：【基于LS-OPT的整車多學科優化及輕量化優化分析】
鏈接：【基于optimus整車多學科數值優化及輕量化優化】
鏈接：【基于Isight多學科優化及輕量化優化】
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展開 設計仿真 | 基于SimManager多學科協同仿真流程構建和應用
需要應用不同學科的仿真軟件，包括控制仿真、結構仿真、動力學仿真、電磁效應仿真、熱仿真等。
因仿真涉及多個學科，存在多變量、多目標、多約束的復雜情況，而且各個學科之間的變量之間可能還存在著耦合關系。在產品開發過程，如何考慮多學科集成設計、性能優化、成本、時間周期等諸多重要因素，在中間找到最佳的平衡點和數據耦合成為至關重要的問題。
基于這個需求，通過SimManager可構建基于流程任務的多學科協同仿真平臺，通過平臺串聯產品研發各流程模塊，并實現上下游分析任務的輸入/輸出傳遞，將仿真分析數據按照產品型號進行結構化層次管理，在任務流程中通過集成仿真分析軟件，實現仿真軟件按流程任務調用，并將相關知識與流程綁定，在任務執行中自動推送相關知識。
技術挑戰
實現多學科協同仿真流程，存在著如下的技術挑戰：
1. 通過交互方式動態構建多學科協同仿真流程，支持多學科、多部門之間的協同工作。
2. 工作任務拆解，將任務拆解為可執行的流程節點。
3. 構建的多學科仿真流程可發布、編輯、復用；建立多學科協同仿真流程共享數據庫和資源池。
4. 使仿真流程規范化，并對仿真執行過程實現監控。
解決方案
基于SimManager的多學科協同仿真流程方案包括仿真流程構建、仿真流程應用執行。
多學科協同仿真流程構建中，SimManager提供圖形化的流程定義界面，定義仿真任務的先后順序和邏輯關系。指定各個節點仿真任務的負責人、計劃時間等任務信息,指定任務節點的輸入輸出數據（參數和文件等）,定義任務的激活條件。對于流程節點的關系，支持循環、判斷、并行、串行及支持嵌套子流程等方式，下面為流程構建界面的示意圖。
展開 
一種多學科優化軟件本地聯合HPC解決方案
以上針對仿真分析是可以滿足工作需求的，但對于多學科優化工作而言，往往會遇到一些問題。
仿真分析最后的計算通常只需要提交命令進行計算即可。而多學科優化分析往往需要配置優化流程，包括輸入文件解析、輸出文件解析、求解設置，文件傳遞等等設置。這一系列操作往往都是需要在GUI界面下完成。因此，為了順利進行多學科優化分析，也需要將優化軟件配置在HPC系統上，并設置好調用有限元求解器、文件傳遞等等系列問題。
誠然，有些多學科優化軟件是支持配置在HPC系統上的，但這往往需要比較繁瑣的設置，并且門檻較高，需要較為專業的支持（正版軟件的待遇--請支持正版軟件）
。
如果沒有辦法解決這個問題，那么即使有再多核數的HPC，也無法將多學科優化分析的作用發揮出來。
那么，有沒有一種更為簡單的方法，可以讓多學科優化軟件可以同配置調用本地求解器的方式一樣來調用HPC上的求解器來進行多學科聯合仿真優化呢？答案是肯定的。
為了實現上面的目的，需要解決兩個主要問題：一個是在本地調用HPC上的求解器進行求解計算，另一個是文件的上傳和下載。
我這里，開發了不同有限元求解器的接口軟件，包括lsdyna、nastran、ABAQUS和Optistruct。這幾個是比較常用的結構分析軟件，其他軟件可以用同樣的方法進行。
使用以上開發的有限元分析軟件接口，可以實現以下功能：
1。用于常規提交計算：使用這些接口軟件可以直接在本地提交計算。
2。用于多學科優化分析計算：使用這些軟件接口可以直接在本地機上使用多學科優化軟件進行聯合優化仿真配置，就像調用本地求解器一樣。
展開 MD Nastran唯一全面的多學科仿真方案
MD Nastran唯一全面的多學科仿真方案
推出具有爆炸性震撼力的新產品是全球制造商們夢寐以求的競爭利器。然而，由于受到過高成本的限制、嚴格規則與認證要求、制造與后續服務的限制等很多工業因素的制約，許多企業難以實現。推出一個在質量和性能上均滿足現今消費者需求的新產品，現在比以往更具挑戰性，同時也是勢在必行。
這也說明為何全球頂尖的制造商和供應商依賴MSC.Software公司的解決方案來革新他們的產品開發過程。作為全球虛擬開發工具的供應商，MSC.Software公司幫助制造廠商實現加速產品上市時間、取得最大的投資回報、保證具有競爭性的市場領導地位。
MSC.Software的企業仿真方案使用詳細的數字產品模型模擬并驗證產品各個方面的性能、制定和跟蹤嚴格的設計目標、溝通協調產品開發，從而使產品創新和質量提高到一個最具競爭力的新水平。
企業研發面臨的各項挑戰
加速產品創新保持競爭優勢
企業持續開發新產品及改進產品的步伐，與加速產品上市時間、改善質量、符合標準和降低設計與制造成本等有關。新產品開發的必要性是顯而易見的：需要借助新開發過程來大幅度提升產品創新和市場份額。
多學科仿真恰好滿足這些挑戰，使制造商能夠仿真和驗證產品各方面的性能。由于去除了只能進行單學科獨立分析的羈絆，工程師可以更完整地了解產品與設計的特性，并且遠在做產品物理樣機試驗之前就知道它在真實工作環境中如何運行。隨著產品和裝配件越來越復雜，制造商需要有仿真方案能夠既易用又精確地處理復雜和大規模的問題。
MD Nastran—工業領域多學科仿真的領導者
為了把最全面的仿真分析技術應用到所有的領域，MD Nastran通過一個完全集成的系統提供了真正的多學科仿真。這是目前業界最強大和得到最廣泛應用的仿真方案，其中的基礎產品也是四十多年來用戶首選的仿真產品。
展開 MSC重磅出擊,推出真正的多學科仿真引擎MD Nastran
全球領先的虛擬產品開發技術供應商MSC.Software歷經數載潛心開發，終于打破了CAE領域長期以來的只能進行單學科和初級多學科仿真的羈絆，推出了業界期待已久的第一個真正的企業級多學科聯合仿真引擎MD Nastran，它最大的特點就是它本身就是一個系統的多學科解決方案，而不是簡單的單學科仿真的疊加。
制造業目前最關心的問題是如何降低產品的成本。產品設計中的缺陷、加工過程中材料的變化和制造工藝的變動等都帶來了無法預測的高成本。在產品設計之前，MD Nastran通過不同學科之間系統級的耦合集成仿真，對產品的性能進行評估。一個模型的多學科仿真，可以大幅度地減少設計錯誤和最大限度地降低不確定因素帶來的風險，而這些是其它的處理過程所不能達到的。MD Nastran從根本上減少了產品設計以后的改動、縮短制造時間、加快上市時間和降低了成本。在產品研發的早期不能發現產品的缺陷，就會帶來系列工程問題，增加了產品成本。在產品交付生產時，一旦在某個工藝過程、部件、分系統或最后的產品中發現缺陷，往往需要幾個周或幾個月才能做出反應。等到改動的決定告訴加工車間時，可能已經有很多的有缺陷的部件和產品已經生產出來了。單學科的仿真工具可以在設計后期發現設計的缺陷，而MD Nastran可以在整個過程的早期發現問題，從而節省時間和降低成本。
多學科仿真
起飛的賽艇是多學科仿真很好的實例。這種現象歸因于不能仿真氣流和結構變形之間交互作用。單個解決方案允許多學科分析，但不能考慮多學科之間的交互作用。只有MD Nastran考慮了不同學科之間的交互作用和耦合、使用一個模型、優化不確定因素和利用64位高性能處理器提高計算速度。只有對關鍵學科之間復雜交互作用的準確表述才能保證真實地模擬物理現象。
展開 行業應用方案 | 機電一體化多學科系統
力矩發生器
陀螺電機
角度/位置傳感器
陀螺儀
線纜線束布局設計
三、工業機器人平臺仿真
工業機器人是廣泛用于工業領域的多關節機械手或多自由度的機器裝置，具有一定的自動性，可依靠自身的動力能源和控制能力實現各種工業加工制造功能。
機械結構系統
驅動系統
感知系統
控制系統
機器人-環境交互系統
人機交互系統
更高精度和更快速的多學科協同仿真
為了方便用戶快速構建機電一體化多學科系統，Ansys Twin Builder將多域系統建模器的強大功能與廣泛的0D應用程序特定庫、3D 物理求解器和 ROM 功能相結合，既保證模型的高精度，同時保證系統仿真的快速性，完成多學科信息的交互仿真。
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