雪浪云MetaD-MDO：為復雜裝備研發(fā)設計“保駕護航”
科技的進步持續(xù)拓寬人類對世界的認知邊界和高度，從單一學科到多學科的融合，探索的腳步從未停歇。在數(shù)字化時代，復雜裝備制造業(yè)涉及的學科門類和系統(tǒng)結構正變得越來越復雜，并且對其運行過程中的可靠性和穩(wěn)定性也提出了更為嚴格的要求。為了應對這些挑戰(zhàn)，多學科設計優(yōu)化方法應運而生。
多學科設計優(yōu)化（Multidisciplinary Design Optimization，簡稱MDO）是一種創(chuàng)新的工程設計方法，旨在深入研究和協(xié)同探索工程系統(tǒng)中的各個子系統(tǒng)，同時充分考慮各學科或子系統(tǒng)之間的相互影響，以優(yōu)化復雜的工程系統(tǒng)和子系統(tǒng)。這種方法可以提高設計質量，優(yōu)化系統(tǒng)性能，縮短設計周期，減少設計成本，因此受到復雜裝備企業(yè)的廣泛關注和青睞。
㈠數(shù)字化時代，復雜裝備研發(fā)遭遇“瓶頸”
在數(shù)字化時代，復雜機械裝備的研發(fā)是一項復雜的系統(tǒng)工程，涉及多個領域的任務，需要不同部門的仿真人員以及多種仿真工具的協(xié)同合作。為了實現(xiàn)這些復雜裝備的最優(yōu)性能設計，研發(fā)工程師需要創(chuàng)新設計理論和方法，全面考慮各學科對裝備性能的影響，并利用各學科之間的相互作用，以獲得整體最優(yōu)的設計方案。然而，在實際的研發(fā)過程中，由于不同領域的知識和技能難以融合，加上研發(fā)工具和平臺的支持不足，使得對復雜裝備進行仿真分析和優(yōu)化設計的工作面臨諸多難點：
●仿真工具種類繁多且分散。
企業(yè)在研發(fā)過程中需要使用各種商用、自研的仿真工具，這些工具種類繁多且各自獨立，使得模型集成和多學科仿真分析存在困難。
●模型數(shù)據(jù)的流轉效率低下。
在單點仿真工具之間，模型數(shù)據(jù)的流轉控制和接口轉換等工作主要依賴人工操作，規(guī)范化程度較低，導致業(yè)務效率低下。
●研發(fā)人員之間協(xié)同存在困難。
多學科仿真分析流程較為復雜，需要多個工程師之間的緊密協(xié)作，但客戶端軟件的仿真模型和數(shù)據(jù)共享存在困難。
●仿真模型的精度不高。
仿真模型中有許多需要配置的參數(shù)，其中一些參數(shù)的配置依賴于工程師的經(jīng)驗，這可能導致參數(shù)的準確性不足，從而限制了仿真模型的精度。
●設計優(yōu)化過程耗時且費力。
一些仿真模型由于其復雜性和高維度，給計算資源和時間成本帶來了巨大的挑戰(zhàn)，導致仿真設計優(yōu)化的迭代過程緩慢。
為了解決這些難點問題，長期專注于為制造業(yè)提供數(shù)字化、智能化升級服務的雪浪云，深入裝備研發(fā)的一線企業(yè)現(xiàn)場，并基于最新的多學科設計優(yōu)化方法，打造了全新的國產(chǎn)化、自主可控、云原生的多學科設計優(yōu)化軟件——MetaD MDO，助力裝備研發(fā)數(shù)字化，加速裝備研發(fā)設計優(yōu)化迭代。
㈡雪浪云MetaD MDO，驅動復雜裝備研發(fā)設計加速
雪浪云MetaD MDO軟件是基于雪浪OS平臺開發(fā)的創(chuàng)新工具，專注于解決復雜裝備研發(fā)中的多學科設計優(yōu)化問題。這款軟件功能強大，覆蓋20多種主流建模/仿真軟件的分布式異構仿真接口、FMU仿真接口、5種試驗設計算法、10種設計優(yōu)化算法、10種模型降階算法等關鍵功能，幫助企業(yè)提升裝備研發(fā)過程中的軟件工具和研發(fā)人員之間的協(xié)同效率，讓整個研發(fā)過程更加高效、順暢。
雪浪云MetaD MDO軟件界面
從產(chǎn)品組成來看，雪浪云MetaD MDO是一個由多個獨特工具集組成的強大軟件，這些工具集為復雜裝備的研發(fā)提供了全面的支持。例如，仿真軟件接口工具集可以實現(xiàn)各種建模/仿真軟件的調用求解、仿真數(shù)據(jù)提取、仿真過程監(jiān)控、仿真資源調度等功能。通過分布式異構仿真接口工具集，工程師可以輕松地搭建半自動化或自動化的仿真流程，提高流程式仿真業(yè)務的效率。同時，這個工具集還打通了Linux容器和Windows原生仿真任務運行環(huán)境，將各個仿真單元連接起來，實現(xiàn)任務的運行調度、并行計算和通信協(xié)作。此外，這個工具集具有接口協(xié)議標準化、接口開發(fā)敏捷化等特點，可以兼容各種不同的仿真軟件。目前，該工具集已經(jīng)支持包括NX、UG、Solidworks、Creo、ANSYS、Amesim、Matlab、Simcenter3D等在內的20多種商用軟件。
FMU仿真接口工具集可以幫助工程師便捷地實現(xiàn)復雜裝備基于FMU的多學科聯(lián)合仿真，并在聯(lián)合仿真的基礎上進行仿真設計優(yōu)化。這個工具集的計算模板主要包括四類組件：上游組件、下游組件、聯(lián)合仿真控制組件和FMU組件。這些組件之間的連接和數(shù)據(jù)交互關系保持一致。通過這些組件的組合使用，工程師可以實現(xiàn)基于FMU的聯(lián)合仿真，提高復雜裝備的設計效率和性能表現(xiàn)。
試驗設計算法工具集用于幫助工程師方便地進行單學科或多學科仿真的試驗設計。這個工具集支持配置主流的試驗設計方法，可以快速生成合理的試驗設計方案；支持對仿真軟件的執(zhí)行進度和試驗方案任務進程進行實時監(jiān)控。同時，工具集還提供了多種圖表來展示試驗結果，包括階梯折線圖、平行坐標圖、響應面等，可以實時展示結果；并支持對結果進行分析，包括響應、靈敏度、關聯(lián)性等多方面的分析。此外，試驗設計結果還可以存儲在數(shù)據(jù)庫中，方便工程師復用這些結果數(shù)據(jù)。
設計優(yōu)化算法工具集為工程師提供了多種優(yōu)化算法，包括局部優(yōu)化算法、全局優(yōu)化算法、啟發(fā)式優(yōu)化算法以及多目標優(yōu)化算法。這個工具集可以幫助工程師配置優(yōu)化問題，并調整優(yōu)化算法的超參數(shù)。同時，它還支持并行下發(fā)設計點，從而加快優(yōu)化過程。
模型降階算法工具集是一種通用的模型降階工具集，適用于多學科仿真模型。它可以創(chuàng)建降階模型，支持從多種學科數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，包括仿真數(shù)據(jù)和實驗數(shù)據(jù)。降階模型可以在保證精度的前提下大幅度降低計算耗時，快速獲取高精度預測結果。工具集提供插值擬合、經(jīng)驗分析、機器學習、深度學習4類模型降階算法。
雪浪云MetaD MDO軟件功能與應用
從業(yè)務層面來看，雪浪云MetaD MDO軟件還具備靈活開展仿真研發(fā)業(yè)務的能力。包括FMU聯(lián)合仿真、復雜仿真流程自動化、集成模型分析與設計優(yōu)化、模型標定等，幫助企業(yè)提高仿真資源利用率、設計優(yōu)化效率、人員協(xié)同效率以及仿真模型的置信度和完整性。通過靈活運用雪浪云MetaD MDO軟件的功能及功能組合，可以加速復雜裝備的研發(fā)設計過程，提升企業(yè)的創(chuàng)新能力和競爭力。
㈢立足優(yōu)勢，雪浪云MetaD MDO探索不同應用場景
雪浪云MetaD MDO軟件將云端部署、高效協(xié)同、便捷搭建、靈活擴展以及強大的模型降階算法完美融合，為復雜裝備研發(fā)設計帶來巨大的優(yōu)勢。從價值層面來看，雪浪云MetaD MDO軟件不僅打破了傳統(tǒng)研發(fā)模式的壁壘，提高了團隊協(xié)作效率，而且通過行業(yè)模板的復用、擴展與適配，實現(xiàn)了更快的產(chǎn)品優(yōu)化速度。雪浪云MetaD MDO軟件核心優(yōu)勢在于：
●云端部署協(xié)同高效：通過創(chuàng)新的混合流計算技術，雪浪云MetaD MDO實現(xiàn)了超級自動化的開發(fā)，將工業(yè)軟件遷移到云端。這使得數(shù)據(jù)能夠便捷地在云端進行流轉和同步，帶來了存儲、算力的提升與高效調度。這種云端部署的方式極大地提高了研發(fā)人員的協(xié)作效率。
●搭建便捷擴展靈活：雪浪云MetaD MDO采用了組件化、可擴展、可配置的混合建模及聯(lián)合計算框架，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)與模型之間的緊密關聯(lián)。用戶可以在平臺上積累自研的軟件工具、算法程序、仿真模型等，并將其轉化為新組件和新工具，用于靈活搭建各種仿真研發(fā)業(yè)務應用。
●模型降階算法強大：雪浪云MetaD MDO提供了強大的模型降階算法，支持基于深度學習算法來構建降階模型。這些算法具有更廣泛的適應性和更顯著的靈活性，使得計算速度和準確性遠遠高于傳統(tǒng)的代理模型、經(jīng)驗分解、機器學習等算法。
從應用場景來看，憑借卓越的產(chǎn)品優(yōu)勢和技術實力，雪浪云在探索基于MetaD MDO軟件的各種應用場景方面持續(xù)取得突破。這些應用場景不僅涵蓋了交通設備、工程機械、熱工機械和工藝設備等行業(yè)的FMU聯(lián)合仿真、復雜仿真流程自動化、設計優(yōu)化和模型標定，還進一步延伸到了更廣泛、更復雜的集成應用場景。
應用場景一：FMU聯(lián)合仿真
基于FMU的多學科仿真模型間的聯(lián)合仿真，是指將裝備的多個學科和領域的模型相互結合，形成一個完整的模型進行仿真分析和求解，以提高仿真模型的準確性和完整性。工程師可以采用MetaD MDO提供的FMU仿真接口工具，結合數(shù)據(jù)處理工具進行構建，實現(xiàn)單向和雙向形式下多個FMU模型的聯(lián)合仿真，幫助企業(yè)更好地模擬裝備的性能和運行情況。
基于MetaD MDO的FMU聯(lián)合仿真
應用場景二：復雜仿真流程自動化
高端裝備的仿真分析流程往往非常復雜，涉及多個學科的模型之間的數(shù)據(jù)交換和處理，需要使用多種不同的軟件工具來處理數(shù)據(jù)轉換和計算。工程師可以采用MetaD MDO軟件提供的一系列仿真接口工具、數(shù)據(jù)讀寫和數(shù)據(jù)處理功能，高效地構建和自動化運行復雜的仿真流程，提高企業(yè)仿真流程的效率和準確性。
基于MetaD MDO的復雜仿真流程自動化
應用場景三：設計優(yōu)化
仿真分析的最終目標是優(yōu)化設計參數(shù)，提升產(chǎn)品性能。在仿真分析過程中，可能涉及三維建模、模型數(shù)據(jù)提取、聯(lián)合仿真以及相互間數(shù)據(jù)處理與傳遞。利用MetaD MDO軟件提供的優(yōu)化算法工具，并結合仿真接口工具和數(shù)據(jù)處理工具來構建仿真模型，工程師可以實現(xiàn)設計參數(shù)的優(yōu)化，提升產(chǎn)品性能。
基于MetaD MDO的設計優(yōu)化
應用場景四：模型標定
模型精度對于仿真分析的可靠性至關重要。為了確保仿真結果的準確性，需要以物理實驗結果為依據(jù)，對仿真模型參數(shù)進行標定和修正。工程師可以運用MetaD MDO軟件提供的誤差計算和優(yōu)化算法工具，并結合仿真接口和數(shù)據(jù)處理工具，實現(xiàn)仿真模型精度的提升。
基于MetaD MDO的模型標定
這些應用場景僅僅是冰山一角。從已有的成功案例來看，基于雪浪云MetaD MDO的應用遍布于眾多領域，幫助裝備企業(yè)實現(xiàn)了高效的研發(fā)設計。例如，某企業(yè)借助MetaD MDO軟件實現(xiàn)柴油發(fā)動機四配套+DPF系統(tǒng)復雜仿真流程的自動化，可計算長時間、多工況下柴油發(fā)動機積碳累積值，整體仿真過程涉及磨損仿真、機油耗仿真、積碳仿真以及數(shù)據(jù)轉換計算，大幅縮短了仿真分析耗時；某企業(yè)采用MetaD MDO軟件進行軸向柱塞泵配流盤結構設計優(yōu)化，以柱塞泵輸出壓力脈動等為優(yōu)化目標優(yōu)化配流盤阻尼槽參數(shù)，從配流盤三維建模到過流曲線提取，再到多體+液壓聯(lián)合仿真分析，實現(xiàn)了跟隨三維建模到仿真分析，提升了設計優(yōu)化效率；某企業(yè)采用MetaD MDO軟件對燃氣輪機壓氣機流場仿真模型進行標定，以仿真結果與實驗結果誤差最小為優(yōu)化目標，對模型類型（如動靜交界面類型、流動模型類型等）、數(shù)值參數(shù)（如動靜交界面位置、人工粘性）進行修正，有效提升了該模型的精度。
基于MetaD MDO軟件實現(xiàn)柴油發(fā)動機四配套+DPF系統(tǒng)仿真流程自動化
基于MetaD MDO軟件實現(xiàn)軸向柱塞泵配流盤結構設計優(yōu)化
基于MetaD MDO軟件實現(xiàn)燃氣輪機壓氣機流場仿真模型標定
此外，面向飛機能熱系統(tǒng)的快速仿真分析與設計優(yōu)化，將業(yè)務流程、數(shù)據(jù)處理固化，開發(fā)定制仿真APP，用戶后續(xù)直接通過此APP進行快速仿真分析，無需打開仿真軟件或者平臺后面板操作，提升仿真分析與設計優(yōu)化效率。
總之，雪浪云MetaD MDO作為一款專業(yè)的仿真分析軟件，為復雜裝備研發(fā)企業(yè)提供了全面且卓越的支持。對于企業(yè)而言，無論是自動化仿真流程、模型參數(shù)標定、設計優(yōu)化等基礎應用，還是定制仿真APP、基于人工智能的模型降階等高級應用，雪浪云MetaD MDO都能滿足企業(yè)的多樣化需求。展望未來，雪浪云MetaD MDO將繼續(xù)引入更先進的技術和算法，持續(xù)提升多學科設計優(yōu)化的能力，為復雜裝備企業(yè)的研發(fā)和創(chuàng)新保駕護航。同時，雪浪云MetaD MDO也將繼續(xù)發(fā)揮其強大的功能和應用價值，實現(xiàn)更高效、更精準的仿真分析和優(yōu)化設計，推動復雜裝備企業(yè)的持續(xù)發(fā)展和創(chuàng)新。
