site logo На уровне высоких технологий
Smart Expert Platinum Partner NS Labs

SIMCENTER™ AMESIM

SIMCENTER™  AMESIM

Simcenter Amesim – интегрированная программная платформа компьютерного моделирования работы многодисциплинарных мехатронных систем. Simcenter Amesim обеспечивает анализ и оптимизацию функциональных характеристик разрабатываемых изделий с использованием их достоверных расчетных моделей. Изделие при этом рассматривается как комплекс систем, собранных вместе для обеспечения требуемой функциональности. Системы при этом могут быть как общеинженерными (гидравлические, электрические, механические, воздушные и др.), так и индустриально специализированными (шасси, трансмиссия, системы кондиционирования, системы двигателей (ДВС, ГТД, ЖРД, ТТД), редукторы, коробки передач, системы охлаждения, терморегулирования, жизнеобеспечения и др.).

Используемые в Simcenter Amesim подходы определяют поведение систем и известны как «1D» функциональное моделирование, где для построения расчетных (поведенческих) моделей не требуется 3D CAD геометрическое представление моделируемого изделия.  Расчетные модели сроятся с использованием поставляемых с Amesim библиотек агрегатов и компонентов всевозможных систем. Где каждый компонент представляется готовой индивидуальной расчетной моделью.

Расчетчик при этом рассматривает изделие как схему, описывающую соединение компонент друг с другом. Заменив компоненты логической схемы их индивидуальными расчетными моделями из библиотек Amesim, расчетчик получает расчетную модель изделия. Поскольку для построения такой модели не требуется ни 3D CAD геометрия компонентов, ни их чертежи, модели Amesim могут (и должны) использоваться в проектном процессе начиная с самых ранних этапов разработки изделий, с этапов концептуальной проработки и аван-проектов.

С помощью Simcenter Amesim реализуются передовые технологии разработки инновационных продуктов: SDPD (Systems Driven Product Development) и MBSE (Model Based Systems Engineering). Реализованные в Simcenter Amesim подходы к проектированию систем на базе моделей, позволяют специалистам, занятым проектированием и конструированием технических систем, осуществлять полный контроль разработки мехатронных систем начиная с этапа формирования функциональных требований к проектируемому изделию.

Благодаря наличию обширных библиотек, включающих в себя более 4500 валидированных моделей компонентов всевозможных систем, Simcenter Amesim позволяет избежать огромных затраты на полномасштабное моделирование. Специализированные методы моделирования позволяют работать с данными различной физической природы, содержащимися в каждой из подсистем. Чтобы с высокой точностью спрогнозировать многопараметрические характеристики системы инженеру достаточно определить связи между исследуемыми компонентами изделия.

Таким образом применение Simcenter Amesim позволяет определить оптимальные варианты конструкции уже на ранних стадиях цикла проектирования, до момента проведения дорогостоящих и продолжительных испытаний прототипа, и добиться соответствия характеристик готового изделия предъявляемым требованиям.

Принцип работы в Simcenter Amesim

Построение расчетных моделей, анализ и оптимизация работы систем в Simcenter Amesim

В зависимости от приобретаемой конфигурации, Пользователь получает доступ к определенному набору библиотек Amesim (список в правой части пользовательского интерфейса). В общем, доступны более 50 многодисциплинарных библиотек, включающих в себя более 4500 валидированных моделей компонентов всевозможных систем. Библиотеки в свою очередь подразделяются на общеинженерные (с решением задач динамики жидкости и газов, смесей газов, механики, теплообмена, электрики, энергетического баланса, управления и контроля, фазовых превращений и химических реакций и др) и индустриально специализированные (с решением специфических задач в разработке всевозможных летательных аппаратов, автомобилей, внедорожной, сельскохозяйственной, специальной техники, кораблей и судов, изделий станкостроения, тяжелого машиностроения, двигателей, энергетических установок и др.).

На видео ниже продемонстрирован простой пример где собирается электро-механическая схема, в электрической части состоящая из потребителя (лампа накаливания), выпрямителя, генератора переменного тока и в механической – груз на упруго-демпфированном подвесе, за счет колебания которого приводится в движение качалка (элемент кинематики), приводящая во вращение ротор генератора с соответствующей выработкой электрического тока.

Элементы схемы (компоненты) выбираются из соответствующих библиотек Amesim и соединяются в соответствии с определенной логикой. На базе индивидуальных расчетных моделей каждого из элементов Amesim автоматически строит суммарную расчетную модель изделия.

Результаты расчета могут быть представлены в различной форме. В данном примере в качестве результатов приводятся графики линейных и угловых перемещений механической системы, параметры тока до и после выпрямителя, напряжение на потребителе.

По умолчанию тип расчета в Amesim – динамический, т.е. анализируются все переходные процессы в моделируемом изделии. В общем случае – полный цикл работы изделия в сборе, начиная с подготовки к включению (запуску, старту…), моделирование работы (миссии, полетного задания, ездового цикла…), до выключения (останова, посадки…) изделия.

Пиктограмма      соответствует – в данном случае – элементарной системе управления (двухпозиционный выключатель). В общем в расчетной схеме может присутствовать сколь либо сложная система управления. Таким образом, выполняется анализ комплексных мехатронных изделий.

Пиктограммы    соответствуют температурным портам. Таким образом, динамика температур может быть проанализирована и учтена по всем компонентам и агрегатам изделия в процессе моделирования его работы. То есть, выполняется термодинамический анализ в общей постановке.

Amesim не накладывает каких-либо ограничений ни на число соединяемых в модели компонент, ни на типы систем, объединяемых в изделии. Для удобства Пользователей, компоненты, относящиеся к одной предметной области, имеют индивидуальный цвет. На рисунке ниже: Синим – гидравлика, зеленым – механика, фиолетовым – электрика, малиновым – воздушная система, красным – системы управления и контроля.

Многодисциплинарная модель изделия

Все компоненты в библиотеках Amesim полностью параметризованы. Т.е., для каждого из них Пользователь может определить индивидуальные («свои») значения параметров. Например – для груза – массу, для пружины – коэффициент упругости и т.д. Таким образом, Пользователь может создать базу данных «своих» компонентов (клапанов, двигателей, насосов…) и использовать ее в работе.

Поскольку каждый из компонентов полностью параметризован, эти параметры могут быть определены как проектные переменные в оптимизационном процессе. Встроенные в Amesim оптимизационные алгоритмы автоматически подберут такие значения проектных переменных (параметров компонент), которые обеспечивают выполнение Требований к функциональности изделия.

Совместная симуляция с 3D решениями

Дополнительные преимущества можно извлечь из возможности использования Amesim совместно с 3D решателями. В частности, Amesim позволяет импортировать данные о жесткостных и модальных характеристиках компонент из стандартных конечно-элементных пакетов. Также, могут быть организованы всевозможные сценарии ко-симуляции, где часть конструкции представлена моделью Amesim, а другая – 3D моделью (кинематической, газодинамической и др.).

Ниже представлен пример моделирования стойки шасси. В целях анализа усталостной долговечности, моделируется в 3D (кинематическое и конечно-элементное представление). При этом амортизатор стойки, во всех деталях его конструкции (камеры, поршни, клапана, переливные отверстия и т.д.) моделируется в Amesim. В ко-симуляционном (3D + 1D) решении моделируется дроп-тест стойки или посадка самолета, где 3D результаты (динамика напряжений) получаются с использованием 1D детального представления амортизатора.

Пример ко-симуляции с 3D MBS (Multi Body Simulation) решением

Создание собственных библиотек и компонентов

Amesim в условиях поставки предоставляет Пользователям максимально широкий из предлагаемых на рынке набор библиотек и компонентов для моделирования, анализа и оптимизации работы практически любой системы любого изделия.

Вместе с тем, по разным причинам, у Пользователей может возникнуть потребность в использовании моделей компонент, отсутствующих в списке Amesim. Для таких случаев может быть использован специальный модуль Ameset, поставляемый с Amesim. Это удобная в использовании графическая оболочка создания собственных компонент.

Пользователь в графическом диалоговом режиме описывает параметры создаваемого компонента (какие данные будут подаваться на вход и какие результаты будут выводиться), пикторгамму или картинку, которая будет соответствовать компоненту, определяет область использования.

После этого Ameset автоматически создает заготовку программы, описывающей расчетную модель создаваемого компонента (С или Fortran77). Объявляет описанные переменные, определяет связь создаваемого кода с общим Amesim. Комментариями при этом автоматически выделяется зона, где Пользователь должен ввести уравнения, связывающие входные и выходные параметры. После компиляции процедура создания собственного компонента завершается, и он появляется в одной из библиотек Amesim для дальнейшего использования.

Графическая среда создания собственных компонент в Amesim

Место Simcenter Amesim в процессе разработки изделия

Этап концептуальной проработки изделия

Поскольку для анализа работы изделия и его систем с помощью Amesim требуется только схема, Amesim должен применяться с самых ранних этапов разработки изделия. Этап концептуальной проработки, аван-проекта является абсолютно критическим для успешности разрабатываемого изделия. Именно на этом этапе принимаются принципиальные решения об архитектуре изделия, составу и типу входящих систем, привлекаемым поставщикам, оценивается реализуемость Проекта. Ошибки, допущенные на этом этапе, либо не могут быть в принципе исправлены в последствии, либо их исправление будет чрезвычайно дорогим. Как результат – удорожание Проекта, увеличение сроков разработки и неспособность в заданное время с заданным бюджетом выпустить изделие с требуемыми характеристиками.

Amesim на этом этапе обеспечивает создание интегрированной расчетной модели изделия «верхнего уровня», объединяющей все системы разрабатываемого изделия, быстрый сравнительный анализ альтернативных архитектур изделия, обоснованный выбор наиболее перспективной конструкции. При этом могут быть быстро проанализированы не одна – две альтернативные конструкции (что имеет место при «традиционном» проектировании), но десятки и сотни альтернатив.

Обеспечивается доказательный анализ реализуемости Проекта (выполнения Требований к разрабатываемому изделию за счет использования тех или иных конструктивных решений).

Определяются все связи и взаимовлияния систем друг на друга при работе изделия.

Расчетным образом определяются технические Требования ко всем входящим в изделие системам. Такие, что обеспечивают интеграцию систем, их совместную работу и выполнение Требований к изделию в сборе. Требования определяются варьированием (подбором) параметров компонентов модели верхнего уровня в Amesim, при которых обеспечивается требуемая работа изделия с точки зрения обеспечения выполнения требований общего технического Задания на изделие.

Полученные Требования к системам передаются (каскадируются) разработчикам систем в качестве технического Задания.

Модель изделия верхнего уровня, созданная на этом этапе, будет использоваться на протяжении всей разработки для периодического контроля решений каждого из разработчиков входящих систем.

Верхнеуровневое представление систем управления должно являться частью модели изделия верхнего уровня. Это важно и это обеспечит дальнейшую параллельную разработку систем (объектов управления) и систем управления (управляющих кодов).

Этап рабочего проектирования

На этих этапах Amesim обеспечивает разработку всех систем изделия и постоянный контроль интеграции (комплексирования) систем в изделии.

Каждая из систем изделия представляется в виде схемы, как комплекс соединяемых между собой агрегатов и элементов систем управления.

Здесь, уже на уровне систем, с помощью Amesim решается задача выбора оптимальных архитектур систем за счет сравнения их альтернативных вариантов.

Также, на уровне систем, определяются (каскадируются) Требования на входящие подсистемы и агрегаты, такие, что обеспечивается выполнение Требований к системам. Если агрегатов с требуемыми характеристиками нет на рынке, полученные с помощью Amesim Требования к ним передаются выбранным поставщикам для разработки.

Детальная разработка каждой из систем ведется не изолированно от других систем изделия. В любой момент времени (контрольные точки) руководитель Проекта имеет возможность проверить собираемость систем в составе изделия и их совместную работу. Для этого Amesim обеспечивает разработку систем на базе т.н. интерфейсных контрактов. «Интерфейсный контракт» – «черный ящик» представления той или иной системы в модели изделия верхнего уровня. Для каждой системы определены связи (порты обмена данными) системы с другими системами изделия. При соблюдении «интерфейсных контрактов», детальная модель любой системы «внутри черного ящика» автоматически стыкуема с моделями остальных систем в модели изделия верхнего уровня (см. выше).

Библиотеки Amesim в условиях поставки содержат практически все необходимые элементы для построения виртуальных (расчетных) моделей систем любого назначения, дисциплин и любой сложности. Таким образом, Amesim как правило достаточен и для разработки всех систем изделия, и для обеспечения их требуемой интеграции в составе изделия.

Например, в применении к конструкции самолета, обеспечивается разработка и комплексирование гидравлической, воздушной, топливной, электрической, механических систем; систем охлаждения, терморегулирования, кондиционирования, вентиляции, жизнеобеспечения; систем шасси, пожаротушения, антиобледенения; оптимизируется интеграция силовых установок, разработка всевозможных приводов, разработка и интеграция блоков систем управления и контроля и др.

В применении к автомобильной технике, обеспечивается разработка и интеграция двигателя, подвески, трансмиссии (включая коробку передач), рулевого управления, тормозной системы, систем активной помощи при движении, электрической, гидравлической, пневматической, механических систем, систем вентиляции и кондиционирования, охлаждения, терморегулирования и пр

Поддерживаемая Amesim многодисциплинарная параллельная разработка систем с учетом их взаимовлияния и взаимодействия чрезвычайно важна. В современных изделиях, как правило, системы на столько связаны друг с другом и работают совместно, что практически невозможно разрабатывать системы по «традиционному» принципу их декомпозиции.

Детальная разработка систем в Amesim ведется параллельно с разработкой кодов управляющих алгоритмов. За счет этого достигается оптимальное соответствие систем управления и контроля объектам управления. Системы управления могут моделироваться либо средствами Amesim с использованием специализированной библиотеки Control, либо с использованием стороннего ПО, например, Matlab Simulink.

Этап приемочных испытаний, сертификации, доводки изделия, калибровки и валидации элементов систем управления

При квалифицированном использовании, Amesim обеспечивает высокую достоверность расчетных моделей. Погрешность моделирования в пределах 3-5% позволяет говорить о виртуальных моделях Amesim как о цифровом аналоге разрабатываемого изделия. Соответственно, виртуальные модели Amesim и проводимые с их использованием виртуальные испытания часто используются лидирующими компаниями для принципиального снижения объема натурных испытаний при разработке, доводке и сертификации изделий.

Системы управления изделия, модели которых присутствовали в расчетных моделях Amesim начиная с этапа концептуальной проработки, к этому времени, с точки зрения алгоритмов, уже в значительной степени разработаны. Эти алгоритмы уже были виртуально опробованы и оптимизированы на этапах рабочего проектирования. Причем как в режиме «обычного» моделирования (MIL, Model-In-the-Loop), так и в режиме Real-Time. Amesim поддерживает обе эти технологии, включая стандартную возможность использования интегрированных Amesim/Matlab Real-Time моделей.

На данном этапе Amesim обеспечивает отработку систем управления с использованием технологий гибридных испытательных стендов (HIL, Hardware-In-the-Loop). Эти технологии позволяют создавать любые гибриды (виртуальная модель объекта управления и реальные (физические) контроллеры; любые комбинации физически и/или виртуально представленных элементов объектов управления и реальных/виртуальных контроллеров. Такого рода испытания выполняются с использованием компьютеров реального времени. Они позволяют опережающим образом провести валидацию алгоритмов и калибровку систем управления в отсутствии (полном или частичном) физического изделия.

Этап эксплуатации и модификации изделия

При эксплуатации изделия, его виртуальная модель (цифровой двойник) в Amesim позволяет объяснить возможные отказы и аномалии в работе изделия. Также, могут быть проанализированы последствия от изменения условий и/или режимов эксплуатации изделия по сравнению с теми, под которые изделие разрабатывалось.

В случае нештатной работы изделия, аварийных ситуаций, виртуальные модели Amesim могут использоваться для расследования причин аварий, в том числе в условиях ограниченности данных по ним (данные телеметрии, бортовых самописцев…).

Разработка агрегатов

В том случае, когда тот или иной агрегат необходимо разработать в соответствии с предъявляемыми Требованиями, разработчик агрегата может использовать Amesim для детального, на конструктивном уровне, моделирования и оптимизации его работы.

Для этого Amesim предлагает специализированные библиотеки моделирования всевозможных агрегатов. Не смотря на то, что для создания таких моделей, по-прежнему не требуются чертежи и 3D геометрические модели, эти библиотеки обеспечивают разработку расчетных моделей агрегатов на их детальном конструктивно-геометрическом уровне.

Simcenter Amesim – негласный промышленный стандарт в вопросе разработки систем

Amesim – уникальный продукт на рынке. Это подтверждается, в частности, его использованием практически в 100% программ разработки современной авиационной и автомобильной техники. То есть в наиболее инновационных отраслях, с наиболее сложными изделиями.

Пользователями Amesim в этих отраслях являются Airbus, Boeing, Lockheed Martin, Northrop Grumman, Alenia, Thales, Dassault Aviation, Agusta, Cessna, Eurocopter, Embraer, Bombardier, Sikorsky, Safran, United Technologies, NASA, EASA, EADS, CNES, KAI, COMAC, AVIC, Иркут, Туполев, Миль, Авиаагрегат, OPEL, Audi, Автоваз, Benteley, BMW, Chrysler, Dacia, DAF, Daimler, Daihatsu, Ducati, FAW, Ferrari, Fiat, Ford, GM, Honda, Hyundai, Isuzu, Iveco, КАМАЗ, Nissan, Porshe, PSA Peugeot Citroen, Renault, Saab, Suzuki, Tata, Toyota, Volvo, Yamaha  и др.

Наряду с этим, Amesim широко используется в судостроении, двигателестроении (включая газотурбинное и ракетное), энергетике, станкостроении, сельхозмашиностроении, транспортном машиностроении, при разработке внедорожной и специальной техники, а также при разработке агрегатов, используемых во всех перечисленных индустриях.

Более чем 30-и летнее применение Amesim в самых разных проектах обеспечило возможность длительной и всесторонней валидации поставляемых библиотек. Где каждый из компонент не только индивидуально валидирован по результатам натурных испытаний, но и обеспечена валидация на уровне объединения компонент в агрегаты и системы. За счет этого, Amesim обеспечивает беспрецедентную достоверность создаваемых с его помощью расчетных моделей.

Amesim в условиях поставки предоставляет готовый к использованию максимально широкий из предлагаемых на рынке набор библиотек и компонентов для моделирования, анализа и оптимизации работы практически любой системы любого изделия.

Обширность библиотек, охват дисциплин и приложений обусловлены значительными инвестициями, которые на 2018 год составили более 1250 ч/лет, вложенных в разработку. Причем в настоящее время ежегодно только в разработку вкладывается более 120 ч/лет.

Математический аппарат Amesim базируется на методе BondGraph, где реализуется расчет динамики поведения на базе энергобаланса между элементами модели замкнутой системы. Энергетический метод расчета позволяет в одной модели иметь различные физические представления распределения энергии (механической, гидравлической, тепловой и т.д.) между элементами и иметь гарантии корректности его расчета как в каждом элементе, так и во всей модели изделия.

Amesim обеспечивает действительную многодисциплинарность создаваемых расчетных моделей, без ограничения на комбинации типов взаимодействующих систем и их сложности.

Amesim по умолчанию анализирует работу изделия в полной нелинейной термодинамической постановке. Анализируются переходные процессы, часто представляющие основной интерес в энергоэффективности, топливной экономичности и улучшении эксплуатационных характеристик изделия.

Надежные интеллектуальные решатели обеспечивают устойчивое и быстрое решение даже в условиях высокодинамичных процессов, пульсаций, гидроударов, в том числе локальных и распределенных.

Обеспечивается «бесшовная» ко-симуляция 1D решения Amesim с основными 3D решателями.

В составе моделей Amesim обеспечивается свободное использование моделей систем управления Matlab Simulink.

Amesim является единственным продуктом на рынке, для которого имеются доказательные подтверждения создания цифрового двойника самолета в сборе (с комплексированием всех систем) и автомобиля в сборе, со всеми входящими агрегатами.

Разработчики Amesim, с самого начала его разработки, обеспечили тесное сотрудничество с ведущими мировыми отраслевыми институтами. Многие компоненты и даже целые библиотеки, поставляемые с Amesim, – результат такого рода сотрудничества.

Обеспечивается прямая интеграция платформы Simcenter Amesim в PLM среду предприятия, управление моделями, версиями и данными, в том числе посредством стандартных PDM систем. Инструменты интеграции с Temcenter в настоящее время поставляются как коробочный продукт.

Обеспечивается многоуровневое, начиная с модели верхнего уровня «изделие в сборе» автоматическое ведение дерева проекта. То есть инструмент, позволяющий описать общую архитектуру изделия и организовать его распределенную разработку, включая автоматическую сборку интегрированной расчетной модели изделия, состоящей из множества систем, подсистем и агрегатов, разрабатываемых разными специалистами, на разных компьютерах, возможно разными организациями.