在实时环境中对多体系统进行模拟一直是机械系统建模的目标，尤其是在“硬件在环”“驾驶员在环”(DIL)以及虚拟(HUL)样机领域，Simpack在其中发挥了重要作用，通过引入多项关键技术，使得实时多体动力学在复杂系统中的应用成为可能。

 

 

 

首次实时使用Simpack的体验--分析师视角

我仍然清晰地记得第一次体验我们实时模拟技术的情景。那是在2012年前后，我正在参与一个客户项目，涉及一个带有类似Paceika的轮胎实现的车辆模型，以满足特定的要求。经过数周的完善每个子系统，并将轮胎方程式编码为Simpack用户例程，我终于对结果感到满意。

 

由于客户使用了驾驶模拟器，而我们刚推出新一代的实时技术，我们同意在基本的桌面模拟器上展示车辆模型我们搭建了一个简单的测试装置:一个游戏风格的转向盘和踏板，具备扭矩反馈功能，运行在经改装以进行实时操作的Windows笔记本电脑上。

 

接着到了关键时刻。我加载了模型，坐(在一张办公椅上)下来，然后转动方向盘。经过无数小时的调整方程和分析二维图表，当感受到汽车对我的输入做出反应时，一切都发生了改变。随着我加速、刹车和转向，每一个反应都反映了我所构建的物理原理。我的工作有了生命--它不再只是数字，而是能以实体形式实时与我互动。我正在体验我的模型。这一经历深深触动了我，以至于我本能地拍了一张照片--不是拍设备本身，而是拍它所代表的意义:这是我第一次在实时环境中驾驶我自己的多体模型。就是这个。

 

 

第一次驾驶自己的多体模型实时行驶的图像。

 

Simpack实时多体动力学

如果说Simpack“发明”了实时多体动力学，这并不符合事实，但事实上，该软件是首个在工业层面实现这一技术的软件，并且Simpack通过关键创新引领了这一领域的发展。

 

在4月发表的一篇SIMULIA博客文章中，我讨论了使Simpack的技术独具特色之处，特别是它如何推导运动方程。我描述的一个关键优势是Simpack的相对坐标方法，这种方法自然地导出了一个在数值上高效且稳定的模型，使其天生适合用于实时模拟应用。

 

这一优势源于Simpack倾向于生成常微分方程(ODE)，而非由绝对坐标公式化通常产生的更复杂的差分-代数方程(DAE)。

 

实际上，DAES源自经典的“绝对坐标”表述方法，而问题在于，求解这些方程会增加计算复杂度。这类DAES会导致更高的求解开销，并降低数值稳定性，对于需要确定性和快速执行的实时应用而言，这些都是问题。

 

相反，Simpack的相对坐标公式利用树状拓扑结构来定义物体相对于其父体的运动。因此，其运动方程主要是微分方程，这些方程更易于数值求解，且对于实时模拟中常用的显式或半隐式积分方法，具有更好的性能特性。

 

Simpack确实支持在需要时创建基于DAE的模但其独特的公式还允许生成纯粹的ODE模型，型这是许多其他多体仿真技术无法实现的。

 

基于ODE的系统在实时应用中的优势包括：

l每次积分步骤的计算负载较低

l无需约束稳定化

l改进的数值条件

l更简单的求解器结构，更适合硬件在环(HiL)环境中常用的固定步长求解器。

 

Simpack代码导出|早期应用

因为Simpack的求解器技术非常适合实时应用，在驾驶模拟器上运行Simpack始终是一种可能性。我们从2001年开始推广这项技术。当时，我们的技术被命名为“CodeExport”，如图中来自我们旧网站的内容所示。

 

Code Export是我们第一代实时技术，基于代码导出生成。通过这种方式，多体模型被进行符号化预处理，并编译成针对特定目标的C代码，这些代码可以部署在专用的实时平台上。该方法确保了极高的执行速度和确定性，但需要一套独立的代码生成工作流程，这增加了集成的复杂性并降低了灵活性。

 

 

 

Simpack 实时|我们现代的实时多体仿真方法

Simpack Code Export 在现场应用了大约十年，这让我们深刻理解了与实时应用相关的诸多挑战。一个关键的收获是，“仅仅”生成实时代码不足以满足客户的需求。

 

第二代产品于2013年前后推出，这标志着一个重大转变。与需要专用硬件和操作系统的代码导出方法不同，SimpackRealtime的设计理念是在标准的实时兼容Linux平台上运行标准的Simpack安装程序。这得益于新的SimpackRealtime求解器技术，该技术包括“智能并行化”，并结合了实时Linux内核、内存锁定和确定性调度方面的进步。

 

在实时运行完整的“现成”多体求解器的想法在行业中是一个全新的概念。

 

那么是什么让Simpack Realtime具有开创性?

它速度快，灵活，专为现代工程工作流程而设计。它允许在Simpack环境中直接进行多体模拟模型的实时运行无需进行冗长的代码生成或繁琐的编译步骤-一只需加载模型并点击运行即可。我们称之为直接实时。

 

我们的直接实时方法始终为用户带来了显著的价值。通过不受限制地利用Simpack求解器的全部功能，工程师可以在其实时模拟器上运行模型，而不会牺牲模型的精确度或性能。

这种方法的另一个关键优势是，模型简化和求解器调整不再是必要的。

 

 

 

这种灵活性的一个有力例子是，Simpack Realtime 可以通过使用 Simpack FMU 导入功能无缝地导入功能性模拟单元(FMUS)，从而与软件在环(SIL)结合使用。这意味着您可以集成第三方组件，如动力转向或电池管理模块，同时仍能实现可靠的实时性能(实际上，您必须确保这些第三方组件具有实时兼容性)

 

除此之外，您还可以在不同运行之间轻松修改Simpack模型参数对于某些参数，甚至在实时模拟运行过程中也能进行即时调整这使得迭代和交互式测试能够比以往更加快速。

 

正如我们的一个客户所说，“我们真的很喜欢你们的工作流程，因为它很透明”

 

例如，在汽车行业，工程师们一直依赖查找表来在实时模拟中近似计算悬架运动学--这种方法虽然有效，但引入了一些中间数据处理步骤。借助SimpackRealtime，这些近似计算变得过时了。现在，您可以运行完全详细的悬架模型，包括动态衬套元件，并且是在实时条件下进行的，从而消除了对预先计算数据的依赖，并实现了更精确、基于物理的模拟--且无需任何妥协。多年来，我们还确保第三方轮胎模型的集成与所有主要轮胎模型的实时执行完全兼容。

 

已经证明，Simpack Realtime可以无缝地与包含柔性体的模型配合使用。这里有一篇由我们的客户之一发表的论文:《利用实时多体仿真进行驾驶动力学开发》。

 

根据我的经验，灵活的体集成显著提升了驾驶模拟器的驾驶体验。

 

值得注意的是，除了汽车行业，SimpackRealtime还被广泛运用于各种不同的行业，包括铁路、风能、传动系统、建筑甚至消费品领域。例如，您可以观看这场网络研讨会，探讨SimpackRealtime在风力涡轮机中的应用。

 

如今，Simpack Realtime允许您在多种硬件配置上部署相同的模型，无缝覆盖实时开发过程的每个阶段，从在桌面模拟器或实时硬件上的早期独立运行，到在高性能运动平台上的全面部署。如果标准平台不够用，客户甚至可以自行编写自定义通信层。

 

不仅如此，通过集成的实时动画功能，您可以直观地看到模拟运行的过程。

 

我们希望这篇帖子能揭示 Simpack为何已成为高性能实时模拟领域的值得信赖的领导者，它赋予工程师们探索极限的能力。但这只是故事的一部分，创新是我们所做一切的核心，我们对未来充满期待。

 

敬请期待--我们将在未来的博客文章中分享更多令人兴奋的发展。你准备好实时多体动力学模拟了吗?