1.2 Обзор программных комплексов для решения задач динамики движения

Ко второй группе программ можно отнести комплексы для решения задач управления и динамики движения. Природа этих задач определяет необходимость использования разнородной информации о проектируемом объекте, которая обычно распределена по различным подразделениям проектной организации, а потому программы этой группы плохо совмещаются с техпроцессами проектирования, что затрудняет их внедрение [25].

Для разработки отдельных узлов уже довольно часто применяются модели динамики всей конструкции. Например, при разработке подвески легкового автомобиля используются упрощенные модели управляемости всего автомобиля. Но упрощенные модели не позволяют получать полной информации о поведении разрабатываемого узла в составе машины. Поэтому погрешности проектирования проявляются только на этапе испытания опытных образцов.

Использование комплексных моделей динамики машин показывает существенные отличия в восприятии их разработчиком от привычных средств расчетной поддержки проектирования [25].

Во-первых, такие модели не аккумулируют большое количество разнородных исходных данных, возникает проблема удобного представления и манипулирования ими. Это предъявляет повышенные требования к дружелюбности интерфейса пользователя, но проблема сложности обращения с моделью остается, поэтому используются упрощенные параметризованные модели.

Эта проблема носит фундаментальный характер и объективно вызвана естественными ограничениями по объему информационного потока, которым человек может обмениваться с компьютером. Возможны два направления решения такой проблемы – создание стендов-имитаторов или автоматизация виртуальных испытаний [7, 32, 106].

Во-вторых, при эксплуатации сложных расчетных систем традиционные подходы расчета динамики реализуют методологию численного эксперимента, в которой методы обработки и представления результатов натурных испытаний с незначительными дополнениями переносятся на компьютерную модель, причем теряется значительное количество информации.

В связи с широким распространением программ динамики появилась устойчивая англоязычная терминология для обозначения таких комплексов – MBS-системы (MultiBody System Dynamics). MBS-программы решают задачи с учетом геометрической нелинейности движения тел в наиболее общей постановке, в отличие от FEM-комплексов, использующих метод конечных элементов (Finite Element Method) и неспособных к столь точному учету нелинейности.

Наиболее известный MBS-комплекс – ADAMS (Automated Dynamics Analysis of the Mechanical Systems) [86, 102], занимающий позицию флагмана в области моделирования и обмена данными по динамическим моделям. Имеется большое количество примеров использования этого комплекса для расчета динамики автомобилей, например [71]. ADAMS генерирует дифференциально-алгебраические уравнения, описывающие динамику заданной механической системы, которые решаются численными методами [82].

Наряду с программами, использующими точные уравнения пространственного движения связанно системы тел, существуют программы, реализующие некоторые приближенные уравнения, выведенные вручную и справедливые для некоторой расчетной схемы. Такой программой является The constant velocity Yaw/Roll program [72], созданной для исследования устойчивости и управляемости обобщенного многозвенного автопоезда.

Еще одной программой расчетов динамики автомобиля является AUTOSIM [97]. Первоначально разрабатываемая для генерации уравнений движения моделей автомобилей, программа дополнилась большим набором элементов конструирования моделей, преобразившись в программу многотельного моделирования общего назначения. Генератор уравнений движения в AUTOSIM использует специальную процедуру оптимизации для получения эффективного программного кода решения уравнений, основанной на знании особенностей поведения динамической системы, позволяющей исключить степени свободы модели с незначительным влиянием. Коммерческая версия AUTOSIM представлена линейкой программ CarSim, TruckSim, BikeSim [103], являющихся специализированными программами анализа динамики колесных транспортных средств.

Существующие отечественные MBS-программы также включают некоторые средства моделирования динамики транспортных средств. К ним относят “Универсальный механизм” [63, 77], “Эйлер” [100], ФРУНД [27].

Все описанные выше программы являются достаточно сложными, и поэтому наряду с универсальными комплексами развиваются упрощенные программы, выполненные как специализированные расширения программ блочного моделирования, например SimDriveline, разработанная на базе программы моделирования Simulink [109].

Таким образом, расчетные модели, основанные на точном представлении уравнений движения элементов конструкции как механической системы, находят в настоящее время достаточно широкое применение и позволяют расширить содержательность динамических моделей.