基于多学科主模型技术的综合化电子设备多学科建模方法

摘要

本发明提供了一种基于多学科主模型技术的综合化电子设备多学科优化建模方法，包括：对电子设备学科分析模型及多学科分析模型的三组元模型定义；对电子设备主模型(Master Model，MM)涵盖内容的界定，提供电子产品多学科主模型描述；根据主模型派生各学科应用模型需求，对多学科主模型(Multidisciplinary Master Model，MMM)的概念定义和特点进行归纳；确定了基于设计规则的MMM多学科建模方法。本发明弥补了电子行业多学科设计无法明确模型需求、数据库需求和数据接口需求的理论缺陷，对电子产品优化设计平台集成建模提供了有效途径和方法指导。

说明书

技术领域

本发明关于涉及传热学、力学和电磁学科等多学科综合电子行业设备设计模 型建立技术，尤其是适用于研制、开发综合化航空电子设备产品的通用设计平 台的建模方法。

背景技术

随着科学技术的迅猛发展，航空电子设备已进入综合化航空电子设备研制 阶段。近十年来，航空电子设备综合化的研究已取得了明显的进展，并在各种 新型机种上得到了应用。综合化航空电子设备所处环境恶劣，电磁兼容性要求 高。由于电子行业模块化综合化电子设备结构形式上的高度集成化、电路设计 和工艺上的高密度立体组装等多种技术运用，系统中热、振动、电磁兼容设计 等学科交叉影响，甚至藕合作用带来的多学科矛盾问题日益突出。开展电子设 备多学科综合优化设计技术研究引起业内人士的广泛关注。

建立良好的学科设计模型是开展学科设计任务的前提，况且涉及综合化电 子设备的多学科设计将面临的建模复杂、涉及模型种类多、模型间数据传递驱 动困难。传统的电子设备设计过程，通常是从各学科自身需求出发建模，这种 建模方法可能会导致设计对象的同一属性，在不同的学科中存在较大差异，尤 其是在分析模型求解过程中，扮演完全不同的地位，并形成潜在的指标优化方 向、模型描述不一致导致信息传输冲突和可操作性难度大等问题；在进行多学 科优化时，这种基于各学科需求建立的模型，由于采用的各学科分析软件核心 构成和模型求解器(算法)不同，各学科模型间数据传递和模型数据一致性问 题将形成技术障碍；其中，采用的异构平台和数据库软件间不同格式间数据传 递通信，由于必须定制点对点信息传递和识别接口软件，当异构软件数量增多、 数据交换较多时，接口软件设计十分复杂，而且由于平台软件的升级也会导致 接口软件的重新定义、重新设计。

如何开展电子设备多学科优化设计，从技术上迫切需要一种简单可行的途 径来描述产品的结构属性，并实现同数据、规则知识库等信息的关联，实现各 个学科分析模型、多学科综合问题描述和求解中信息驱动交换与同步，既是电 子设备多学科优化设计平台开发的基础，也是开展电子设备多学科优化设计的 技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提出一种具有理论指 导性、可操作性强，各学科模型间数据传递和模型数据一致性好的建模方法， 以解决综合化电子设备多学科优化设计面临的建模要求复杂、涉及模型种类多、 模型间数据传递驱动困难等问题。

为了实现本发明的上述目的，本发明提供的一种基于多学科主模型技术的 综合化电子设备建模方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)采用“结构-行为-功能”的三组元模型描述产品学科模型，确定学 科的结构、行为和功能要素，定制通用产品功能组成构件的设计结构参数并定 义生成模型重构驱动规则；将各学科模型结构参数与功能的关联关系及学科模 型重构驱动规则一道确定为构件设计规则，建立相关学科构件规则库模型；

(2)依据综合电子设备构件组成和学科功能组成需求，关联构件规则库与 数据库，输入驱动主参数和数据特性参数驱动已有构件设计规则，确定装配约 束关系和环境条件边界定义，数据库与各规则库构件关联、驱动约束，有序排 列各构件，构建为各学科提供几何和非几何部分结构信息的多学科的主模型 (Master Model，MM)，利用主模型派生出各学科分析模型；

(3)据多学科设计问题确定学科间模型耦合关系，定义设计参数、设计目 标和约束条件完成综合多学科模型建立。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

产品的主模型技术正是基于上述需求而产生的，利用主模型(Master Model，MM)可以派生出各应用模块所需的应用模型，模型的统一利用主模型的 技术实现，主模型和各应用模型间的信息共享和交换得到大大改善，接口软件 相对固定和单一。

首先本发明所建立的三组元描述模型能避免不同电子设备学科在设计参 数、求解过程和性能判定中的不同带来的描述复杂性缺陷，便于进行学科耦合 问题描述和分层次定义。其次所建立的学科三组元模型，可实现等效简化问题 描述定义生成模型重构驱动规则，便于设计经验和知识积累；再其次是通过关 联数据库和设计规则，定义约束关系和环境条件边界驱动生成产品模型和分析 模型的方式便于统一规范电子产品设计流程，为产品优化设计平台开放奠定良 好的基础；最后本发明提供的学科间结构、功能的耦合关系定义和数据流定义， 满足了实际工程应用中电子设备多学科问题多样性需求。

附图说明

下面结合附图和实施进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述 的实例范围之中。

图1显示的电子设备学科问题的三组元描述模型。

图2显示的典型电子设备多学科综合模型组成示意图。

图3显示的是基于设计规则的多学科综合优化模型(MMM)设计流程。

图4显示的是某模块简化模型示意图。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施步骤作进一步的详细说明。

参阅图1。根据本发明，三组元模型是采用“结构-行为-功能”描述的 学科模型。其中结构作为设计和分析对象电子设备产品的物理属性或特征描述， 在电子设备产品优化设计过程中表现为电子设备产品的相关设计变量；行为是 对设计对象电子设备产品功能进行分析、计算过程；功能是设计对象在特定条 件下表现的性能、能力。依据学科三组元模型的定义及描述，在面临学科问题 设计时，通过确定结构、行为和功能要素，直接利用现有商用成熟软件，可以 确定各自学科三组元模型定量关系。在面临电子设备多学科综合优化设计时， 各学科的三组元模型之间必然存在一定的关联或耦合关系：结构-结构耦合， 结构-功能耦合，功能-功能耦合三类。结构-结构耦合通过设计变量共享， 通过各学科模型共同设计变量驱动各个学科模型实现学科功能变化；结构-功 能耦合，如一个学科模型的功能指标作为另一个学科模型的功能参数，可以通 过定制学科信息的传递、提取和识别规则方法进行解决；功能-功能耦合需要 确定各个学科功能指标对综合优化目标的影响定性、定量关系，即参数解耦技 术研究进行解决。可以利用三组元模型描述产品学科模型，确定结构、行为和 功能要素；以学科分析三组元模型描述需求，定制通用产品功能组成构件的设 计参数(结构)，由相关参数绘制(或描述)图形(或学科模型)，并将参数和 功能的关联关系确定为构件设计规则；通过驱动已有构件设计规则，确定装配 约束关系和环境条件边界定义，数据库与各规则库构件关联、驱动约束实现各 学科产品模型和分析模型建立。产品各组成构件基于特征装配树的形式进行管 理；根据学科间结构、功能耦合关系，确定综合模型数据及数据流，完成综合 多学科模型建立。

参阅图2。通常一个综合化电子设备的多学科综合优化模型由主模型、多个 学科分析模型及综合优化模型组成。其中：主模型是以软件为中心的一个中央 数据库，包括支持各学科生成学科分析模型所将会用到的各类结构信息(几何 和非几何部分)、工程环境数据库、材料数据库、产品实体模型(网格模型)等 等。该主模型具备：作为电子产品各学科三组元模型中结构提供数据的唯一出 处，也作为驱动学科模型行为进行学科模型功能评判活动的源头点，一方面保 证信息充分，另一方面又消除“数据冗余”，即信息完整性；主模型将不同学科 对应模型串联起来，各个学科所需的模型只由主模型通过信息传递驱动派生， 所需的数据或参数定义只由主模型传递和提供解释，可以避免产品数据或参数 的冗余和不一致，即数据协调一致性；任何学科模型的任何独立行为导致的结 构变化都能有效的反映在主模型中，并通过主模型驱动传递给关联学科模型， 实现不同学科间的数据自由交换，也就是各学科模型间的数据应具有双向驱动 相关性，即数据相关性等几个特点。

学科分析模型，通过输入构件驱动主参数、确定产品组成构件关联关系， 驱动主模型中的相关数据库(材料数据库、构件规则库等)、几何模型等模型结 构信息，生成学科分析模型；不同的学科分析模型经过直接调用模型求解器， 仿真计算可以得到各学科功能指标。如热学科模型求解得到产品温度场分布、 力学科模型求解得到模态分布、应力场分布等等。

综合优化模型，完成综合化电子设备多学科问题描述，通过定义设计参数、 设计目标和约束条件优化问题三要素，通过定制数据流程、求解顺序等完成问 题迭代计算，实现优化目标。

参阅图3。电子设备产品从本质上讲由若干零部件、器件根据一定的规则关 系组组合而成。电子产品设计过程包括：零部件组成确定、零部件装配关系确 定、结构形式确定、参数确定并由参数绘制图形(模型建立)、相关数据库关联 和软件调用实现各学科分析模型产生等子过程。要实现综合化电子设备个学科 优化模型的建立主要包括两个方面：(1)构件规则库的建立维护，(2)针对具体产 品的组成构件分析及调用规则库。

规则库是利用基于设计规则的多学科综合建模的基础，根据典型代表性产 品的组成构件，结合学科三组元模型中结构、行为和功能要素确定，将各构件 描述分为：构件描述和构件装配关系描述。其中构件描述侧重完成构件几何描 述，如长宽高、沟槽位置等，材料描述，如铜、铝、钢等表示，学科简化描述， 如散热齿的等效热阻模型、风机的风阻特性模型等。构件装配关系描述完成产 品组成构件间位置定义，如面对齐、线对齐、构件对称等等，物理连接定义， 如构件间螺钉连接、焊接、粘接等，学科特性连接，如构件结合面间的接触热 阻特性、构件结合间的电磁导电特性等等。针对每个典型构件的上述两种描述， 通过开发软件实现相关描述的管理，纳入规则库管理。

构件规则库的驱动和调用是实现多学科综合建模的具体操作，通过明确产 品部件、器件和零件等组成，根据学科功能需求关联组成构件与主模型中相关 数据库，输入各构件的设计规则的驱动主参数，如构件长宽高、构件间相互位 置关系参数等，和数据特性参数，如材料比热、密度、导热率，器件功耗等等， 纳入主模型管理。按照构件规则库定义的装配约束关系，保证组成构件按有序 排列，构件面对齐、线对齐、面平行、对称布置、矩阵排列等等，生成产品CAD 模型；通过直接输入数值或调用主模型中环境适应性要求等方式确定环境条件 边界。将CAD模型同主模型中的物性数据库、边界条件数据库等通过软件关联 和加载，既可生成各学科模型，实现学科功能指标的优化设计。

上述步骤可用以下图4实例来进行进一步的说明：

参阅图4。某信号处理模块，其围框外形接口尺寸为标准插拔模块尺寸，材 料为硬铝，采用精铣加工工艺生产。内部固定安装一PCB，材料为FR4，采用4 颗螺钉实现同围框的连接。PCB板上安装有4个较大质量的元器件，同时该4个 器件为功率器件，其功耗不同。运用本发明方法建模过程如下：

首先该信号处理模块上A、B、C、D器件在印制板上的布局位置尺寸(X、Y) 将作为热学科的结构，影响模块中的热布局和各器件的具体温度。同时作为力 学科的结构，直接影响模块中PCB的模态分布。该多学科问题属于结构-结构 耦合问题。

其次该模块的构件主要包括围框、印制板、4个器件和4个螺钉组成，各个 构件需关联数据库中的热属性(比热、导热率、功耗、接触热阻)、力学属性(刚 度、强度、泊松比)等。建模时输入框体长宽高、器件位置X和Y、器件材料和 功耗参数

第三设定器件与PCB间的接触关系、PCB与框体间的接触关系，螺钉同PCB、 框体的连接关系。定义装配顺序。定义热传导边界和模态测试约束边界。

最后根据两学科模型为结构-结构耦合问题，采用设计变量(器件A、B、 C、D在印制板上的布局位置尺寸)共享途径实现问题求解。定义器件位置参数 和PCB厚度为设计参数，器件最高温度或PCB一阶模态频率满足相关值作为设 计目标，器件位置参数不干涉、器件最高温度或PCB一阶模态频率满足相关值 作为约束条件完成模型建立。