1绪论
【本章摘要】本章主要介绍课题的研究背景、研究意义，综述当前国内外的研究现状，给出本文的研究内容和组织结构。
1.1引言
现代装备大多是复杂的多学科祸合作用系统，其设计和制造涉及机械、电子、液压、土木、控制等多个领域，其作业环境也十分复杂且多变，装备受应力场、温度场、电磁场、渗流场等多场祸合作用。典型的复杂装备如本文研究的应用对象一一盾构装备，由七大系统组成，包括刀盘刀具系统、螺旋输送机与密封舱系统、盾壳系统、推进系统、管片拼装系统、导向纠偏系统、后配套系统等，且其尺度巨大，其长度可达400米、断面直径可达18米，工作条件为复杂多变的地下环境，十分恶劣。
多学科祸合作用的特点决定了复杂装备设计研发需要漫长的周期和巨大的成本，采用虚拟样机技术可以减少物理样机制作次数，大大缩短开发周期和降低开发成本。由于装备的复杂性，对单一学科的仿真验证无法准确地反映真实的系统作用机理，设计中往往需要对其多学科仿真进行集成，得到性能的综合评价。例如对于刀盘的开口率，其性能评价涉及掘进能耗、掘进效率和支护力要求，优化设计时这三个因素必须同时综合考虑。
多学科仿真要实现集成，需要解决的关键问题是多学科仿真模型的统一(包括模型数据的集成和载荷与边界条件的传递)以及仿真行为的同步。因此，研究复杂装备多学科仿真模型和行为同步方法，开发多学科集成平台，对装备多学科的综合性能进行仿真验证，可以提高产品设计效率，降低开发成本，对复杂装备的设计制造具有重要意义。
1.2研究现状
1.2.1多学科模型表达和参数映射方法
复杂装备的仿真涉及多个学科、多个子系统，不同学科和系统的分析仿真之间存在错综复杂的祸合关系，多学科模型的构建、载荷和边界条件的设置十分复杂。
在目前的CAD软件中模型存储的形式一般基于结构特征的模型树，主要是为了表达模型的形状边界和装配约束信息，而没有考虑到模型结构会对CA〔产生的怎样影响;而CA〔软件中，存储的和当前学科仿真模型相关的信息，例如在运动学/动力学分析软件中，模型信息按照运动约束树和载荷和边界条件树存储，运动约束和CAD中的装配约束无法很好地实现关联和转化(在常规的ADAMS分析中，运动约束都需要手动添加)，在有限元分析中，模型信息主要存储零部件的有限元网格和载荷、边界条件，而这里的网格和CAD中的模型形状边界又有很大的不同;在仿真可视化应用中，为了提高绘制的实时性，模型主要按空间位置进行存储，模型信息包含网格和属性，这里的网格又和CA〔网格有很大的不同。这几种模型描述形式都只面向单一应用，无法完整地描述适合多学科仿真集成及可视化的模型信息。
关于多学科的仿真模型的表达和管理，已有学者进行了研究【1-31。特别地，刘科研【”，提出一种改进的面向对象的模型表示方法，在这种方法中，模型可以表示成一个四元组的形式:{ M_Id, M_ Attribute, M_ Operation, M一 Constrain },同时给出了扩展的组合模型表示方法。
邸彦强、李伯虎、柴旭东、王鹏等【41针对面向多学科虚拟样机开发的协同建模与仿真平台，建立了其系统体系结构和技术体系结构，提出了该平台解决多学科虚拟样机协同建模与仿真问题中的4项关键技术，包括:①面向模型的多领域协同仿真技术;②基于系统工程理论和组件技术的建模技术;③网格技术和微软自动化技术;④采用可扩展标记语言和产品生命周期管理系统的集成技术，给出了一种符合并行工程思想的基于该平台的虚拟样机开发过程模型，最后简要介绍了该平台在船舶领域的一个应用范例，以及在航天、船舶和卫星等领域的初步实践，表明该平台能有效支持虚拟样机工程。
王成恩、马明旭、黄章俊等‘”，针对复杂产品研制需求，采用集合概念建立了多学科祸合关系的概念模型。然后，采用面向对象方法实现了揭合多学科设计模型(系统)的参数辨识和表达，并且通过文件解析方法自动关联多学科模型求解器(设计系统)间的输入输出参数。此参数映射方法在参数层次上控制多学科设计数据生成、获取、转换、存储和计算过程，实现了多学科异构数据源互操作，可以支持祸合学科模型求解器集成，并且支持多学科计算进程的协同调度，应用于航空装备研制，显著提高了设计效率和设计质量。
参考文献
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致谢 4-5
摘要 5-7
ABSTRACT 7-8
目录 9-12
1 绪论 12-20
1.1 引言 12-13
1.2 研究现状 13-18
1.2.1 多学科模型表达和参数映射方法 13-14
1.2.2 异构CAE软件的接口技术 14-15
1.2.3 非匹配网格的参数传递方法 15-17
1.2.4 多学科仿真行为的同步方法和平台开发技术 17-18
1.3 研究内容及意义 18-19
1.4 本章小结 19-20
2 基于层信息关联的复杂装备多学科仿真模型集成 20-46
2.1 引言 20
2.2 复杂装备仿真模型构建的主要难题 20-21
2.3 多学科仿真模型的分层信息描述 21-34
2.3.1 分层模型及层的分类 21-23
2.3.2 分层信息描述 23-32
2.3.3 层信息关联 32-34
2.4 盾构机分层模型的构建 34-42
2.4.1 实体层构建 35-38
2.4.2 特征元素层、装配约束层和运动约束层构建 38-40
2.4.3 学科分析层构建 40-42
2.5 盾构多学科仿真模型集成实例 42-44
2.6 本章小结 44-46
3 基于紧支径向基函数的非匹配网格载荷传递 46-68
3.1 引言 46
3.2 刀盘和土体的耦合分析步骤 46-47
3.3 基于界面单元法的载荷参数传递 47-51
3.4 基于紧支径向基函数的网格参数插值 51-55
3.4.1 径向基函数 51-52
3.4.2 基于拓扑的紧支径向基函数改进 52-55
3.5 土体和刀盘耦合作用过程分析实例 55-67
3.5.1 分析步骤 55
3.5.2 土体网格分析结果的提取 55-59
3.5.3 基函数的构造 59-61
3.5.4 刀盘网格载荷的施加 61
3.5.5 分析结果 61-67
3.6 本章小结 67-68
4 参数驱动的复杂装备多学科仿真行为同步 68-84
4.1 引言 68
4.2 复杂装备的多学科仿真行为 68-70
4.2.1 复杂装备的多学科仿真内容 68-69
4.2.2 仿真行为的分类 69-70
4.3 仿真行为定义 70-77
4.3.1 仿真行为的描述 70-72
4.3.2 仿真行为的定义过程 72-77
4.4 基于参数的仿真行为驱动 77-81
4.4.1 参数运算引擎 77-79
4.4.2 仿真行为的驱动 79-80
4.4.3 仿真步长的匹配 80-81
4.5 盾构和土体相互作用仿真集成实例 81-82
4.6 本章小结 82-84
5 多学科仿真集成平台子模块的开发及在盾构中的应用 84-98
5.1 引言 84
5.2 平台整体介绍 84-86
5.3 仿真模型集成模块 86-90
5.3.1 CAD数据转换 86-87
5.3.2 CAE数据转换 87-88
5.3.3 特征元素定义 88-90
5.3.4 模型数据关联 90
5.4 仿真行为同步模块 90-93
5.4.1 行为定义和管理 90-92
5.4.2 仿真运行和可视化 92-93
5.5 仿真集成实例 93-97
5.5.1 盾构装配过程及掘进运动仿真 93-94
5.5.2 盾构刀盘系统仿真集成 94-97
5.6 本章小结 97-98
6 总结与展望 98-100
6.1 全文总结 98-99
6.2 未来研究展望 99-100
参考文献 100-106
作者简介 106