SIMPACK

SIMPACK軟體源自德國航空太空中心,是機械系統運動學/動力學模擬分析軟體。
SIMPACK的專業模組都是與行業頂級公司合作開發而成,如:SIEMENS、MAN、MERCEDES、DLR等。
SIMPACK軟體可以分析系統振動特性、受力、加速度,描述並預測複雜多體系統的運動學、動力學性能等。


SIMPACK是機電系統運動學/動力學模擬分析軟體。SIMPACK軟體可以對複雜多體系統的振動特性、受力、加速度等進行描述,並預測系統的運動學、動力學性能等。
SIMPACK軟體是通過搭建類似CAD風格的三維模型(包括鉸接、約束、負載等)來建立機械系統的動力學模型,並通過先進的求解器來獲取系統的動力學響應。
SIMPACK軟體可以用來模擬任何虛擬的有運動的機電系統。該系統可以是單自由度的簡單系統,也可以是多自由度的複雜系統,例如:單擺、一列車、整架飛機等


SIMPACK軟體可以應用在從產品概念設計、詳細設計、試驗研究、故障診斷以及產品維護的全生命週期內。
SIMPACK軟體獨有的代碼輸出功能,可以將使用者建立的模型以Fortran或者C代碼的方式輸出,從而實現與任意模擬軟體的聯合模擬(Co-simulation)
同時,通過符號代碼加速等先進技術,使得使用者的虛擬模型可以在任何HIL(Hardware-in-the-loop硬體在環)平臺上運行。
SIMPACK軟體採用最新的遞歸演算法求解技術,求解速度最快、適應性最強、穩定性最好、精度最高。



SIMPACK軟體的這些先進特性使其贏得了大量的客戶,諸如Daimler Chrysler、Bombardier,Siemens、BMW、CSR等等。
SIMPACIC軟體的主要應用領域包括:

‧汽車工業(製造商、零部件供應商、設計公司等)
‧鐵路行業(製造商、零部件供應商、設計公司等)
‧航空/航太
‧國防工業
‧船舶
‧通用機械
‧工程機械
‧發動機
‧生物力學與仿生學等






SIMPACK運動學和動力學

運動學/動力學和先進的求解器是SIMPACK軟體的核心模組。 所有專業模組和附加模組都是建立在SIMPACK運動學/動力學模組的基礎上,並具有統一的建模介面,強大的縮短了使用者建模和模擬分析的周期。
SIMPACK軟體動力學/運動學模組的基本特徵如下:
‧ SIMPACK軟體核心模組
‧視覺化3D建模SIMPACK時域/頻域求解器
‧ 模態分析
‧准靜態分析
‧ 運動學/動力學分析
‧動畫與豐富後處理
‧擴展的元素庫(絞接、彈簧、阻尼、摩擦等)
‧豐富的積分器及積分器設置管理
SIMPACK運動學/動力學包含建模、求解器和後處理,模擬模型搭建完畢後,即可進行各種分析,分析結果可以在後處理中進行顯示



SIMPACK建摸

圖形化的Model Setup介面同時為初級與進階使用者提供了方便及完整的建模方式。
SIMPACK軟體的Model Setup擁有非常豐富的建模元件庫,包括:零件、關節、約束、力、接觸、函數、控制元件等等,採用3D滑鼠選取,這樣可以讓使用者的建模更加快速、高效、準確。
通過自帶的CAD建模功能,使用者可以構造各種3D物體,也可以導入標準的三維CAD圖檔。SIMPACK還開發了與Pro/E、CATIA等三維CAD軟體的嵌入式接口,絕大部分的建模工作可以直接在CAD軟體中完成,極大地縮短了建模過程。
尤為重要的是,任何SIMPACK軟體所建立的複雜模型,均可以在CodeExport模組中輸出其全代碼(Fotran語言或者C語言},這使得使用者可以將模型嵌入到控制系統或輸出到HIL平臺上,實現半實物模擬。
可以擴展的建模元素庫給使用者提供了快速的建模工具。使用者可以建立任意類型的鉸接、標記(marker)或者為力元素(使用者可以自定義},節省了使用者的建模時間和大大降低了模型出錯率。


SIMPACK求解器

當多體系統模型建立後,求解器會自動形成其動力學微分方程組。SIMPACK軟體採用先進的相對座標系建模,生成的動力學方程組數目最小,因而求解速度最快。當模型中運動的零部件越多,自由度越大時,這種建模方法所帶來的優勢尤為明顯。而其它採用絕對座標建模方法的軟體所建立的方程組數目往往是自由度的冪次方,其求解速度和求解精度將太太降低。
同時,遞迴演算法保證了求解的穩定性和可靠性,這些性能已經獲得航太、汽車、鐵道等行業在內的無數工程項目的測試與驗證。一旦模完成,使用者可以利用SIMPACK軟體強大的求解器進行各種分析,包括靜力學分析、運動學分析、動力學分析、逆動力學分析、頻域分析、模態分析、譜分析等,同時,模擬結果可以用動畫或著繪圖的形式輸出。
除了時域積分外,SIMPACK求解器還有非常強大的靜力學求解能力,它不但可以快速尋找到系統的靜力平衡位置,尤其重要的是,還可以預測系統處於任意位置平衡所需要的條件。同時,標準的求解器還可以進行頻域分析,求解系統的固有頻率與固有振型。另外,在SIMPACK軟體的NVH模組中,還可以在頻域內分析系統的振動、衝擊與噪聲。


SIMPACK後處理


無論是時域積分的數值結果,還是頻域求解的振型,在SIMPACK後處理中均可以動畫顯示。
在動畫顯示時,工程師還可以方便地設置觀測點、觀測方向,從任何角度和任何層面進行觀測。最後,所有的結果可生成高品質的三維視頻檔,供用戶後續使用。
除了利用動畫觀測瞭解系統的動力學性能之外,SIMPACK後處理還給使用者提供了功能非常豐富的曲線作圖、曲線輸出(ASCII、Excel)、曲線輸入、曲線編輯、資料分析(如統計、FFT轉換、功率譜密度函數、濾波)、對比等功能,讓使用者能詳細、準確的瞭解系統性能。
另外,SIMPACK所獨有的獨立的模擬計算和結果輸出功能,讓使用者在模擬分析後,如果需要添加各種測量參數,無需重新執行計算便可以十分方便快捷地得到測量結果,極大地節約了使用者調試模型、多方案優化的計算時間。
SIMPACK後處理提供了對QSA (QT Script for Application)語言的支援。OSA是種與平臺無關的腳本語言,利用標準QSA,使用者可以定制任意的個人化介面,編寫建模與分析的巨集命令,並進行各種命令流的後臺操作。


SIMPACK專業模組

在運動學/動力學核心模組的基礎上,SIMPACK還針對不同的工業領域開發了許多專業模組,這些模組可以與核心模組結合,給使用者提供了完整、快速、專業的解決方案。目的的專業模組主要有:

SIMPACK Drivetrain一傳動系統分析模組

利用傳動系統分析模組可以對風力發電機、車輛、艦船
等系統中的傳動系統,如;齒輪傳劫、鏈傳動、帶傳動等建模,並進行系統的震動分析、隨機和瞬態響應分析、應力和疲勞分析等。


SIMPACK Code Expert代碼輸出模組

利用該模組可以輸出多體系統的程式源代碼
(C語言和Fotran語言}和可執行程序.此代碼可以不依賴於任何多體環境,單獨執行。
代碼輸出功能應用在硬體在環和軟體在環模擬、即時控制模擬等領域;同時,輸出的源代碼可以嵌入在使用者開發的任何程序代碼中作為二次開發產品。在控制系統設計中,代碼輸出模組也可將多體模型輸出成SIMULINK的黑箱模型。
SIMPACK軟體是目前多體系統動力學模擬軟體中唯一具有輸出程式原始程式碼功能的軟體。

SIMPACK Automotive+-汽車分析模組

利用該模組實現對整車及子系統、輔助系統、汽車電子系統(如ABS、ESP等)的建模和相應的動力學模擬分析。


SIMPACK Engine
發動機分析模組

SIMPACK發動機模塊是SIMPACK AG和BMW、F1、MAN等公司聯合開發的。該模組以資料庫建模方式完成發動機零部件和整機的建摸,並進行動力學、疲勞、耐久性等方面分析和系統優化。SIMPACK也是目前歐洲發動機動力學模擬分析的首選軟體。

SIMPACK Wind Turbine風力發電機分析模組

該模組可以進行任何形式風力發電機的建模,完成動態響應分析、隨機響應和瞬態分析、頻譜分析、疲勞和耐久性等方面計算分析,很好地解決翼片的氣彈、外部風場、傳動、機電控制等問題。


SIMPACK Biomotion Elements
人體工程分析模組

該模組旨在幫助使用者更加快捷地模擬”人一機一環境”的耦合系統。分析人、機、環境三大要素之間的關係,為解決和改善系統中人的效能、健康問題提供理論依據與解決方法。

SIMPACK Wheel/Rail
鐵路分析模組

SIMPACK Wheel/Rail可以完成鐵路行業涉及的全部動力學分析,也是目前鐵路行業動力學模擬分析軟體的旗艦產品。

SIMPACK Formula One-F1賽車分析模組

使用該模組,可以建立F1賽車動力學模型和完成相應的動力學計算分析。


SIMPACK附加模組

為了滿足各個應用領域的特殊要求和多樣化分析,SIMPACK軟體發展了以下附加模組:

CAD介面
CAD系統所生成的模型檔,可以非常方便地導入到SIMPACK中。SIMPACK和三維CAD軟體的接口除了支援標準的igs、stl、sip、obj等常用格式外,SIMPACK還針對當今主流三維CAD軟體發展了嵌入式介面,使用者可以方便地把在CAD軟體中建立的CAD模型轉成動力學模型,並完整高效地傳遞到SIMPACK中進行模擬分析,包括:
‧    ProSIM與Pro/E軟體介面:
‧    直接在Pro/ENGINEER建模環境下建立機械系統的運動學、動力學模型;
‧    動畫顯示和數據輸出、分析均在Pro/ENGINEER環境內;
‧    完備的資料輸出能力:如坐標系、幾何形狀、曲面、零件及完整動力學、動力學模型等。
‧    CatSIM與CATIA軟體介面(功能同上)


FEA介面(FEMBS}
FEMBS可以與絕大多數通用有限元軟體,包括
NASTRAN、ANSYS、ABAQUS、I-Deas、
PERMAS等進行雙向資料傳遞。通過FEMBS模組,可生成任意彈性體模型,此外,通過優化的彈性體積分技術,SIMPACK在性體多體動力學模型的求解上,不僅速度快,且穩定性和可靠性均很高。主要特點有:
‧    運用成熟的模態縮減技術,獲取大規模有限元模型的準確模態資訊;
‧    柔性體表述檔可以支援龐大的有限元模型
‧    對有限單元類型幾乎沒有限制
‧    求解速度快、結果準確。

疲勞分析介面(LOADS)
為了使用者更好地瞭解系統的疲勞壽命及可靠性,SIMPACK軟體為主要的疲勞分析軟體提供了良好的介面,如與HBM公司的Designlife、ECS Steyr公司的FEMFAT等疲勞軟體的介面。

應力分析模組(STRESS)

SIMPACKSTRESS模組是用來在後處理中計算和顯示.應力結果的。主要應用在:
‧    預估機械強度
‧    確定臨界載荷
‧    結構強度優化等。
‧    確定臨界載荷
‧    疲勞和耐久性分析
‧    結構強度優化等。

疲勞分析模組(SIMPACK-FAT4FEM)
SIMPACK軟體自身已具有基於FAT4FEM技術的疲勞分析功能,可以在SIMPACK軟體中直接方便地對系統中的零件進行疲勞壽命分析和預測。

接觸碰撞模組(CONTACT)
使用者可定義任意表面形狀的接觸碰撞,並採用表面網格(FCM)檢測接觸碰撞。碰撞的幾何體可以是剛體,也可以是柔性體,SIMPACK提供了包括Hertz接觸等一系列的碰撞模型,具有很高的模擬效率及精確度。

柔性體接觸分析模組(Flex-CONTACT)
使用該模組,可以定義從FE軟體中導入的柔性體的接觸碰撞並進行分析,計算快速、可靠、計算結果精確度很高。

內部進程通信模組(Internal Process Communication (IPC))
SIMPACK軟體提供了一個開放的內部進程通信介面,通過該介面,使用者可以程序的形式干預多體模型的計算,多體模擬下的通信與同步,並與理論上實現與任意軟體之間的聯合模擬,例如為了考慮機械系統中的液壓系統和機械系統的相互作用,SIMPACK軟體可以實現和DSH Plus、Hypneu、EASY5等液壓專用分析軟體的機械液壓控制一體化系統的模擬。

AMSIM(與AMSIM專用介面)
SIMPACK軟體開發了與AMESIM軟體的專用介面,實現和AMESIM軟體的聯合模擬。

梁單元生成模組(SIMBEAM)
使用者可以交互地建立三維的彈性梁式結構,方便直觀地構築彈性體。

NVH (Noise-Vibration-Harshness)
利用該模塊可以對系統噪音、高頻振動、衝擊進行模擬分析,分析頻率可以高達5000Hz以上。

柔性線路(FlexTrack)
利用FlexTrack,可以進行鐵路機車車輛-線橋、汽車-線橋等的耦合建模和計算分析,使用者能夠方便地輸出柔性線路各個節點的變形。

用戶子程序模組(USER ROUNTINES)
使用者可以利用C和Fortran語言定義自己的特殊力學元件(如力單元、驅動單元等),並通過該介面將自訂的單元掛到標準的SIMPACK軟體上進行用戶化的求解

控制模組(CONTROL)
使用者在SIMPACK軟體中可以直接建立閉環PID控制邏輯模型,實現機械、控制和液壓一體化模擬。


與MATLAB聯合模擬

SIMPACK與MATLAB的接口關系是非常靈活而富有特色的,極大地滿足了使用者的各種需求。SIMPACK和MATLAB進行模擬的形式如下:
‧    線性模型輸出:SIMPACK的複雜動力學模型可以方便地進行線性化,線性化後的數學模型可以方便地輸出並提交給MATLAB使用;
‧    協同模擬分析:SIMPACK與MATLAB軟體的協同模擬,包含以下兩種模式:
‧   SIMAT:使用者所建立的SIMPACK模型可以輸出給MATLAB軟體,在MATLAB軟體中進行模擬分析,脫離SIMPACK環境,這樣可以方便地在MATLAB中優化系統的控制模型。同時,由於脫離了SIMPACK環境,大大節約系統資源,加快了模擬速度。
‧   MATSIM:使用者建立的MATLAB控制模型可以嵌入到SIMPACK中,從而脫離MATLAB環境,使用者在SIMPACK環境下便可以實現機械系統和控制系統的整體模擬和優化,最大限度地優化整機系統的性能。該功能也是目前多體系統分析軟體中獨有的功能。


SIMPACK典型應用

‧航空業
起飛/著陸/飛行等過程運動分析
起落架系統的力學分析與設計
直升機動力學行為分析與設計
螺旋槳動力學模擬
裝載系統可靠性設計
飛行員彈射救生過程運動模擬
機艙門鎖機構運動分析

‧航太業
火箭/導彈系統
總體設計
地面發射系統動力學模擬分析
載荷、結構動特性、力學環境設計包帶分離及其它解鎖機構設計
火箭整流罩分離可靠性分析
彈道設計模擬

‧衛星/飛行器系統
衛星/飛行器動力學及其控制模擬設計
太陽能板/天線展開機構分析與設計
衛星姿態分析與控制
太空站/飛行器系統的捕捉與對接
零或微重力環境模擬

‧娛樂及體育設備
娛樂機械/機電設備動力學設計
健身器械設計
摩托車開發

‧造船業
船載儲運系統的設計起錨定位過程模擬
船/艇上機械設備運動模擬
水下發射裝置動力學分析
類比海風、海浪和水流作用
船用動力設備、傳動系統設計

‧機械電子業
電動工具受力分析
辦公自動化設備運動分析
家用電器運動分析
照相機快門設計
繼電器起弧及動作過程分析仿生學研究

‧通用機械
工業機床和設備

‧機器人捲揚機和起重機
 
‧包裝機械/紡織機械/造紙機械/傳輸機械/煙草機械

洗衣機和乾洗設備

‧風力發電機
石油機械及裝備壓縮機

‧工程機械
履帶式和輪式車輛穩定性、操縱性能研究
液壓系統、牽引設備性能預測
混凝土泵車性能分析

‧建築機械
預測推土機、挖掘機、林業機械等動態性能零部件和發動機載荷預測與尺寸確定

‧駕駛員/操作人員視野研究

‧預測挖掘所需要的功率

工作效率研究
耐久性分析

‧兵器行業

武器發射系統動力學模擬
武器裝填系統設計
空降/空投模擬
履帶及輪式車輛性能預測控制和半實物模擬

‧汽車、摩托車行業
整車動力學分析
常規、極限駕駛操縱模擬
輪胎—地面相互作用
牽引、制動設計
壽命預測
空氣動力學
台架實驗模擬
懸架系統
懸架性能預測和優化
車輪運動包絡面設計
裝配性能
傳動系
換擋平順性和變速箱設計
離合器、飛輪及傳動軸支撐設計軸承載荷和壽命預測
變速器、分動器、差速器衝擊模擬附屬設備
車門、行李箱和發動機罩鎖和杆系機構設計
車窗升降機構、天窗設計
雨刷機構設計
可移動座椅設計
安全系統設計、安全帶鎖緊裝置等
振動、衝擊和雜訊
雜訊預測、降噪和消除舒適性分析
發動機懸置系統設計和優化
橡膠襯套優化
控制系統設計(ABS、TRW等)
發動機及其輔助系統
正時鏈條振動噪音分析
配氣機構設計
帶傳動設計

‧鐵道行業
輪/軌系統動力學
機車、車輛、動車組及列車動力學分析
磁浮列車分析
懸掛系統設計與優化
磨耗、磨損預測
線路載荷預測
脫軌分析
零部件壽命預測
事故再現
轉轍動力學分析
弓/網關係研究
黏滑振動分析
牽引制動系統分析
模擬滾動台
車橋耦合分析
單軌車輛動力學分析
限界分析