SIMULIA Simpack 开创了实时多体动力学

长期以来，在实时环境中仿真多体系统一直是机械系统建模的目标，特别是对于硬件在环 （HIL）、驾驶员在环 （DIL） 和虚拟原型设计中的应用，Simpack 通过引入几项关键技术，在使实时多体动力学对复杂系统可行方面发挥了关键作用。

第一次实时体验 Simpack – 分析师的观点

我仍然清楚地记得我第一次体验我们的实时仿真技术。那是在 2012 年左右，我正在从事一个客户项目，该项目涉及一个带有类似 Pacejka 的定制轮胎的模型，以满足特定要求。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，而我们刚刚发布了新一代实时技术，因此我们同意在基本的桌面模拟器上演示车辆模型。我们设置了一个简单的测试台：一个游戏风格的方向盘和带有扭矩反馈的踏板，在转换为实时 Linux 的 Windows 笔记本电脑上运行。

然后，关键时刻来了。我加载模型，坐下（坐在办公椅上）并转动轮子。经过无数个小时的调整方程和分析 2D 图，感觉汽车对我的输入做出了反应，这改变了游戏规则。当我加速、刹车和转向时，每一个反应都反映了我建立的物理特性。我的工作变得栩栩如生——它不再只是数字;它与我实时互动。我正在体验我的模型。这次经历深深地打动了我，以至于我本能地拍了一张照片——不是设置，而是它所代表的：我第一次实时驾驶自己的多体模型。这里是

我第一次实时驾驶自己的多体模型的图片。

Simpack 实时多体动力学

说 Simpack“发明”了实时多体动力学并非事实，但事实上，该软件是第一个在工业层面实施这项技术的软件，而 Simpack 通过关键创新引领了这一潮流。

在SIMULIA 博客文章》中，我讨论了 Simpack 技术的独特之处，特别是它如何制定运动方程。我描述的一个关键优势是 Simpack 的相对坐标方法，它自然而然地导致了数值高效且稳定的模型，使其本身非常适合实时仿真应用。

这一优势来自 Simpack 倾向于生成常微分方程 （ODE），而不是通常由绝对坐标公式生成的更复杂的微分代数方程 （DAE）。

实际上，微分方程 （DAE） 出现在经典的“绝对坐标”公式中，问题在于求解这些方程会增加计算复杂性。这些 DAE 会导致更高的求解器开销和更低的数值稳健性，这两者都对于需要确定性和快速执行的实时应用程序来说是有问题的。

相反，Simpack 的相对坐标公式使用树状拓扑定义物体相对于其父体的运动。因此，运动方程主要是 ODE，它们更容易用数值求解，并且对于实时仿真中常用的显式或半隐式积分方法，它们表现出更好的性能特征。

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

基于 ODE 的系统用于实时应用的优势包括：

• 降低每个积分步骤的计算负载

• 无需约束稳定

• 改进的数值调节

• 更简单的求解器结构，更适合硬件在环 （HiL） 环境中经常使用的固定步长求解器。

Simpack 代码导出 |早期应用

由于 Simpack 的求解器技术非常适合实时运行，因此在驾驶模拟器上运行 Simpack 始终是可能的。我们从 2001 年开始推广这项技术。当时，我们的技术被命名为“代码导出”，如我们旧网站的这张图片所示。

代码导出是我们的第一代实时技术，基于代码导出生成。通过这种方法，多体模型被符号地预处理并编译为特定于目标的 C 代码，这些代码可以部署在专用的实时平台上。这种方法确保了高执行速度和确定性，但需要一个单独的代码生成工作流程，这增加了集成复杂性并降低了灵活性。

Simpack 实时 |我们的现代实时多体仿真方法

Simpack 代码导出在该领域使用了大约 10 年，这让我们深入了解了与实时应用程序相关的许多挑战。一个关键的教训是，“仅”生成实时代码不足以满足客户的需求。

第二代产品于 2013 年左右推出，标志着一个重大转变。与需要专有硬件和作系统的代码导出方法不同，Simpack 实时旨在在支持实时的标准 Linux 平台上运行标准 Simpack 安装。这是通过新的 Simpack Realtime 求解器技术实现的，其中包括“智能并行化”，并结合了实时 Linux 内核、内存锁定和确定性调度的进步。

实时运行完整的“现成”多体求解器的想法在业内是一个全新的想法。

那么，是什么让 Simpack Realtime 具有开创性呢？

它快速、灵活，专为现代工程工作流程而构建。它支持在 Simpack 环境中直接实时运行多体仿真模型。无需冗长的代码生成或繁琐的编译步骤，只需加载模型并点击运行即可。我们称之为 direct real-time。

我们的直接实时方法始终如一地为我们的用户带来巨大的价值。通过不受限制地利用 Simpack 求解器的全部功能，工程师可以在实时仿真器上运行模型，而不会影响模型保真度或性能。

这种方法的另一个关键优点是不再需要模型简化和求解器调整。

这种灵活性的一个有力示例是，Simpack Realtime 可以与软件在环 （SIL） 相结合，方法是使用Simpack FMU 导入特征。这意味着您可以集成第三方组件，例如动力转向或电池管理模块，并且仍然可以实现可靠的实时性能（实际上，您必须确保第三方组件实时兼容）。

最重要的是，您可以在两次运行之间轻松修改 Simpack 模型参数，对于某些参数，甚至可以在实时仿真运行时动态调整它们。这实现了前所未有的快速迭代和交互式测试。

正如我们的一位客户所说，“我们真的很喜欢您的工作流程，因为它是透明的”。

例如，在汽车行业，工程师依靠查找表来在实时仿真中近似悬架运动学，这种方法虽然有效，但引入了一些中间数据处理步骤。使用 Simpack Realtime，这些近似值将过时。您现在可以运行完全详细的悬架模型，包括动态衬套元素，无需预先计算的数据，并实现更准确、基于物理场的仿真 - 直接且不折不扣。多年来，我们还确保第三方轮胎模型集成与所有主要轮胎模型的实时执行完全兼容。

事实证明，Simpack Realtime 可以无缝地处理包含柔性体的模型。以下是我们的一位客户发表的一篇论文：Venrooij 等人在驱动动力学开发中采用实时多体仿真。

根据我的经验，灵活的车身集成显着增强了驾驶模拟器的驾驶体验。

值得注意的是，除了汽车行业，Simpack Realtime 还广泛用于各种行业，包括铁路、风能、传动系统、建筑甚至消费品。例如，您可以观看此网络研讨会讨论适用于风力涡轮机的 Simpack Realtime.

今天Simpack 实时使您能够跨多个硬件配置部署同一模型，无缝覆盖实时开发过程的每个阶段，从桌面模拟器或实时硬件上的早期独立运行，一直到高端运动平台上的完全部署。如果标准平台不够用，客户甚至可以编写自己的自定义通信层。

它并不止于此，借助集成的实时动画功能，您可以在模拟运行时对其进行可视化。

我们希望这篇文章能阐明为什么 Simpack 已成为高性能实时仿真领域值得信赖的领导者，使工程师能够突破可能的极限。但这只是故事的一部分，创新是我们一切工作的核心，我们对未来感到兴奋。

请继续关注 - 我们将在未来的博客文章中分享更多令人兴奋的进展。您准备好进行实时多体动力学仿真了吗？