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CFD对于机构工程师的意义--为了设计更好产品的模式改变 |
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作者：CIMdata |
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事实已经表明，在产品研发周期的前期使用CFD 进行方案论证具有非常重要的意义。Mentor Graphics 的FloEFD 可以使企业在产品研发周期的前期进行方案论证，形成更好的产品研发设计模式，并且FloEFD可以由不具有专业CFD背景知识的工程师和设计师使用。CFD被内嵌至很多主流的CAD软件中，这也使得产品在整个研发周期中随时都可以进行方案验证。由此带来的产品创新，高品质和更短产品研发周期都会给企业带来诸多利益。
1. 介绍
本文阐述了CIMdata 有关CFD 分析的观点；CFD 使用的动机，价值，未来和在产品设计研发周期中工程师使用CFD 软件的重要性。同时也介绍了Mentor Graphics 的FloEFD 软件，FloEFD 是为产品设计师和工程师度身定制的，可以使他们直接在他们熟悉的CAD 环境中使用CFD 分析软件。本文的几个章节分别论述了以下内容：
CFD 对产品的意义——简略的回顾了在整个产品生命周期管理早期使用CFD 软件的影响和挑战。
更早使用CFD 的价值——简单讨论了更早使用CFD 软件所带来的利益
Mentor Graphics 的CFD 解决方案——FloEFD 是如何被工程师在产品研发早期使用的总结和结语——本文简短的总结和结语
2. CFD 对产品的意义
企业在致力于设计创新性产品的同时，也希望降低产品的成本和减少产品研发时间。企业产品创新的步伐越来越快，并且企业的绝大部分利润和市场份额都与产品创新有关。企业必须面对诸多的问题，包括了日益增加的产品复杂性，物理模型打样的花费和时间，以及产品分析和仿真模拟所需要资源的匮乏。
在一份最近对制造业企业的调查中显示，机构设计工程师和他们的主管认为以下几个方面使工程师背负着巨大的压力：
29% 创造具有更多功能的产品
26% 更少的产品研发时间
25% 创造高可靠性产品
18% 降低产品成本
工程师研发具有更多功能的产品和客户对产品的兼容性和个性化要求的提高，都使产品复杂性不断增加。产品复杂性体现在很多方面，包括电子和软件比以往更多的嵌入至产品中。同时产品也需要符合人体工程学和环保高效。举例，减少使用产品的花费（汽车使用更少的燃油运行）就要求设计师和工程师在产品研发的早期就进行诸多分析论证。
这些要求对产品设计师提出了很大挑战，要求他们创造新的和更具想象力的产品，同时也要加快产品投入市场的步伐。他们想要一种工具，这种工具可以帮助他们在产品研发的早期得到产品更全面的分析。这也可以帮助他们论证更多的设计概念，因此可以在研发极具竞争力产品的同时避免产品的设计缺陷产生。产品分析，测试和验证在产品顺利进入市场的时间周期内扮演着重要角色。
在产品设计阶段期间产品验证是工程分析专家的工作。然而，为了使产品更快地进入市场，产品设计师和工程师不得不确保他们的产品设计方案是在一个正确的方向上前进。因此，在工程分析专家介入之前，工程师必须有方法自己分析和验证设计方案。若干年以前，就有一些工具可以帮助工程师进行结构和运动学分析。然而，今天复杂的结构和电机产品要求工程师全面地了解冷却，液压和其它流动的问题。对产品进行全面的CFD 分析是确保产品可靠运行的重要环节。当产品的复杂性日益增加，CFD 软件会得到更多设计师和工程师的使用。
2.1 CFD 挑战
借鉴产品生命周期管理其它主要方面的经验是非常重要地，这可以使得更早使用CFD 的获益最大化。
当一大群CATIA，Pro/ENGINEER，Inventor 和SolidWorks 的用户被问及为什么他们不使用CFD软件时，他们的回答往往是：(1)“大多数的结构设计工程师没有使用CFD 软件的背景知识和技能”，(2)“大多数的结构工程师没有意识到CFD 软件对他们有帮助”。这反映了两个方面的教育培训缺失，CFD 可以帮助设计更好产品的概念和CFD 软件的使用。
从以往的角度看，CFD 被认为是复杂地，并且需要大量地专业背景知识进行设置和运行的软件。
此外，CFD 软件很多时候都是CFD 专家在使用，产品工程师和设计师等非CFD 专家很难掌握使用。
为了扩大CFD 软件的使用对象群体，必须制定标准的工作流程，这将有助于指导和自动地对CFD 分析进行设置，而这些工作以往都需要CFD 专家来完成。这将指导工程师经历整个CFD 分析的过程，并且获得有用的CFD 分析结果。
事实上是许多要求CFD 专家参与的专业分析和论证已经成为产品研发过程中的瓶颈，特别是当CFD 专家与产品工程师不位于同一研发场所时更明显。产品的设计师和工程师需要被赋予使用CFD软件的权限，以便他们可以在产品研发的早期就使用CFD 软件进行产品分析和论证，从而更快地设计出优质产品。
为了提高效率，设计师和工程师希望在他们原有的环境中进行工作，不需要学习新的用户环境。
CFD 软件应该被嵌入至工程师的应用标准中，例如CAD 设计工具或PLM UI。此外，CFD 软件应该具有主流CAD 软件一样的界面和操作方法，以及相同的模型上下级有限关系。由此用户可以将所有的精力都集中在所要解决的物理问题上。用户必须能够流畅地使用CFD 软件，直接在CAD 模型上进行设置，分析和结果显示。
CFD 的信息应该在整个PLM 环境中得到保存和管理。CFD 的设置和结果必须与产品设计配置和版本一起采集和保存，并不仅仅确保未来数据可用，而是要提供一个用以监管和法律规的审查跟踪。
用户可以方便的找到和重新使用CFD 分析的输入条件，同时可以比较不同分析的结果。
3. 更早CFD 软件的价值
企业可以通过多种方法在产品研发早期使用CFD 分析获益。主要的获益方面包括以下几部分：
支持快速设计——更早的方案仿真和论证加快了产品设计研发过程，同时也减小了缺陷产品发生的概率，避免了产品方案的反复修改。
改进产品设计——早期的CFD 分析有助于发现产品设计的问题，可以改进产品设计，有更多的时间进行产品的创新和研发有竞争力的产品。工程师可以对产品品质有更全面的了解，可以更早地在产品各个方面之中做权衡。
避免重复工作——使用CFD 可以进行方案的论证，从而帮助工程师避免出现设计错误和重复工作，因为产品研发后期出现的设计错误往往需要花费很多人力和物力来纠正。
提升产品品质——产品研发早期的相关信息可以帮助工程师尝试更多的设计方案，方案的甄选有助于提升产品品质。
减少样机——使用CFD 进行仿真分析可以减少对样机和测试时间的需求，这有助于节约研发成本和缩短研发周期。
更快地量产——通过更快的做出设计决策和规避设计风险，加快了整个产品研发过程，由此可以更快地将产品投入市场。
当工程师和他们的主管被问及，工程师越早使用CFD 软件会给企业带来哪些好处时，他们的回答如下：
35% 减少样机和测试时间
22%提升产品的性能和功能
17%减少设计时间
15%减少错误设计的风险
5%提升产品的可靠性和使用寿命
5%提升产品效率
其中的每一项好处都可以使企业获益颇丰，但每一项好处的获得不仅仅要求选择和使用一款CFD分析工具，而且需要在研发过程中很好的使用这个工具。研发工过程中需要管理产品设计的数据，这些数据包括方案变更，配置改动和测试方案等，当然这些方案都可以通过CFD 进行分析，并且将结果呈现出来。
CFD 分析的过程或流程必须被整理成档，以致非CFD 专家也能信心满满的使用CFD 软件获得真实的仿真结果。将CFD 分析过程嵌入至整个PLM 环境中有助于确保想使用CFD 的工程师都可以使用。
下图描述了在产品研发早期频繁使用CFD 软件给产品研发带来的影响。目前，CFD 分析主要是在产品设计完成之后进行。就这会使得到的分析结果无法得到及时的响应。在那段时间内，基于CFD的分析结果，设计工作有可能需要重新进行。
图 1 滞后的CFD分析延长了产品研发周期
未来，工程师更早地使用CFD 分析将有助于论证更多的设计方案，并且基于分析结果得出更好的设计结论，缩短研发的周期和减少重复工作的可能性。和所有其他的软件类似，CFD 的用户也需要进行培训，以便他们在产品研发过程中熟练地进行CFD 分析。
图 2 及时地CFD 分析缩短了产品研发周期
4.Mentor Graphics 的CFD 解决方案
Mentor Graphics 已经提出了一种CFD 的解决方案，这种解决方案是为系统结构和产品电机工程师度身定制的。FloEFD 是Mentor Graphics 收购Flomerics 后得到的软件产品。尽管这款软件已经发展了11 年，但其一个非常重要的理念就是使非专业工程师也能轻松使用CFD 软件。Mentor Graphics战略性的进一步研发FloEFD，使其与非专业工程师使用的主流CAD 软件无缝集成在一起。
图 3 Pro/ENGINEER 用户界面中显示的壁面压力云图
为了能够做到这一点，FloEFD 与几款结构CAD 软件集成在一起，并且提供相应的指导和帮助，从而使不具有专业背景知识的工程师也能轻松地进行流动，冷却和其它设计过程中涉及的分析。
FloEFD 支持以下各方面的CFD 分析：
水力和气动装置的压力降，考虑表面粗糙度和空穴的影响
诸如汽车周围空气流动等实体周围流动分析
利用气体仿真解决高压或低温气体问题
包括导热，热对流和热辐射的耦合热交换问题
单板或整个系统的热分析
采用层流——湍流——过渡流模型进行流动分析
亚音速，跨音速，超音速和高超音速条件下的可压缩空气流动
移动壁面流动分析
非牛顿流体流动分析
基于两项流模型的相对湿度和蒸汽的计算
FloEFD 被嵌入至CAD 中，可以让工程师直接在CAD 环境中进行CFD 分析。今天，FloEFD 被嵌入至CATIA V5 和Pro/ENGINEER Wildfire 中。CFD 分析功能可以直接从这两款软件的菜单中调用。此外，一款名为SolidWorks Flow Simulation 的CFD 软件可以直接与SolidWorks 一起使用。
一款单机版的FloEFD 与Autodesk Inventory，Siemens NX 和Solid Edge 等软件集成在一起。这款FloEFD 可以从许多CAD 软件中直接调用原始的模型数据。
由于绝大多数工程师并非CFD 专家，所以FloEFD 提供了一种向导方式来对模型进行设置。它可以指导用户直接在CAD 模型上进行分析问题的定义，流体和固体的网格划分。FloEFD 的网格技术中包含网格自适应功能。FloEFD 的工程用户界面帮助工程师设定分析目标和观察收敛状况。所有的分析结果除了被直接显示在CAD 模型上之外，也可以输出至EXCEL 和WORD 等文档中。
图 4 上图显示了实时的仿真结果，下图显示了迭代计算收敛状况
通过新的模型替换旧的模型，工程师可以利用旧模型的分析定义进行求解计算，从而避免了重复的定义设置。这个功能对很多方案的论证有很大帮助，可以迅速的挑选出最优方案和消除设计缺陷。
FloEFD 中也提供了流体和气体等常用的材料库数据。其中提供了用于仿真分析的材料特性等数据。
通过基于FloEFD 的分析结果可以方便的进行产品设计优化。
所有的分析参数和数据都被保存在CAD 方案项目或组件中，并且成为设计数据设置的一部分。
FloEFD 可以在普通32-bit 或者64-bit Windows 操作系统的个人电脑上运行。如果有需要FloEFD也可以进行并行计算。
图 5 流动速率矢量图
6 流动动画
5.总结和结语
CFD 分析对于产品研发的重要性越来越高。由于产品的复杂性和更多的元件和软件被使用，在产品研发早期使用CFD 分析能够带来更多的好处。提高产品性能和减少研发时间就是其中的两个方面。
然而，在产品设计过程中采用CFD 分析也面临很多挑战。首先，工程师需要认同CFD 分析可以为产品研发带来诸多好处。更重要的是CFD 分析需要具有可操作性，并且被整合到设计环境中，工程师可以方便地使用。
Mentor Graphics 的FloEFD 解决方案将专业的CFD 工具转变为工程师易于使用的普通软件，用以帮助设计更优的产品。同时也将FloEFD 内嵌至主流的MCAD 软件中，供非专业的工程师使用。因此，它将帮助克服产品设计的复杂性和规避产品研发早期出现的问题。它的用户界面和向导设置模式对于非专业工程师而言简单易操作。
FloEFD 已经被嵌入至很多主流的设计工具中，并且提供很多热流方面的仿真功能。当企业将它嵌入至产品设计的文档中，使它在整个PLM 中使用，这会带来更大的好处。
FloEFD 也会使其它的工作更方便，Mentor Graphics 已经将ECAD 和MCAD 集成在一起，特别是对于一些机电一体化设计方案特别有用。然而，FloEFD 无法完全消除企业对CFD 专家的需求，它主要目的是使工程师能设计更好的产品。
CIMdata 相信Mentor Graphics 的FloEFD 是CFD 软件易用性方面迈出的一大步，并且更易于工程师的使用。它有助于企业进行产品的创新，产品快速投入市场和满足日益增加的产品复杂性和效率的要求。(end)
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(1/30/2013) |
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