集成到CAD环境的流体仿真工具，加快决策和结构设计

作者：明导电子

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 几十年来，工程师和数学家一直试图通过计算流体力学(CFD)仿真，增强对流体力学和热传现象的理解与预测。目标是明确的 —— 由此优化涉及到流体流动方面的产品设计和流程，将物理实验的需求将到最低，最大限度减少时间，降低成本。 然而，仅在最近的数十年里，随着计算时所占资源更少，数值算法更优化以及更方便用户使用的商业CFD软件的出现和发展，CFD 才在工业设计中得到大范围的承认。二维设计主要靠手动画，呈现的是线框，到三维设计，用户使用到了实体模型，造型工具二维到三维的转化，扩大了CFD 的使用。 通过在整个数位设计和生产过程中重复使用同一复杂三维数据来加速并行工程设计，这一渴望正是“产品生命周期管理”(PLM)概念的源头。达到这一目标的一个基本步骤就是将分析和仿真结果 —— 这些结果描述运行模式、构造性能、流体流动/热量情况等 —— 集成到主流结构设计流程中。当今的并行工程方法往往要求做出可能影响到设计细节的重要决策之前，对一个新设计的可行性和性能进行预测。仿真在这类产品的设计中扮演着重要的角色。 动力和构造分析在主流机械设计 (MCAD) 软件中已集成得相当不错。然而，著名的Navier-Stokes 方程所描述的流体流动和热量传递过程极度复杂且非线性，所以，相比描述机械应力和固体应变的方程，它在数值求解方面更为困难。这个原因一定程度上导致了一些研发CFD 软件的公司将更多的精力花在提高数值算法上，而不是针对主流机械设计环境的集成。很多商用CFD 公司声明，已经集成到了主流机械设计软件中，然而，那只是貌似“紧密集成”，实际上，仍有许多问题函待解决，也并不能满足无缝集成的并行工程的需求。 一个新方法… 市场需要一个解决流体流动仿真的新方法，它为市场提供无缝集成于主流设计环境，且高性价比、过程导向的CFD 软件。设计周期中，每一次模型改变的时候都能获取仿真结果 —— 只有这样，仿真才能在决策与优化中起到重要作用。那么，满足这个雄心勃勃目标的CFD 软件，应该具备怎样的特征及技术条件？ 􀁺 首先，也是最具决定性的一点，CFD 软件必须直接使用主流MCAD 软件提供的三维CAD 数据，只有这样，它才能与设计过程中的每一变化同步。大多数CFD软件 —— 包括那些宣称已经与MCAD集成的软件 —— 实质上需要复制三维模型，转化成中介格式如Parasolid 或ACIS，然后添加边界条件，以此创建出用于流体流动分析的模型。因为复制和导入模型在主流机械设计环境和分析环境中产生了分离，这些方法存在明显缺陷，并且无法提供无缝的流体分析。 􀁺 第二，CFD 软件必须要有和主流机械分析(MCAD)软件一样的“相貌和感觉”，并共用同样的特征目录等，这样用户无需为使用CFD 软件而专门学习一种新的操作环境，也让用户能专注于解决物理问题。然而，当今的商业CFD 软件很少能满足这一点。在不同MCAD 软件中无缝集成所需的成本和所面临的难度使得大多数的软件商选择了模型导入方案。 􀁺 第三，很多CFD 工具导入固体模型时的典型问题是对于应该使用流体流动分析模式的流体区域，在原始的MCAD 模型中并不存在一种离散的“对象”。大多数CFD 软件处理这类问题的标准方法是定义和分离MCAD 模型中的所有空穴区域，然后在特征目录中将他们添加为虚拟的对象，然后划网格。这种方法没有也不能提供无缝的流体分析，因为数据的连贯性被破坏，与原始CAD 数据一对一的联系也无法保持。 CFD 的一个新分支，即大家所熟知的工程流体力学(EFD)专为克服此处所描述的问题而打造，所以它满足无缝集成到三维MCAD 设计环境的同步流体分析要求。FloEFD产品线直接使用原始三维CAD 数据做流体流动仿真，无需导入或复制模型。FloEFD软件包含独特的“直接嵌入CAD”技术 ——这使得软件直接分析CAD 模型，无需用户操作，也无需对CAD模型添加任何假想对象，就能一步到位自动定义流体和固体区域，生成网格。 在大多数的案例中，流体流动仿真的目的是对某一特殊设计问题最佳解决方案的系统搜索。为达到这一目的，工程师必须仿真涉及到模型修正参数以及输入变量、温度和流动情况等大量设计变量。因为元件和组建已经通过结构工程师所熟悉的方式被参数化和结构化，所以工程师能轻松地制定设计修正，也因此，现代MCAD 环境是变量设计的理想平台。为了在现实设计世界实践它，核心的MCAD 模型必须保存几何参数和流体流动参数、温度、流速等。 这些参数也必须保存为基于对象的特征，如同其它基于对象的数据一样，可在特征目录中对它们进行管理，能直接应用于仿真分析的更新。FloEFD 软件为用户提供该功能，使用特定的MCAD 参数功能比如应用设计表格或簇表支持对多设计变量的连接。这个方法使得大量设计变量被自动仿真，成本高效，并能追踪到每个模型的分析结果。 FloEFD 的应用：FloEFDPro —— 无缝集成在Pro/ENGINEER Wildfire，是Pro/TOOLKIT 的一个应用 FloEFDPro 有和 Pro/ENGINEER 一样的“相貌和感觉”，并共用同样的特征目录和几何模型。所有设计变化都通过工程师熟悉的固体造型功能直接在Pro/ENGINEER 中执行。所有流体仿真需要的辅助数据，像材料属性和边界条件，都连接到固体模型，与所有设计修正同步。直接在固体模型上定义流体条件，并在特征目录中像管理其他设计数据一样管理流体条件。 所有 CFD 仿真要求通过一些数值离散方法比如“有限体积法”或“有限元法”在流体区域生成计算网格。通常，为CFD 仿真创建高质量的计算网格花费的时间为整个仿真时间的大部分。而“整个仿真时间”对集成于MCAD 的流体流动仿真相当关键，因为只有当仿真结果和设计修正同步时，仿真才能在设计决策以及优化中发挥其作用。所以，对于集成于MCAD 的流体仿真软件，拥有一个快速、自动网格生成器，能自动生成高质量、优化的计算网格何其重要！FloEFD 产品线正好符合这一要求，它包含一个完全自动化、自适应网格生成器，利用固体核心模型的基本功能，优化流体模型的计算网格。 为了影响到设计决策以及提供项目沟通良好的平台，工程师们经常会向与非技术岗位的同事展示仿真结果。如果流体仿真结果直接体现在三维CAD 模型上，以可视化的形式展示，能使这类沟通进行顺利。然后再辅以自动生成的借助Microsoft Office 程序就能展示的相应的图片、图表和表格，就更有帮助。而为了达到工程师的这一要求，FloEFD 产品线包含了自动生成表格、图表和报告的功能，它们能够体现MCAD 程序中任意选取的模型的面、平面、界线以及边缘的流体流动仿真情况。 FloEFD 的应用：FloEFDV5 —— 无缝集成在CATIA V5 中，是Workbench 的一个应用 FloEFDV5 有和 CATIA V5 一样的“相貌和感觉”，并共用同样的特征目录和几何模型。所有设计变化都通过工程师熟悉的固体造型功能直接在CATIA V5 中执行。所有流体仿真需要的辅助数据，像材料属性和边界条件，都连接到固体模型，与所有设计修正同步。直接在固体模型上定义流体条件，并在特征目录中像管理其他设计数据一样管理流体条件。 传统上，工程分析包括流体流动仿真一直由专门的分析部门操作，这些部门一般在组织架构以及商务运作上都与主流研发设计部门分离。然而，随着PLM 战略在越来越多的行业领头企业中成功实施，这种分离将会迅速消失。目前我们也正看到，将流体流动仿真无缝集成于主流MCAD 环境中的积极意义。当今的主流设计工程师们能在其自己的桌面直接进行流体流动分析，极大地增强他们设计新产品的能力。现在，仿真结果将包含在设计/研发的每一个步骤。同样，分析专家们也可从日常的设计任务中解放出来，全力处理理论研究以及未来产品研发中涉及的更为复杂的项目。由此，流体流动仿真作为产品研发和辅助决策工具的价值才得到完全发挥。 实际案例中的集成设计和分析 下面这些案例证明了CFD 已经集成到很多公司的设计流程中，使仿真对整个产品设计生命周期产生有益的影响。这些进步的关键是CFD 软件可直接基于原始MCAD 数据提供结果的特性。根据最近一项调查，人们期待这一趋势延续。在回答“对典型CFD 用户而言，CFD 集成到MCAD 中有多重要？”问题时，46% 认为这一点“今时今日这一点非常重要”，另外超过68% 的人认为“在将来这一点非常重要”。当我们仅调取机械工程师的回答时，对上述两个问题持同样答案的人分别为52% 和74% 。而对“CFD 集成到MCAD”的方式上，大多数人选择了 “在单个环境中的无缝集成。CFD 用户界面看起来和使用起来与MCAD 软件一致，CFD 求解器直接作用于原始MCAD 固体模型”。很明显，在研发每一阶段使用CFD 的势头都呈上升趋势。 Océ 印刷系统 德国的 Océ 印刷系统公司，使用FloEFD 研发高性能印刷系统。公司一直是技术创新者，所以研发对Océ 相当关键。Rainer Hoffmann，Océ 研发总监，负责技术和关键部件研发，在公司开始研发任何特定产品之前，就使用CFD 软件做理论调查，得到性能开发潜能数据。“在公司里，我是理论家，我更多的参与到研究阶段，而不是研发阶段，”Hoffman说：“我不仅仅是仿真气流，也包括印刷过程中的中间流程如有限元、静电或静磁场，甚至印刷机内墨粉的移动。” Hoffman 计算了印刷机内的通风情况以及装料装置的吸纸情况。印刷机的光电导体必须使用高压线载荷，而只有高压线整个线程散热均衡时，光电导体才能正常工作。电线长又细的模型代表了计算的难度。在这个案例以及很多其他案例中，简单地进行仿真并不能优化设计，必须要正确地解读仿真结果。而为了做出正确的决策，相当的经验也是必须的，也正由于设计工程师已经在进行仿真，他们又了解设计本身，因此没有人比他们更适合。“我们会对一些FloEFD 模型进行物理实验，经过验证和确认，需要做的物理实验就急剧减少了”， Hoffman 补充说：“自我们采用FloEFD到现在，我们样机测试比率与过去同比下降了90%。通过减少物理实验，仿真为我们节省了巨额成本。” Grohe AG Grohe 是世界著名的卫浴产品与系统供应商，对众多产品在的研发初期就开始使用CFD 工具。比如，Grohe 使用CFD 设计一款内置恒温器的水龙头，不论水柱的大小，保证水温保持为设定的温度。新一代恒温水龙头的核心是恒温气流，在这个全新的研发中，整个流动情况都已经在CFD 中预演。Grohe 公司流体分析专家Kai Huck 说：“像往常一样，我们仅做了少量的测试验证流动分析。CFD仿真提供了很大的帮助，尤其是在设计早期对控制参数的优化上。比方说，和前一代相比，新的恒温器对压力波动的反应要快2倍。” 新一代水龙头还有“冷触”功能，保证恒温水龙头外部任意点温度与设定的水温之间相差不超过一度。做到这一点，我们在接头内接入冷却水套，作为冷水入口。Huck 解释：“我们仿真了接头的表面温度，清楚什么位置温度上升，也了解应对哪个区域的管道设计做修正，以达到各自相应的温度目标。最重要的参数是体积流率。” Huck 另外补充：“我们建立并测试样机时，我们的测试和CFD 预测之间的误差一般都控制在3% 以内。而且无缝集成在MCAD 系统中的CFD 软件很易上手，学习和使用都很便捷。软件提供的图形结果对预测设计的性能相当有效。技术以及非技术人员都能看懂，并能共同参与到新产品概念的优势与劣势讨论中。” Boll & Kirch Filterbau GmbH Boll & Kirch Filterbau GmbH 是全球领先的过滤器厂商，使用FloEFD 仿真非常小、很难通过样机测试出的压降。Karsten Cartarius，Boll & Kirch 公司研发部门经理，说：“美国有标准，比如，滤油器，干净的状态下，可产生的压降不超过0.35 Bar。在气体状态下，最大的压降大致低于0.05 Bar，非常非常小。而且近年来，为了节省能源，更小的泵被应用到各类设备上，这些数值已经大幅下降。我们要证明，过滤器内压降的确就是0.05 Bar，靠试验方法来测量如此小幅的改变是不现实的。CFD 软件以惊人的速度和准确率为我们仿真了压降。在设计的早期采用仿真，能够保证提议的设计符合各项标准。”(end)

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