ANSYS独有的CAE词汇

作者：安世亚太 田锋

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, ... 现代CAE技术的繁荣昌盛带来了CAE软件的百家争鸣。本文将这些特色以ANSYS软件产品关键词的方式与读者共享。 词汇一： 协同仿真环境 现代CAE技术的繁荣昌盛为用户带来宽广选择余地的同时也带来了产品仿真的协同需求。各种CAE程序单打独斗的时代即将过去，这些程序之间的合作将是今后CAE发展的主要方向。现在CAE世界期待一个可以整合所有CAE技术资源和数据的协同仿真环境。 ANSYS Workbench作为世界唯一一款协同仿真平台，旨在搭建基于网络的仿真工作统一环境，将百家争鸣的仿真技术和纷繁复杂的仿真数据完美整合，与仿真相关的人、部门、技术及数据在统一环境中协同工作。 协同是现代产品设计流程发展的必然需求。时下流行的PDM满足了产品的协同设计 需求，Workbech满足了产品协同仿真需求，开创仿真新纪元。 在中国航空、航天、船舶这样的高科技行业，企业或研究所通常会拥有多种商业CAE程序甚至自己开发一些小型CAE软件，协同仿真环境将为他们整合仿真技术提供极大方便。 词汇二： 多物理场仿真 CAE技术涵盖了计算结构力学、计算流体力学、计算电磁学等诸多学科专业，而象飞机、船舶等大型工业产品的设计对这几个学科专业都有强烈的耦合场分析需求。一般的CAE软件通常都只能解决某个学科的问题，用户需要配置一系列由不同公司开发的、具有不同应用领域的软件组合起来以解决其实际工程问题。这不但增加了用户投资，而且很多耦合场问题会由于不同软件间不能有效准确地传递数据而无法真正实现耦合仿真计算。能否真正完成全面耦合场分析，已经成为现代CAE软件所追求的目标。 ANSYS软件作为融结构、电磁、热、流体分析技术于一身的强大仿真系统，不但拥有为业界认可的强大的单场分析模块，而且由于出自同一家公司的模块，数据传输不存在瓶颈，各场之间的耦合分析能力是任何一家CAE技术提供商所不能企及的。 词汇三： 双向参数互动 CAE软件必须可以直接使用CAD生成的模型已经成为业界共识。目前，其他CAE软件一直在延续使用“模型数据单向传递”方式。为了满足现代并行设计、快速设计的要求，ANSYS引入“双向参数互动”技术。 双向参数互动是指：CAD模型传到CAE软件后，CAE软件继承CAD模型的原有参数；CAD修改模型参数之后，CAE软件只需刷新即可得到来自CAD模型的新参数，从而更新模型，但CAE软件中的网格和载荷设置不发生变化，可直接求解；CAE软件可直接根据分析结果对设计参数直接进行必要的修改，或利用优化设计功能得到最优设计参数后，在CAD中只需刷新操作便更新模型。 ANSYS使用CAD模型时，是在ANSYS环境中建立CAD模型的“链接”或“影射”，本质上讲是与CAD系统资源共用，使用同一个CAD模型，因而不存在其他CAE软件的CAD接口经常发生的“丢失信息”的现象，而“双向参数互动”在此模式下则成为自然而然的事情。 词汇四： 自动探测装配 现代CAE技术可以对相当大规模的问题进行分析，而且这种分析可以是复杂的接触问题（在CAD中称为“装配”）。利用仿真手段可以对具有大量零部件的虚拟样机整机进行虚拟试验。但是由于零部件的装配在CAE中需要进行“接触”分析，而接触分析需要建立接触单元。此过程在其他CAE软件中采用手工方式完成，一个虚拟整机的建立所需要的时间令人不可接受。因此，CAE软件的自动探测装配关系的能力决定了能否进行虚拟样机性能仿真，是我们真正发挥CAE软件的优势的关键技术之一。 ANSYS公司提供的CAD模型“链接”技术，在建立装配模型“链接”的过程中，自动探测装配关系，同时完成“接触”单元的建立，无需人工干预。 词汇五： 变分优化技术 CAE分析的最终目的是对设计提出满足工作要求的修改意见。大多数CAE软件都提供优化设计功能以满足这样的需求。程序自动根据分析结果和设计要求、在特定的优化算法的帮助下自动修正设计，经过多次循环而获得优化的设计结果。这种技术称为实验设计（DOE）技术。 基于DOE技术的经典优化方法的共同特点是需要对模型进行大量的迭代计算。设计自变量越多，需要的迭代次数越多。对于飞机或船舶整机这样的大型问题，设计自变量非常之多，这种经典优化设计方法由于需要大量迭代，其实就已经失去了优化的意义。 ANSYS软件除了提供基于DOE技术的优化技术外，还提供一种称为变分技术的优化方法。这种技术深入到CAE程序内核，在矩阵生成层次利用变分技术、网格随移等高级技术，将CAE矩阵参数化，从而使CAE分析过程参数化。采用这种优化方法，只需一次求解就可以得到整个设计空间的响应结果，并且快速获得最优设计。不论设计自变量有多少，这样一次求解时间都是普通有限元求解的3~5倍。因此，设计自变量越多，它的优势越明显。 词汇六： “死网格”再生术 在优化设计时我们通常需要经过“修改CAD模型-重新计算”的多次循环。没有几何模型、只有网格时称为“死网格”，因为你不能从这些网格入手修改设计。当你在外协过程中接受来自别人的网格时，得到“死网格”的可能性非常之大。“死网格”除了存档之外没有其它价值。ANSYS提供的ParaMesh模块能使死网格再生。该工具允许用户将“死网格”参数化，可以像CAD那样随意修改网格模型。这种技术对于飞机或船舶大型复杂设计需要大量外协的设计部门来说意义巨大。其实，“死网格”再生术就是ANSYS协同仿真环境中CAE技术整合技术之一。 词汇七： 解读仿真模型 在中国航空、航天、船舶行业，企业或研究所通常会拥有多种商业CAE程序，与别人的协同工作是日常工作的一部分。协同工作过程中，经常需要从别人那里得到某个软件生成的CAE模型。一个复杂的CAE模型可能蕴含大量信息，当你打开别人的复杂模型时会一片茫然。人工解读这些信息可能会花费大量的时间，ANSYS协同仿真环境可以快速解读CAE模型，快速提取复杂仿真模型中的有用信息，形成CAE信息关键词列表和解读报告，可以图示关键词对应的模型。仿真模型解读技术是ANSYS协同仿真环境中CAE技术整合的另一重要技术。 词汇八： 电大尺寸分析 电磁计算领域存在一个概念——电尺寸，是指结构的几何尺寸与电磁波波长的比值。计算电磁学要求，无论对目标物还是电磁波的传播空间（如空气），计算网格的边长均不得大于波长的1/10。如果结构尺寸大于十个波长时，分析需要的计算网格将非常之多（通称成为电大尺寸问题）。有限元方法（微分方法）尤其如此，因为此方法需要对波的传播空间也需要划分网格。通常此类分析因为网格太多、计算量太大而被迫放弃。 在ANSYS中，电磁分析方法可以采用以矩量法（MOM）为代表的积分方法，此类方法只需对计算目标划分网格，波的传播空间可以不划分网格。这样必然减少总体网格数量而计算成为可能。而且在ANSYS采用精确MOM和PO/UTD/FMM（物理光学法/一致性绕射理论/快速多极子）等近似方法的混合方法，这些方法将计算电尺寸进一步扩大，使得ANSYS成为世界唯一可以解决电大尺寸问题的商业电磁分析程序。 多年来，电大尺寸问题一直是航空航电设计中非常棘手的问题。机载天线的设计必须考虑天线间的相互耦合和天线与飞机之间的影响作用。这种典型的电大尺寸问题在ANSYS的电磁分析模块中得到全面解决。 词汇九： 顶级网格雕塑 如果说强壮求解器技术反映着ANSYS力的特质，那么，优美的网格雕塑技术则反映ANSYS美的特质。 ANSYS ICEM堪称世界网格雕塑技术泰斗，提供了强大的网格剖分能力。CFD分析技术对网格的要求非常苛刻，没有优秀的网格划分工具，对复杂模型创建优质的网格是艰巨的工作，而当今世界主流CFD软件的用户皆使用ICEM作为网格剖分工具。 ICEM在网格剖分方面提出“雕塑”的概念：任意复杂的几何体总可以在区域上划分为多个块体（block）的组合。使用者只需对块体划分网格，然后投射到复杂表面上。所有的网格形态在没划分之前就确定，而不像其他软件采用的“堆砌法”，网格在没“堆砌”完成之前无法确定网格形态。 ICEM不但提供了强大的网格“雕塑”能力，而且可以读写世界所有知名CAE/CFD/CEM软件的网格格式。航空、航天、船舶行业的企业和研究所通常拥有多种CAE/CFD/CEM，ICEM技术为这类企业提供了统一的网格解决方案，省去使用者在多种软件之间切换的苦恼。 词汇十： 高效并行计算 在硬件支持方面，ANSYS不但在基于Intel-Windows架构的微机、基于RISC-UNIX架构的工作站、巨型向量计算机上都能够正常工作，而且还提供统一的用户交互界面、统一的软件功能、统一的数据库以及网络浮动运行能力。 当今，ANSYS软件的发展已经超越了计算机平台的概念，MPP群机系统、SMP及其构成的星群系统、甚至是局域网连接的工作站/PC机群的并行计算是ANSYS现代CAE技术追求的新境界。ANSYS已经开始采用不同机型及操作系统的混合网络上的并行计算。 并行计算使ANSYS进行系统级的大规模CAE分析计算不再是新闻，数百万甚至千万网格的计算规模已经是每天发生事情，比如大型飞机的整机气动计算、整机结构模态分析、整机超大规模电大尺寸高频电磁计算等等。 总结 上文所述ANSYS关键字所代表的能力皆是现代设计方法迫切需要的功能，突出显示了ANSYS软件在CAE领域的领先地位。这些特色同时成为其它CAE软件共同追求的目标，也是衡量CAE软件技术先进与否的重要标志。(end)

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