搜索ANSYS對航空工業期待協同仿真環境
2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
第二章中國航空工業期待協同仿真環境
1.國航空工業的CAE技術現狀
CAE技術在中國航空工業的應用已有30年的歷史。伴隨世界CAE技術的發展,本行業對CAE技術的理解和應用也逐步深入。與其他工業行業相比,航空工業對CAE技術具有最全面的需求。在中國航空工業各個企業和研究所,CAE軟件和技術可謂百花齊放,行業自編軟件和國外進口軟件比翼雙飛。
1.1國外商業化CAE軟件
這些軟件按照應用范圍分為四類:
(1)以結構分析為核心的MCAE(MechanicalComputerAidedEngineering)軟件,如ANSYS公司的Mechanical、LS-DYNA、VirtualMotion、Fe-Safe軟件,MSC公司的Nastran、Dytran、ADAMS、Fatigue軟件,ABAQUS公司的ABAQUS軟件等;
(2)以流體動力學分析為核心的CFD(ComputationalFluidDynamics)軟件,如ANSYS公司出品的CFX軟件,Fluent公司的Fluent軟件,CDadapco公司出品的STAR-CD軟件等;
(3)以計算電磁學分析為核心的CEM(ComputationalElectromagnetic)軟件,如ANSYS公司出品的EMAG和FEKO軟件,Ansoft公司出品的HFSS軟件,CST公司出品的MicrowaveStudio軟件等;
(4)結構-熱-流體-電磁耦合分析軟件,如ANSYS公司出品的Multiphysics軟件。
1.2企業或研究所自編軟件
航空工業是技術和知識高度密集的高科技產業,是多學科、多專業、多層次的大型復雜系統,素有“工業之花”之美稱。這個行業人才輩出,在世界商業CAE程序尚未進入中國之前,在中國航空工業就存在大量由這些行業精英編制的小型CAE程序。即使現在商業CAE軟件如此發達的今天,本行業仍然在采用和發展這些程序,以彌補商業CAE軟件在某些特殊領域的不足。
2.仿真技術百家爭鳴雙刃劍
世界CAE技術的百家爭鳴為中國航空CAE應用帶來了繁榮。這種繁榮為中國航空工業的技術進步起到了不可磨滅的促進作用。不同程序具有不同的應用對象,同一項目的不同分析需求(如強度分析和氣動分析)采用不同軟件來解決。即使同一類軟件(如ANYSMechanical和MSC.Nastran,同屬于結構分析軟件),不同軟件也具有各自特點,對相同問題采用不同軟件互相印證在行業中也比較常見。
但繁榮的背后也隱藏著問題,仿真軟件的百家爭鳴是一把雙刃劍,為中國航空工業應用帶來益處的同時也帶來諸多煩惱。
2.1學習及使用的煩惱
對于不同的CAE軟件,他們雖然具有工作目的:即將工程問題轉變成可以進行CAE仿真的模型,但他們的前后處理風格卻迥然不同。對于相同目的但不同風格的環境,學習與熟悉仍需要耗費大量的時間。即使掌握了,在使用的時候仍然需要在不同界面之間切換,非常不便。
同時,行業小型CAE軟件普遍存在的一個問題就是易用性。由于這些程序的編制人員是行業技術專家而不是軟件專家。他們在編制這些程序時通常只關注計算功能而忽略前后處理,編制這些軟件的人可自如運用,但對其他人員來說,如果沒有深入的培訓,使用起來可能無從下手。
圖2-2-1現代仿真技術的百家爭鳴
2.2交流與共享的煩惱
不同的CAE程序生成的模型數據和結果數據不同,導致諸多數據交流與資源共享的問題:
(1)同類CAE軟件的印證失效:由于模型的不同,相同類型的CAE軟件(如ANSYS與Nastran)之間互相印證失去統一標準,使得這種印證只是個美好的愿望。
(2)行業內部交流:中國航空工業內部各企業、各科研院所之間的交流與合作是信息化首要解決的問題,仿真軟件百家爭鳴雙刃劍卻在有意無意地割斷這種合作與交流。
(3)資源共享的煩惱:仿真軟件使用人員完成的分析模型和計算結果是企業重要的智力資產,在其他時間和場合下可以重復利用,資源可以被多次共享,價值可以再生,長時間造福整個行業。但由于缺乏統一平臺,得來不易的成果只能停泊在某個碼頭造福一方而已。
2.3多場耦合的煩惱
由于模型和結果文件不能良好通訊,不同場之間的耦合分析成為奢望。ANSYS公司由于在一年前收購了世界著名的流體動力學分析軟件CFX,使得這一問題到解決。但像結構分析程序Nastran和流體動力學分析軟件Fluent,雖然在各自的分析領域內得到人們的認可,但對它們不是一家公司的產品,數據結構不同,他們之間的流固耦合仍只能望之興嘆。
圖2-3-1協同仿真環境基于網絡的三層構架
3.ANSYS協同仿真環境
面對仿真軟件的百家爭鳴雙刃劍,ANSYS公司提出的觀點是:保持核心技術多樣化的同時,建立協同仿真環境。
在ANSYS協同仿真環境中工作,人們始終面對同一個環境,而不是在各種設計與分析程序之間切換。使用基于網絡的三層構架,所有的設計技術 與分析技術只是這個環境的后臺技術。所有與仿真工作相關的人、技術、數據在這個統一環境中協同工作,各類數據之間的交流、通訊和共享皆可在這個環境中完成。該協同環境具有以下特征:
3.1CAE技術與數據的協同
對于具有多類核心仿真技術的航空企業,分析技術與數據的協同應該是這個仿真環境的核心目的。ANSYS協同仿真環境解決可以滿足協同仿真的基本和高級需求:
(1)基本需求:兼容性
協同仿真環境中生成的網格可以直接生成其他仿真核心程序需要的文件格式;
協同仿真環境可直接接受其他仿真軟件生成的網格。
(2)深層需求
建立CAE網格的技術足夠強大,能快速將設計數據轉變成CAE網格,而且網格形態優秀,滿足各類CAE軟件對網格形態的要求。
具有快速解讀復雜CAE模型的能力。一個復雜的仿真模型可能蘊含大量信息,當你打開別人的復雜模型時會一片茫然。如果沒有合適工具,全憑自己對模型的理解來了解這些信息可能會花費大量的時間。但如果不能快速了解這些信息,協同將無從談起。
具有“死網格”的再生能力。在優化設計時我們通常需要經過“修改模型-重新計算”的多次循環。沒有幾何模型、只有網格時稱為“死網格”,因為你不能從這些網格入手修改設計。當你在協同設計過程中接受來自別人的網格時,得到“死網格”的可能性非常之大。“死網格”除了存檔之外沒有其它價值。ANSYS協同仿真環境能使死網格再生,允許用戶將“死網格”參數化,可以像CAD那樣隨意修改網格模型,使協同效應最大化。
多場耦合能力。協同仿真環境不但可以使MCAE和CFD模型自由轉換,而且CFD的后處理結果可以作為載荷施加在MCAE模型之上。因此,ANSYS協同仿真環境可以將各種MCAE軟件和CFD軟件結為表兄弟,實現多種軟件之間的耦合,如Nastran和Fluent或CFX的耦合、ANSYS和Fluent的耦合等。
圖2-3-2整機模型解讀,圖中顯示了各種材料的所在位置
圖2-3-3航空發動機純網格模型葉片者角度可以隨意調整
3.2CAD與CAE之間的協同
設計數字化(CAD設計)和試驗數字化(CAE仿真)是飛機制造數字化工程中不可分割的兩個方面?，F代CAE技術可以直接使用CAD軟件設計的模型進行仿真分析是現代設計方法提出的要求。而ANSYS協同仿真環境不只將CAE模型與CAD模型簡單兼容,而且建立CAD和CAE之間的參數互動關系。
(1)ANSYS協同仿真環境能在統一環境中從不同CAD系統先后讀入不同零部件模型,并將這些零部件實現再次裝配,以便為CAE分析提供完整的幾何模型。對于現代大中型企業,使用多種CAD程序是很正常的。對于一架飛機,負責不同部件設計的設計組使用的CAD程序有可能不同,但進行整機分析的時候又必須將這些設計模型整合在一起。
(2)協同仿真環境能保留這些零部件在原始CAD系統的設計參數,以便在仿真時進行優化。
(3)用戶在CAD環境中修改CAD模型的某些參數后,協同仿真環境只需經過刷新操作即可修改CAE模型的參數,此環境中的網格和載荷設置完整保留,可直接求解;
(4)協同仿真環境中進行分析優化之后,確定了最優的設計參數,在CAD中也只需刷新操作即可將協同仿真環境中的參數讀取回來直接修改CAD模型,而不需要重新設計模型或手工修改設計參數。
圖2-3-4在協同仿真環境中裝配來自proe的支座和UG的齒輪
圖2-3-5協同仿真環境數據流
4.協同仿真環境的客戶化定制
ANSYS把成熟的CAE軟件拆成CAE技術組件(API),ANSYS協同仿真環境是由這些組件裝配而成。用戶以根據自己的實際需要方便地將這些拆散的組件重新裝配,形成用戶定制的協同仿真環境,并集成具有自主知識產權的技術,形成既能夠充分滿足自身的分析需求,又具有個性化的協同仿真環境。當然,在這種重新組合過程中,用戶可以放棄不需要的原有組件,實現量身訂制,使程序短小精悍,省去不必要的硬件開銷。另外,用戶可以自己開發新的組件,這些組件與ANSYS組件平等,而不像其他軟件的二次開發功能那樣:新開發的代碼永遠是商業軟件的附庸而導致成本高、靈活性差的缺點。
Workbench開發的程序可融入分析專家的成果及經驗,使分析過程規范化。不同的使用者可能對CAE的理解不同,但對具體問題,分析級別都統一在分析專家的級別上,在最大程度上保證分析結果的正確性?，F代企業競爭歸根到底是人才和知識的競爭,分析專家智力資產的寶貴程度是毋庸置疑的。但這些資產的保存、積累與共享是人們一直在探討的一個話題。現在通過Workbench,使這樣的問題有了滿意的解決方案。當專家們的知識固化入程序中以后將永久保留與共享,隨著這種工作的持續進行,將為企業積累異常寶貴的智力資產。
Workbench的引入使這種開發變得方便快捷。利用Workbench,程序開發人員沒必要將所有的CAE技術從頭開發。他們是行業的技術專家,不是軟件技術專家,他們頭疼的事情往往不是專業技術的實現,而是軟件編程技術合理應用。利用Workbench,他們可以直接使用ANSYS公司軟件專家們的前沿軟件技術,真正專注于本行業的專業技術,而不是把時間浪費在他們不熟悉的軟件技術上。
現代CAE技術的繁榮昌盛為用戶帶來寬廣選擇余地的同時也帶來了產品仿真的協同需求。各種CAE程序單打獨斗的時代即將過去,協同仿真時代已經到來,這些技術之間的合作將是今后CAE發展的主旋律。ANSYSWorkbench搭建基于網絡的仿真工作統一環境,將百家爭鳴的仿真技術和紛繁復雜的仿真數據完美整合,與仿真相關的人、部門、技術及數據在統一環境中協同工作。
時下流行的PDM滿足了產品的協同設計需求,Workbench滿足了產品協同仿真需求。ANSYS協同仿真環境將沖破仿真領域中封建觀念的禁錮,消除信息孤島,整合CAE資源,讓仿真工作在協同環境中發揮最大作用!
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