基于CAE分析的現代設計流程

2013-07-17 by:廣州Abaqus培訓中心來源:仿真在線

基于CAE分析的現代設計流程

作者:ANSYS公司成都辦事處雷先華

一、前言

在現實生活中,“現代設計”是一個被經常提及的話題,其內涵非常寬泛,涉及設計學原理、設計方法學、計算機輔助創新(CAI)、計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助工程(CAE)、計算機輔助制造(CAM)、優化和可靠性設計、工業藝術設計、價值工程、反求工程及相似設計等領域,是與直覺設計、經驗設計、半經驗半理論設計等傳統設計方法相對應的一個概念。不難看出,計算機輔助技術已經成為現代設計方法的主要手段和工具,而其中的CAE技術又成為現代設計流程的核心,因為只有CAE才具有以下功能。

(1) 應用數學模型,借助計算機分析計算,確保產品設計的合理性;
(2) 與優化技術配合,找出產品設計最佳方案 ;
(3) CAE所起到的虛擬樣機作用能預測產品在整個生命周期內的可靠性,甚至產品與產品、產品與環境等之間的相容性;
(4) 知識的獲取是現代設計的關鍵,只有CAE才能真正提高設計者的知識技能,而其他手段通常都只能起到使設計者工作更順手、能更好地表達設計意圖等作用,較少增加關鍵知識。

歷經數十年的發展,CAE技術的應用已經深入到設計流程的各個環節。本文以全球著名的CAE軟件ANSYS為例來闡述CAE分析在現代設計流程中的中心作用。

二、 CAE融入設計全過程

眾所周知,CAE分析利用現代計算機強大的數值計算能力所起到的“虛擬樣機”作用在很大程度上替代了傳統設計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設計”過程,極大地縮短了設計周期、減少了成本。但是,目前眾多的設計單位將“CAD”與“CAE分析”截然分開,由不同的人或部門來完成設計與分析工作,存在工作和數據交接、結果等待和評判等過程,造成了整個設計流程的不暢通。事實上,在理想的現代設計過程中,CAE應該融入產品設計的各個階段和環節,實現設計分析一體化,如圖1所示。

基于CAE分析的現代設計流程流體仿真分析圖片圖片1

很顯然,要達到這樣的一體化目標,分析工具需要適應設計的各個環節,它必須具有以下特征。
(1) 與主要設計工具CAD軟件具有良好的親和性(CAD模型的雙向參數相關);
(2) 界面簡潔、操作流程簡單、復雜技術(網格劃分、求解等)能智能化處理;
(3) 良好的計算精度和效率;
(4) 具有強大的分析能力以支持后期分析中經常涉及的復雜問題(非線性、多物理場等);
(5) 各階段的分析數據能流暢地傳遞。

針對上述前期CAE應用的要求,ANSYS在其經歷數十年發展的CAE解算技術的基礎上,專門開發了一套稱為ANSYS Workbench Environment(AWE)的CAE應用環境,配上其新一代的概念建模工具DesignModeler、革命性的優化設計工具DesignXplorer VT等手段,為CAE融入整個設計過程尤其是前期設計過程提供了技術上的完美保障。

“CAE融入設計全過程”的觀點已經得到世界上許多著名公司的廣泛認可。作為全球著名的工具制造商,Caterpillar公司的切身感受是:“在現代競爭環境下,設計流程非常需要一種‘自動的\’工程分析工具在設計早期階段提供有用信息。在Caterpillar,設計工程師將其工作經驗與AWE系列軟件相結合,以準確了解設計細節、及時把握設計方向,從而省時省錢,在競爭中取勝?！?

值得指出的是,設計過程實際上就是尋找最佳設計方案的過程,因此CAE優化設計技術所起的作用是極其重要的。前面提到的DesignXplorer VT就是一個非常優秀的CAE優化設計工具,其具有以下特點。

(1) 在有限元分析矩陣上利用高階級數展開的方法求解目標函數與設計變量之間的復雜關系;
(2) “一次有限元計算”即可完成整個優化設計過程(如圖2所示);
(3) 與CAD軟件聯合進行形狀參數優化。

基于CAE分析的現代設計流程流體動力學圖片圖片2

與常規的CAE優化技術需要數十、上百次大規模有限元計算相比,這種優化技術可大大提高設計效率。

三、 CAE工作的高級發展

現代產品設計力求高效率、高質量、低成本,這對CAE分析工具也提出了更高的要求 :有足夠的技術手段來盡量真實地模擬產品的工作行為。“真實模擬”涉及到許多高難度問題:高度非線性、多物理場耦合以及產品系統級復雜裝配體模型等等。事實上,CAE分析包括各種各樣的人工產品在內的自然界的所有分析對象,“非線性”和承受“多物理場”影響是其本質,“線性”和“單一物理場”僅僅是我們對特定分析對象在特定條件下的近似合理化假設。因此,“分析面廣、分析程度深、分析對象復雜”是現代CAE應用的發展方向,如圖3所示。圖4展示的是現代高級CAE軟件的組合分析能力,只有在這樣的分析手段配置下,才能真正解決“真實模擬”的問題。

基于CAE分析的現代設計流程cfd應用技術圖片圖片3

高級CAE分析對產品設計的技術貢獻是其他工作所不能替代的。比如,Pirod公司是專門生產無線通訊基站鋼結構塔體的制造商,破壞基站塔體的主要因素是無規律的高速風暴。利用ANSYS的FSI流固直接耦合分析技術,可準確計算塔體結構在極端風載荷作用下的力學特性。圖5顯示的即是在最不利的方向上,時速100英里的來風引起的塔體構件周圍風速分布及構件上的風壓分布。在該分析的基礎上,通過優化結構設計,在滿足強度、剛度要求的前提下,塔體使用的原材料和重量下降了將近50%,高級CAE分析的應用效果由此可見一斑。

基于CAE分析的現代設計流程cfd技術圖片4