ANSYS對(duì)航空工業(yè)期待協(xié)同仿真環(huán)境

2013-06-09 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

第二章中國(guó)航空工業(yè)期待協(xié)同仿真環(huán)境

1.國(guó)航空工業(yè)的CAE技術(shù)現(xiàn)狀

CAE技術(shù)在中國(guó)航空工業(yè)的應(yīng)用已有30年的歷史。伴隨世界CAE技術(shù)的發(fā)展,本行業(yè)對(duì)CAE技術(shù)的理解和應(yīng)用也逐步深入。與其他工業(yè)行業(yè)相比,航空工業(yè)對(duì)CAE技術(shù)具有最全面的需求。在中國(guó)航空工業(yè)各個(gè)企業(yè)和研究所,CAE軟件和技術(shù)可謂百花齊放,行業(yè)自編軟件和國(guó)外進(jìn)口軟件比翼雙飛。

1.1國(guó)外商業(yè)化CAE軟件

這些軟件按照應(yīng)用范圍分為四類:

(1)以結(jié)構(gòu)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(dòng)力學(xué)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(jì)算電磁學(xué)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(jié)構(gòu)-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(yè)或研究所自編軟件

航空工業(yè)是技術(shù)和知識(shí)高度密集的高科技產(chǎn)業(yè),是多學(xué)科、多專業(yè)、多層次的大型復(fù)雜系統(tǒng),素有“工業(yè)之花”之美稱。這個(gè)行業(yè)人才輩出,在世界商業(yè)CAE程序尚未進(jìn)入中國(guó)之前,在中國(guó)航空工業(yè)就存在大量由這些行業(yè)精英編制的小型CAE程序。即使現(xiàn)在商業(yè)CAE軟件如此發(fā)達(dá)的今天,本行業(yè)仍然在采用和發(fā)展這些程序,以彌補(bǔ)商業(yè)CAE軟件在某些特殊領(lǐng)域的不足。

2.仿真技術(shù)百家爭(zhēng)鳴雙刃劍

世界CAE技術(shù)的百家爭(zhēng)鳴為中國(guó)航空CAE應(yīng)用帶來了繁榮。這種繁榮為中國(guó)航空工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步起到了不可磨滅的促進(jìn)作用。不同程序具有不同的應(yīng)用對(duì)象,同一項(xiàng)目的不同分析需求(如強(qiáng)度分析和氣動(dòng)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(jié)構(gòu)分析軟件),不同軟件也具有各自特點(diǎn),對(duì)相同問題采用不同軟件互相印證在行業(yè)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(zhēng)鳴是一把雙刃劍,為中國(guó)航空工業(yè)應(yīng)用帶來益處的同時(shí)也帶來諸多煩惱。

2.1學(xué)習(xí)及使用的煩惱

對(duì)于不同的CAE軟件,他們雖然具有工作目的:即將工程問題轉(zhuǎn)變成可以進(jìn)行CAE仿真的模型,但他們的前后處理風(fēng)格卻迥然不同。對(duì)于相同目的但不同風(fēng)格的環(huán)境,學(xué)習(xí)與熟悉仍需要耗費(fèi)大量的時(shí)間。即使掌握了,在使用的時(shí)候仍然需要在不同界面之間切換,非常不便。

同時(shí),行業(yè)小型CAE軟件普遍存在的一個(gè)問題就是易用性。由于這些程序的編制人員是行業(yè)技術(shù)專家而不是軟件專家。他們?cè)诰幹七@些程序時(shí)通常只關(guān)注計(jì)算功能而忽略前后處理,編制這些軟件的人可自如運(yùn)用,但對(duì)其他人員來說,如果沒有深入的培訓(xùn),使用起來可能無從下手。

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圖2-2-1現(xiàn)代仿真技術(shù)的百家爭(zhēng)鳴

2.2交流與共享的煩惱

不同的CAE程序生成的模型數(shù)據(jù)和結(jié)果數(shù)據(jù)不同,導(dǎo)致諸多數(shù)據(jù)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(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),使得這種印證只是個(gè)美好的愿望。

(2)行業(yè)內(nèi)部交流:中國(guó)航空工業(yè)內(nèi)部各企業(yè)、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(zhēng)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(jì)算結(jié)果是企業(yè)重要的智力資產(chǎn),在其他時(shí)間和場(chǎng)合下可以重復(fù)利用,資源可以被多次共享,價(jià)值可以再生,長(zhǎng)時(shí)間造福整個(gè)行業(yè)。但由于缺乏統(tǒng)一平臺(tái),得來不易的成果只能停泊在某個(gè)碼頭造福一方而已。

2.3多場(chǎng)耦合的煩惱

由于模型和結(jié)果文件不能良好通訊,不同場(chǎng)之間的耦合分析成為奢望。ANSYS公司由于在一年前收購(gòu)了世界著名的流體動(dòng)力學(xué)分析軟件CFX,使得這一問題到解決。但像結(jié)構(gòu)分析程序Nastran和流體動(dòng)力學(xué)分析軟件Fluent,雖然在各自的分析領(lǐng)域內(nèi)得到人們的認(rèn)可,但對(duì)它們不是一家公司的產(chǎn)品,數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同,他們之間的流固耦合仍只能望之興嘆。

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圖2-3-1協(xié)同仿真環(huán)境基于網(wǎng)絡(luò)的三層構(gòu)架

3.ANSYS協(xié)同仿真環(huán)境

面對(duì)仿真軟件的百家爭(zhēng)鳴雙刃劍,ANSYS公司提出的觀點(diǎn)是:保持核心技術(shù)多樣化的同時(shí),建立協(xié)同仿真環(huán)境。

在ANSYS協(xié)同仿真環(huán)境中工作,人們始終面對(duì)同一個(gè)環(huán)境,而不是在各種設(shè)計(jì)與分析程序之間切換。使用基于網(wǎng)絡(luò)的三層構(gòu)架,所有的設(shè)計(jì)技術(shù) 與分析技術(shù)只是這個(gè)環(huán)境的后臺(tái)技術(shù)。所有與仿真工作相關(guān)的人、技術(shù)、數(shù)據(jù)在這個(gè)統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作,各類數(shù)據(jù)之間的交流、通訊和共享皆可在這個(gè)環(huán)境中完成。該協(xié)同環(huán)境具有以下特征:

3.1CAE技術(shù)與數(shù)據(jù)的協(xié)同

對(duì)于具有多類核心仿真技術(shù)的航空企業(yè),分析技術(shù)與數(shù)據(jù)的協(xié)同應(yīng)該是這個(gè)仿真環(huán)境的核心目的。ANSYS協(xié)同仿真環(huán)境解決可以滿足協(xié)同仿真的基本和高級(jí)需求:

(1)基本需求:兼容性

協(xié)同仿真環(huán)境中生成的網(wǎng)格可以直接生成其他仿真核心程序需要的文件格式;

協(xié)同仿真環(huán)境可直接接受其他仿真軟件生成的網(wǎng)格。

(2)深層需求

建立CAE網(wǎng)格的技術(shù)足夠強(qiáng)大,能快速將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成CAE網(wǎng)格,而且網(wǎng)格形態(tài)優(yōu)秀,滿足各類CAE軟件對(duì)網(wǎng)格形態(tài)的要求。

具有快速解讀復(fù)雜CAE模型的能力。一個(gè)復(fù)雜的仿真模型可能蘊(yùn)含大量信息,當(dāng)你打開別人的復(fù)雜模型時(shí)會(huì)一片茫然。如果沒有合適工具,全憑自己對(duì)模型的理解來了解這些信息可能會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間。但如果不能快速了解這些信息,協(xié)同將無從談起。

具有“死網(wǎng)格”的再生能力。在優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)我們通常需要經(jīng)過“修改模型-重新計(jì)算”的多次循環(huán)。沒有幾何模型、只有網(wǎng)格時(shí)稱為“死網(wǎng)格”,因?yàn)槟悴荒軓倪@些網(wǎng)格入手修改設(shè)計(jì)。當(dāng)你在協(xié)同設(shè)計(jì)過程中接受來自別人的網(wǎng)格時(shí),得到“死網(wǎng)格”的可能性非常之大?！八谰W(wǎng)格”除了存檔之外沒有其它價(jià)值。ANSYS協(xié)同仿真環(huán)境能使死網(wǎng)格再生,允許用戶將“死網(wǎng)格”參數(shù)化,可以像CAD那樣隨意修改網(wǎng)格模型,使協(xié)同效應(yīng)最大化。

多場(chǎng)耦合能力。協(xié)同仿真環(huán)境不但可以使MCAE和CFD模型自由轉(zhuǎn)換,而且CFD的后處理結(jié)果可以作為載荷施加在MCAE模型之上。因此,ANSYS協(xié)同仿真環(huán)境可以將各種MCAE軟件和CFD軟件結(jié)為表兄弟,實(shí)現(xiàn)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。

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圖2-3-2整機(jī)模型解讀,圖中顯示了各種材料的所在位置

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圖2-3-3航空發(fā)動(dòng)機(jī)純網(wǎng)格模型葉片者角度可以隨意調(diào)整

3.2CAD與CAE之間的協(xié)同

設(shè)計(jì)數(shù)字化(CAD設(shè)計(jì))和試驗(yàn)數(shù)字化(CAE仿真)是飛機(jī)制造數(shù)字化工程中不可分割的兩個(gè)方面?，F(xiàn)代CAE技術(shù)可以直接使用CAD軟件設(shè)計(jì)的模型進(jìn)行仿真分析是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法提出的要求。而ANSYS協(xié)同仿真環(huán)境不只將CAE模型與CAD模型簡(jiǎn)單兼容,而且建立CAD和CAE之間的參數(shù)互動(dòng)關(guān)系。

(1)ANSYS協(xié)同仿真環(huán)境能在統(tǒng)一環(huán)境中從不同CAD系統(tǒng)先后讀入不同零部件模型,并將這些零部件實(shí)現(xiàn)再次裝配,以便為CAE分析提供完整的幾何模型。對(duì)于現(xiàn)代大中型企業(yè),使用多種CAD程序是很正常的。對(duì)于一架飛機(jī),負(fù)責(zé)不同部件設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)組使用的CAD程序有可能不同,但進(jìn)行整機(jī)分析的時(shí)候又必須將這些設(shè)計(jì)模型整合在一起。

(2)協(xié)同仿真環(huán)境能保留這些零部件在原始CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù),以便在仿真時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。

(3)用戶在CAD環(huán)境中修改CAD模型的某些參數(shù)后,協(xié)同仿真環(huán)境只需經(jīng)過刷新操作即可修改CAE模型的參數(shù),此環(huán)境中的網(wǎng)格和載荷設(shè)置完整保留,可直接求解;

(4)協(xié)同仿真環(huán)境中進(jìn)行分析優(yōu)化之后,確定了最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù),在CAD中也只需刷新操作即可將協(xié)同仿真環(huán)境中的參數(shù)讀取回來直接修改CAD模型,而不需要重新設(shè)計(jì)模型或手工修改設(shè)計(jì)參數(shù)。

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圖2-3-4在協(xié)同仿真環(huán)境中裝配來自proe的支座和UG的齒輪

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圖2-3-5協(xié)同仿真環(huán)境數(shù)據(jù)流

4.協(xié)同仿真環(huán)境的客戶化定制

ANSYS把成熟的CAE軟件拆成CAE技術(shù)組件(API),ANSYS協(xié)同仿真環(huán)境是由這些組件裝配而成。用戶以根據(jù)自己的實(shí)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(xié)同仿真環(huán)境,并集成具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的技術(shù),形成既能夠充分滿足自身的分析需求,又具有個(gè)性化的協(xié)同仿真環(huán)境。當(dāng)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(shí)現(xiàn)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(fā)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(fā)功能那樣:新開發(fā)的代碼永遠(yuǎn)是商業(yè)軟件的附庸而導(dǎo)致成本高、靈活性差的缺點(diǎn)。

Workbench開發(fā)的程序可融入分析專家的成果及經(jīng)驗(yàn),使分析過程規(guī)范化。不同的使用者可能對(duì)CAE的理解不同,但對(duì)具體問題,分析級(jí)別都統(tǒng)一在分析專家的級(jí)別上,在最大程度上保證分析結(jié)果的正確性?，F(xiàn)代企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)歸根到底是人才和知識(shí)的競(jìng)爭(zhēng),分析專家智力資產(chǎn)的寶貴程度是毋庸置疑的。但這些資產(chǎn)的保存、積累與共享是人們一直在探討的一個(gè)話題。現(xiàn)在通過Workbench,使這樣的問題有了滿意的解決方案。當(dāng)專家們的知識(shí)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(xù)進(jìn)行,將為企業(yè)積累異常寶貴的智力資產(chǎn)。

Workbench的引入使這種開發(fā)變得方便快捷。利用Workbench,程序開發(fā)人員沒必要將所有的CAE技術(shù)從頭開發(fā)。他們是行業(yè)的技術(shù)專家,不是軟件技術(shù)專家,他們頭疼的事情往往不是專業(yè)技術(shù)的實(shí)現(xiàn),而是軟件編程技術(shù)合理應(yīng)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(shù),真正專注于本行業(yè)的專業(yè)技術(shù),而不是把時(shí)間浪費(fèi)在他們不熟悉的軟件技術(shù)上。

現(xiàn)代CAE技術(shù)的繁榮昌盛為用戶帶來寬廣選擇余地的同時(shí)也帶來了產(chǎn)品仿真的協(xié)同需求。各種CAE程序單打獨(dú)斗的時(shí)代即將過去,協(xié)同仿真時(shí)代已經(jīng)到來,這些技術(shù)之間的合作將是今后CAE發(fā)展的主旋律。ANSYSWorkbench搭建基于網(wǎng)絡(luò)的仿真工作統(tǒng)一環(huán)境,將百家爭(zhēng)鳴的仿真技術(shù)和紛繁復(fù)雜的仿真數(shù)據(jù)完美整合,與仿真相關(guān)的人、部門、技術(shù)及數(shù)據(jù)在統(tǒng)一環(huán)境中協(xié)同工作。

時(shí)下流行的PDM滿足了產(chǎn)品的協(xié)同設(shè)計(jì)需求,Workbench滿足了產(chǎn)品協(xié)同仿真需求。ANSYS協(xié)同仿真環(huán)境將沖破仿真領(lǐng)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(xié)同環(huán)境中發(fā)揮最大作用!

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