ANSYS对航空工业期待协同仿真环境

2013-06-09 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

第二章中国航空工业期待协同仿真环境

1.国航空工业的CAE技术现状

CAE技术在中国航空工业的应用已有30年的历史。伴随世界CAE技术的发展,本行业对CAE技术的理解和应用也逐步深入。与其他工业行业相比,航空工业对CAE技术具有最全面的需求。在中国航空工业各个企业和研究所,CAE软件和技术可谓百花齐放,行业自编软件和国外进口软件比翼双飞。

1.1国外商业化CAE软件

这些软件按照应用范围分为四类:

(1)以结构分析为核心的MCAE(MechanicalComputerAidedEngineering)软件,如ANSYS公司的Mechanical、LS-DYNA、VirtualMotion、Fe-Safe软件,MSC公司的Nastran、Dytran、ADAMS、Fatigue软件,ABAQUS公司的ABAQUS软件等;

(2)以流体动力学分析为核心的CFD(ComputationalFluidDynamics)软件,如ANSYS公司出品的CFX软件,Fluent公司的Fluent软件,CDadapco公司出品的STAR-CD软件等;

(3)以计算电磁学分析为核心的CEM(ComputationalElectromagnetic)软件,如ANSYS公司出品的EMAG和FEKO软件,Ansoft公司出品的HFSS软件,CST公司出品的MicrowaveStudio软件等;

(4)结构-热-流体-电磁耦合分析软件,如ANSYS公司出品的Multiphysics软件。

1.2企业或研究所自编软件

航空工业是技术和知识高度密集的高科技产业,是多学科、多专业、多层次的大型复杂系统,素有“工业之花”之美称。这个行业人才辈出,在世界商业CAE程序尚未进入中国之前,在中国航空工业就存在大量由这些行业精英编制的小型CAE程序。即使现在商业CAE软件如此发达的今天,本行业仍然在采用和发展这些程序,以弥补商业CAE软件在某些特殊领域的不足。

2.仿真技术百家争鸣双刃剑

世界CAE技术的百家争鸣为中国航空CAE应用带来了繁荣。这种繁荣为中国航空工业的技术进步起到了不可磨灭的促进作用。不同程序具有不同的应用对象,同一项目的不同分析需求(如强度分析和气动分析)采用不同软件来解决。即使同一类软件(如ANYSMechanical和MSC.Nastran,同属于结构分析软件),不同软件也具有各自特点,对相同问题采用不同软件互相印证在行业中也比较常见。

但繁荣的背后也隐藏着问题,仿真软件的百家争鸣是一把双刃剑,为中国航空工业应用带来益处的同时也带来诸多烦恼。

2.1学习及使用的烦恼

对于不同的CAE软件,他们虽然具有工作目的:即将工程问题转变成可以进行CAE仿真的模型,但他们的前后处理风格却迥然不同。对于相同目的但不同风格的环境,学习与熟悉仍需要耗费大量的时间。即使掌握了,在使用的时候仍然需要在不同界面之间切换,非常不便。

同时,行业小型CAE软件普遍存在的一个问题就是易用性。由于这些程序的编制人员是行业技术专家而不是软件专家。他们在编制这些程序时通常只关注计算功能而忽略前后处理,编制这些软件的人可自如运用,但对其他人员来说,如果没有深入的培训,使用起来可能无从下手。

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图2-2-1现代仿真技术的百家争鸣

2.2交流与共享的烦恼

不同的CAE程序生成的模型数据和结果数据不同,导致诸多数据交流与资源共享的问题:

(1)同类CAE软件的印证失效:由于模型的不同,相同类型的CAE软件(如ANSYS与Nastran)之间互相印证失去统一标准,使得这种印证只是个美好的愿望。

(2)行业内部交流:中国航空工业内部各企业、各科研院所之间的交流与合作是信息化首要解决的问题,仿真软件百家争鸣双刃剑却在有意无意地割断这种合作与交流。

(3)资源共享的烦恼:仿真软件使用人员完成的分析模型和计算结果是企业重要的智力资产,在其他时间和场合下可以重复利用,资源可以被多次共享,价值可以再生,长时间造福整个行业。但由于缺乏统一平台,得来不易的成果只能停泊在某个码头造福一方而已。

2.3多场耦合的烦恼

由于模型和结果文件不能良好通讯,不同场之间的耦合分析成为奢望。ANSYS公司由于在一年前收购了世界著名的流体动力学分析软件CFX,使得这一问题到解决。但像结构分析程序Nastran和流体动力学分析软件Fluent,虽然在各自的分析领域内得到人们的认可,但对它们不是一家公司的产品,数据结构不同,他们之间的流固耦合仍只能望之兴叹。

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图2-3-1协同仿真环境基于网络的三层构架

3.ANSYS协同仿真环境

面对仿真软件的百家争鸣双刃剑,ANSYS公司提出的观点是:保持核心技术多样化的同时,建立协同仿真环境。

在ANSYS协同仿真环境中工作,人们始终面对同一个环境,而不是在各种设计与分析程序之间切换。使用基于网络的三层构架,所有的设计技术与分析技术只是这个环境的后台技术。所有与仿真工作相关的人、技术、数据在这个统一环境中协同工作,各类数据之间的交流、通讯和共享皆可在这个环境中完成。该协同环境具有以下特征:

3.1CAE技术与数据的协同

对于具有多类核心仿真技术的航空企业,分析技术与数据的协同应该是这个仿真环境的核心目的。ANSYS协同仿真环境解决可以满足协同仿真的基本和高级需求:

(1)基本需求:兼容性

协同仿真环境中生成的网格可以直接生成其他仿真核心程序需要的文件格式;

协同仿真环境可直接接受其他仿真软件生成的网格。

(2)深层需求

建立CAE网格的技术足够强大,能快速将设计数据转变成CAE网格,而且网格形态优秀,满足各类CAE软件对网格形态的要求。

具有快速解读复杂CAE模型的能力。一个复杂的仿真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。如果没有合适工具,全凭自己对模型的理解来了解这些信息可能会花费大量的时间。但如果不能快速了解这些信息,协同将无从谈起。

具有“死网格”的再生能力。在优化设计时我们通常需要经过“修改模型-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。当你在协同设计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协同仿真环境能使死网格再生,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,使协同效应最大化。

多场耦合能力。协同仿真环境不但可以使MCAE和CFD模型自由转换,而且CFD的后处理结果可以作为载荷施加在MCAE模型之上。因此,ANSYS协同仿真环境可以将各种MCAE软件和CFD软件结为表兄弟,实现多种软件之间的耦合,如Nastran和Fluent或CFX的耦合、ANSYS和Fluent的耦合等。

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图2-3-2整机模型解读,图中显示了各种材料的所在位置

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图2-3-3航空发动机纯网格模型叶片者角度可以随意调整

3.2CAD与CAE之间的协同

设计数字化(CAD设计)和试验数字化(CAE仿真)是飞机制造数字化工程中不可分割的两个方面。现代CAE技术可以直接使用CAD软件设计的模型进行仿真分析是现代设计方法提出的要求。而ANSYS协同仿真环境不只将CAE模型与CAD模型简单兼容,而且建立CAD和CAE之间的参数互动关系。

(1)ANSYS协同仿真环境能在统一环境中从不同CAD系统先后读入不同零部件模型,并将这些零部件实现再次装配,以便为CAE分析提供完整的几何模型。对于现代大中型企业,使用多种CAD程序是很正常的。对于一架飞机,负责不同部件设计的设计组使用的CAD程序有可能不同,但进行整机分析的时候又必须将这些设计模型整合在一起。

(2)协同仿真环境能保留这些零部件在原始CAD系统的设计参数,以便在仿真时进行优化。

(3)用户在CAD环境中修改CAD模型的某些参数后,协同仿真环境只需经过刷新操作即可修改CAE模型的参数,此环境中的网格和载荷设置完整保留,可直接求解;

(4)协同仿真环境中进行分析优化之后,确定了最优的设计参数,在CAD中也只需刷新操作即可将协同仿真环境中的参数读取回来直接修改CAD模型,而不需要重新设计模型或手工修改设计参数。

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图2-3-4在协同仿真环境中装配来自proe的支座和UG的齿轮

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图2-3-5协同仿真环境数据流

4.协同仿真环境的客户化定制

ANSYS把成熟的CAE软件拆成CAE技术组件(API),ANSYS协同仿真环境是由这些组件装配而成。用户以根据自己的实际需要方便地将这些拆散的组件重新装配,形成用户定制的协同仿真环境,并集成具有自主知识产权的技术,形成既能够充分满足自身的分析需求,又具有个性化的协同仿真环境。当然,在这种重新组合过程中,用户可以放弃不需要的原有组件,实现量身订制,使程序短小精悍,省去不必要的硬件开销。另外,用户可以自己开发新的组件,这些组件与ANSYS组件平等,而不像其他软件的二次开发功能那样:新开发的代码永远是商业软件的附庸而导致成本高、灵活性差的缺点。

Workbench开发的程序可融入分析专家的成果及经验,使分析过程规范化。不同的使用者可能对CAE的理解不同,但对具体问题,分析级别都统一在分析专家的级别上,在最大程度上保证分析结果的正确性。现代企业竞争归根到底是人才和知识的竞争,分析专家智力资产的宝贵程度是毋庸置疑的。但这些资产的保存、积累与共享是人们一直在探讨的一个话题。现在通过Workbench,使这样的问题有了满意的解决方案。当专家们的知识固化入程序中以后将永久保留与共享,随着这种工作的持续进行,将为企业积累异常宝贵的智力资产。

Workbench的引入使这种开发变得方便快捷。利用Workbench,程序开发人员没必要将所有的CAE技术从头开发。他们是行业的技术专家,不是软件技术专家,他们头疼的事情往往不是专业技术的实现,而是软件编程技术合理应用。利用Workbench,他们可以直接使用ANSYS公司软件专家们的前沿软件技术,真正专注于本行业的专业技术,而不是把时间浪费在他们不熟悉的软件技术上。

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,协同仿真时代已经到来,这些技术之间的合作将是今后CAE发展的主旋律。ANSYSWorkbench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。

时下流行的PDM满足了产品的协同设计需求,Workbench满足了产品协同仿真需求。ANSYS协同仿真环境将冲破仿真领域中封建观念的禁锢,消除信息孤岛,整合CAE资源,让仿真工作在协同环境中发挥最大作用!

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