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仿真可以做什么

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仿真可以做什么

CFDer 张国辉

上一篇文章重点讲了仿真是什么,本篇重点说一下仿真可以做什么。

通常我们所说的仿真是指CAE,CAE英文是ComputerAid Engineer(计算机辅助工程),就是计算机辅助工程计算的一种方法。有些人还听说过CAD、CFD,CAD(ComputerAided Design)是计算机辅助工程设计,通俗来说大部分工作是画设计图;CFD(ComputationalFluid Dynamics)是计算流体动力学,通俗来说就是流体计算,严格来说它属于CAE的一种。

如果将产品设计分为三个阶段,即前期、中期及后期,任何时期都有可能会用到CAE。在前期,CAE主要用于概念设计;在中期,CAE主要用于优化设计;在后期,CAE主要用于性能校核[1]。

CAE应用的领域包括:

1、结构计算

CAE的狭义定义认为CAE只是指结构计算。

结构计算又包括静力学计算、动力学计算、疲劳寿命计算、裂纹扩展分析、运动仿真等。

静力学计算主要是分析产品在稳定载荷下应力、位移和应变,可以检验产品的强度、刚度和稳定性。

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图1 胸罩静力学计算[2]

图2 齿轮静力学计算[3]

动力学计算是指结构在实际工作时会受到随着时间变化的载荷作用,仅做静力学计算不能满足结构安全性的要求。动力学计算包括模态计算、谐响应分析、瞬态动力学、谱分析、随机响应分析等。可以找出产品共振频率、产品在稳态简谐载荷作用下的响应、分析产品受随时间变化的载荷作用下的响应、分析结构在一定功率谱密度随机载荷作用下的受力特性。

图3 模态分析[4]

图4卢浦大桥模态分析[5]

显式动力学通常的应用领域主要有:汽车工业,如汽车碰撞分析、气囊设计等;制造业,如冲压、锻造、铸造、切割等;建筑业,如爆破拆除、地震安全和混凝土结构等;航空航天,如飞机结构冲击动力分析、碰撞和坠毁、火箭级间分离模拟分析、冲击爆炸及动态载荷和特种复合材料设计等;国防工业,如穿甲弹与破甲弹设计、冲击波传播和空气,水与土壤中爆炸等;电子领域,如跌落分析、包装设计和电子封装等。显式动力学仿真的问题涉及瞬态、大应变、大变形、材料破坏、材料完全失效或伴随复杂接触的结构问题[6]。

图5 仪表板头撞分析[4]

图6气囊静态展开分析[4]

疲劳寿命计算是指分析产品低于材料屈服极限的反复载荷作用下,达到一定的循环次数后,在应力集中部位会产生裂纹,裂纹在一定条件下扩展,最终突然断裂,导致疲劳破坏的情况。

车身结构的耐久性是汽车的重要指标之一,对耐久性的评估一般是用实际的样车进行试验室台架疲劳试验以及试验场进行实车的可靠性道路试验,试验的方法虽然是一种必不可少的可靠的方法,但必须要在样车完成之后才能进行试验并发现问题,然后解决问题,但这在开发过程中已经滞后,如果问题严重,还将带来开发周期的延长和巨额的设计变更费用,增加开发成本。CAE 疲劳分析技术是在没有实物样车的工程化设计阶段,用CAE的方法,在虚拟环境下,预测车身的疲劳性能,尽可能在设计阶段预测和解决车身可能存在的疲劳问题[7]。

图7 车身疲劳分析[7]

图8 齿轮疲劳分析[8]

裂纹扩展分析是指分析材料在外界因素作用下裂纹成核、生长的动态过程。

图9 裂纹扩展断裂分析[9]

图10 裂纹扩展断裂分析[9]

运动仿真是指将机器中的零件赋予相应的速度和加速度,组成相应构件,模拟机器运动的过程。运动仿真在机器仿造,逆向化生产方面应用广泛。

图11 运动仿真[10]

图12 挖掘机运动仿真[11]

2、流体计算

流体仿真就是常说的CFD计算。

流体计算包括基本流体运动、热交换、组分扩散、化学反应及燃烧、多相流、相变、气动噪声等。

基本流体运动包括层流流动和湍流流动。层流流动可以简单认为流体是一层一层流动的,各层间互不干扰,互不相混;湍流流动是指流体处于无规则的乱流状态。

图13 层流和湍流图示[12]

图14 圆柱绕流(湍流)[13]

图15 鱼类的摆尾式游泳姿态[14]

图16 汽车外流场(湍流)[15]

图17 建筑外流场(湍流)[16]

热交换是两个物体或同一物体由于温差不同而引起各部分之间的热量传递过程。热交换一般通过热传导、热对流和热辐射三种方式来完成。

图18 热交换器[17]

图19 电子元件散热[18]

图20 灯泡内的自然对流[19]

组分扩散:先说组分就是混合物(包括固、液、气)中的各个成分。组分扩散过程中常常包含化学反应,常见的组分扩散如室内甲醛污染物浓度变化、烟囱烟气排放、多种固液气体均匀混合(溶质稀释组分)、气体泄漏等。

图21 污染物排放[20]

图22 牛奶王冠现象[37]

图23 燃烧仿真[23]

图23 燃烧仿真[23]

多相流是指研究固、液、气物质混合流动,可以细分为两相流和多相流。

常见的两相流有:气-液两相流,如含有气泡的液体流动,水蒸气的液化过程等;气-固两相流,如气流输送(喷吹)粉料,塑料颗粒流动等;液-固两相流,如河道中的含沙水流,含有冰块的管道流动等。

常见的多相流有:风与海浪对沙滩作用;金属凝固过程(包含相变)等。

图24 水车 [24]

图25 油滴上升[25]

相变是指物质从一种相转变为另一种相的过程。物质有固相、液相、气相三种状态相,例如水变成冰就是液相转变为固相。相变仿真在相变蓄热、冷凝器、金属凝固与融化、水泥搅拌与凝固方向应用较多。

图26 汽车玻璃除霜除雾[37]

图27 模拟金属棒从液态到固态的铸造过程[25]

图28 激光热烧蚀[14]

气动噪声是指设备、装置、汽车、火箭或者其他物体由于速度变化,引起其周围或内部的气体变为湍流流动,这些气流会直接产生的振幅和频率杂乱、统计上无规则的声音。常见的气动噪声有:汽车行驶的气动噪声、风力发电机的气动噪声、输气管道的气动噪声等。

图29 鸭式布局前缘涡系[26]

图30  汽车后视镜的气动噪声分析[37]

电磁场计算

电磁场计算包含高频电磁场与低频电磁场。

主要适用于无线和有线通信、计算机、卫星、雷达、半导体和微波集成电路、航天航空等领域,可对螺线管、调节器、发电机、变换器、磁体、加速器、天线辐射、等离子体装置、磁悬浮装置磁成像系统、电解槽及无损检测装置等进行包括静磁场分析、时变磁场交流磁场分析、静电场、AC电场分析、电路分析、电路/磁场耦合分析、电磁兼容分析及高频电磁场分析、计算洛伦茨力合焦耳热/力等计算。

图31某型号反射面天线的电磁特性[27]

图32单极天线阵列的远场辐射图[14]

4、光学计算

利用matlab仿真计算可以了解反射率、透射率、相位等随入射角度的变化关系,得到布鲁斯特角、全反射、倏逝波等基本概念及特性;通过方程组联立,可以得到抽运光、激光以及反转粒子数密度沿光纤长度的变化[28]。

光学计算两个举足轻重的研究方向是光波导和激光。

图33 高能激光聚焦系统中的热致焦移[29]

图34 两个凸透镜系统中的射线轨迹[29]

图35光学仿真[30]

5、多物理场耦合计算

多物理场耦合计算就是指实际仿真中需要计算结构、流体、电磁等等多种计算搅和在一起计算,每种情况相互影响,相互作用(耦合)。随着计算机性能的不断增强,越来越多的工程问题可以考虑多物理场耦合计算。

可以实现电磁与温度、电磁与结构、温度与结构、电磁与流体的单/双向耦合仿真,计算电机的电磁特性、温度分布、结构应力、振动噪声等,全面分析电机的多物理场耦合特性。

例如电机工作时,定子和转子绕组通有电流,电流流动产生磁场、电磁力和电磁力矩;由于绕组具有电阻,以及磁场在冲片和线圈上要产生涡流,引起涡流损耗,因此,在线圈和冲片上要产生热量;电机通过其通风系统来带走一部分热量,剩余的热量会引起电机温度的升高,所以需要在稳定工作状态下达到温度平衡;温升会产生热变形和热应力,对结构的机械性能产生影响。所以,电机需要电磁、温度、结构三个方面的性能耦合计算。

图36 多物理耦合平台(实现数据交互)[31]

图37刨削仿真模拟[3]

图38汽车颠簸路面行驶[32]

图39 薄膜阀的流固耦合模拟[33]

图40 水电站水与涡轮叶片相互作用时厂房的振动[33]

图41 心脏的流动[33]

6、系统仿真

系统仿真就是根据系统分析的目的,在分析系统各要素性质及其相互关系的基础上,建立能描述系统结构或行为过程的、且具有一定逻辑关系或数量关系的仿真模型,据此进行试验或定量分析,以获得正确决策所需的各种信息[34]。

图42 冷却系统仿真分析模型[34]

图43 解调的FM广播程序框图[35]

图44暖通空调数据采集控制系统中的应用[36]

参考文献:

[1]流沙CAE.关于CAE的那点儿破事儿..

[6]于文强,吴峰倩.ANSYS Workbench基础教程与工程分析详解[M].北京:清华大学出版社,2017.

[7]基于CAE的车身疲劳分析..

[8]CAE仿真技术在汽车疲劳分析中的应用..

[9]技术邻.DEBOND裂纹扩展断裂分析实例.

[10]SolidWorks棘轮及槽轮机构运动仿真实例.

[12]%E5%B1%82%E6%B5%81%E5%92%8C%E6%B9%8D%E6%B5%81/?fr=aladdin.

[14]让仿真更生动:利用动画展示仿真结果. 

[17]COMSOL.管壳式散热器.-and-tube-heat-exchanger-12685.

[19]-convection-in-a-light-bulb-303.

[21]唐家鹏.ANSYS FLUENT 16.0 超级学习手册[M].北京:人民邮电出版社,2016.

[22]胡仁喜,康士廷.FLUENT 16.0流场分析从入门到精通[M].北京:机械工业出版社.

[23]Keppeler R ,Tangermann E ,Allaudin U ,et al.LES of Low to High Turbulent Combustion in an Elevated Pressure Environment[J].Flow, Turbulence and Combustion, 2014, 92(3):767-802.

[25]计算流体力学--多相流仿真专题..

[26]全国精品课程空气动力学介绍.

[28]欧攀,林志立,江洁.MATLAB数值计算在光学仿真和教学中的应用[J].教育教学论坛, 2012(33):80-81.

[29]COMSOL.射线光学仿真照亮创新之路.

[30]西电物光院.光电仿真与先进显示研究所.

[31]技术邻.WorkBench平台下两圆管双向流固耦合分析(考虑结构变形)..

[33]严健(技术邻).FSI典型案例及应用领域..

[34]张学恩,王伟民,叶伊苏,周洪利.某款乘用车冷却系统仿真分析研究[J].2010年CDAJ-China中国用户论文集.

[35]深层概念教学-了解RF无线电广播.

[36]LabVIEW在暖通空调数据采集控制系统中的应用..

[37]网络图片.

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