开始CAE仿真之前,我们先来了解一下这些名词

开始CAE仿真之前,我们先来了解一下这些名词

如果将时间倒退10年,彼时的仿真工程师算是机械行业中的白领,薪资也是高人一等。经过这十来年技术的发展和整个行业人才的培育,无论是正版还是偷着用盗版,仿真软件已经非常普及,CAE技术在各企业、科研院所的应用也非常普遍,伴随的形成一大批从业人员。自然,目前行业状态应该也从最初的“蓝海”走向了“红海”,单一的一些仿真技术已经比较成熟,竞争也较为激烈。对于此时入行从事仿真的朋友,更多应该着眼于当下的技术难题和技术趋势,比如NVH、多物理场耦合、气动噪声、主动控制、虚拟样机、复杂机-电-液(气)多学科综合仿真、二次开发技术、自动化仿真平台构建、并行计算等方面。

虽然当下从业竞争大,但是作者同大家有一样的共识就是,在制造业往智能化数字化方向的发展过程中,连接物理与仿真的这条数字化桥梁必然是通过CAD和CAE技术,而这一块是不可或缺也是必须解决的问题,否则后面的问题无从谈起。你可以说我有传感器,我埋了很多数据采点,但数字化的过程仍然不可替代,所以行业机会和未来还是值得期待的。

铺垫这么多题外话,还是为了引出下面的内容,在开启CAE仿真之旅之前,我们需要了解了解该领域涉及的一些基础的技术词汇,当然某些与国标《 GB/T 31054-2014 机械产品计算机辅助工程 有限元法数值计算 术语》会有重合,更多的是作者自身的理解与补充,下面对这些术语作个简单介绍,抛砖引玉,希望对大家有所裨益。

NVH

全称为Noise,Vibration,Harshness。源于汽车行业,是各大汽车厂商在研发投入中占据重要地位的一个方面,主要针对汽车的振动噪声以及行使平顺性进行的技术研究。这一领域涉及的内容比较丰富也比较复杂,比如声学包建模、多体动力学、模态实验和仿真、主动控制、悬置系统设计等,每一块都是一个大课题,所以说NVH综合性强,网友称之为“玄学”!

多物理场耦合分析

在项目仿真中需要考虑两种或者两种以上的学科相互作用的影响的问题。比如热-应力耦合、流-固耦合、声-结构耦合、电-磁-热耦合等工程问题,根据耦合问题中相互作用的关系可以分为单向耦合和双向耦合,判断的条件是看两者是否发生相互的作用,如果仅一方对另一方其作用则为单向耦合。

多物理场问题求解较为复杂,涉及的知识广度更大,目前应用的领域更多的涉及电磁热以及流体相关工程领域,在这块比较知名的软件是COMSOL,当然WORKBENCH应用也比较广泛。

虚拟样机(数字样机)

比较大的概念,可以说所有的计算机仿真都算数字样机工程,但是由于国内出版的书籍以及各类刊物,更多的将数字样机和多体动力学(MBD)联系在一起,比如ADAMS,LMS Virtual.Lab MOTION,Samcef等。其实数字样机是一项庞大的系统工程,它所追求的目标就是尽可能的实现对物理样机的代替,全面数字化无图纸化,但是由于整个技术涉及较广泛的学科知识、庞大的实验数据积累以及长远的系统规划等诸多方面内容,目前应该以工程机械和汽车领域较为成熟。

并行计算(Parallel Computing)

字面意思很好理解,同时进行。这是一种处理大规模复杂问题的计算方法,通常将一个问题离散成多个可以并发进行的小问题,然后通过多核或者多台连接的计算机对每个小问题同时求解计算,极大地提升求解效率,比如超算中心的服务器集群解决整车碰撞、高铁高速运行及交会的流场模拟等。图1所示为并行计算的技术示意图。

图1 并行计算示意图

有限元(FEM)

  • 形函数

用于计算单元内部任意点数值的插值函数,以三角形单元为例,任一点函数值可由p=N1(x)*x1+N2(x)*x2+N3(x)*x3计算而得,其中xi为单元节点,Ni(x)为形函数。

也可用面积来表示,三角形单元内部任一点p与三边形成的三角形面积与原三角形面积之比Si/S,如图2所示。


图2 形函数面积法表示
  • 伽辽金法
    一种数值计算方法,由前苏联数学家伽辽金提出,是加权余量方法的一种。求解微分方程时将近似解带入原控制方程后会产生一定的误差,也叫余量,为了使这个余量为零,取上述形函数作为权函数,对余量进行加权积分,当使积分值为零的时候的解作为原微分方程的近似解,伽辽金法求解精度比较高。
  • 单元与节点

单元与节点是一一对应的。单元包含节点,每个节点体现在有限元计算中的刚度矩阵中,矩阵的维数与节点的个数和自由度多少有关,由于单元与单元之间存在共用节点的问题,所以总体矩阵中也会存在叠加重合的区域,最终计算的整体矩阵是所有节点每个自由度上的值依据所属单元编号位置关系组装得到的。

  • 单元类型

主要描述不同的分析单元种类,目前主要是线性三角形单元、四边形单元、四面体单元、六面体单元以及二次的上述单元,另外还包括壳单元、梁单元等,不同的商用软件针对单元的命名和编写都不太一样,但总体大类不外乎以上各类单元。

  • 等参数单元

为解决复杂问题提出的解决方法,将不规则单元按照一定的映射关系转化为规则单元,这里的“等”体现在它们的节点数是一样的,如图3所示。而映射关系则基于坐标变换,它们之间的连接通过雅克比矩阵完成,最终实现对复杂问题的求解。


图3 等参单元
  • 沙漏现象
    一种因为数值计算产生的有限元缺陷,体现为单元受力变形但没有应变能,也就是我们常说的伪应变能,从而导致单元没有刚度,这显然是不正确的。一般可以通过细化网格或者改用完全积分单元来计算来控制沙漏问题的产生。

参数化设计

主要基于CAD设计软件而言,设计中已经将几何约束关系等考虑在内,通过直接尺寸驱动整体设计的更新,该技术使得设计更加高效快捷,常用的三维建模软件均能实现这一功能,参数化设计有利于我们开展优化设计和自动化的仿真等工作。

灵敏度及响应面(RSM)

优化设计中的概念,灵敏度很好理解,用于分析变量对目标结果的影响。响应面也是用来进行灵敏度分析的,它是利用样本点计算得到的值来拟合获得一个曲面,主要用于优化设计。这里面涉及很多统计学方面的知识,涉及抽样方法、稳健性评估等内容,目前像Workbench中集成了相关的分析方法,使用较为方便。

主动控制(Active Control)

用于研究和控制振动噪声的技术,字面意思是主动去对外部产生的振动噪声进行干预,一般通过反馈调节控制。如果不好理解可以结合目前市面上比较流行的主动降噪耳机,这种耳机通过降噪系统产生于外界噪音相同但是反向的声波,从而将噪音主动消除,达到降噪效果。目前来讲这是一种比较前言和技术难度较高的技术,在声振、NVH等领域逐渐在开展。


当然,除了上面提到的这些散乱的内容,还有非常多尚未涉及的点,感兴趣的朋友可以逐一完善,提出指点,以上,希望和大家交流。

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