建设仿真标准，让仿真更“真”

中车齐齐哈尔车辆有限公司独立进行产品结构有限元分析工作始于1992年，经过多年的技术积累和信息化建设，目前已经具备了较强的仿真分析能力。

    作为我国最大的铁路货车研发制造基地，凭借雄厚的企业研发技术实力和创新能力，先后成功研制出27吨、30吨、35.7吨和40吨大轴重货车产品，能够满足几乎全球所有地区铁路重载货车运输需求，产品已出口到20多个国家和地区，并获得了全球多个运输行业巨头企业的高度信任，并与之建立了长期合作，这些成绩的取得都离不开仿真分析工作，仿真分析工作已成为方案评审必要节点。

领先的协同仿真分析平台

    “协同仿真分析平台”是基于仿真知识和流程规范，以需求驱动的仿真分析平台，该平台由多学科仿真分析工具集、仿真分析规范体系、高性能计算中心、协同仿真分析管理系统四部分组成，并与企业已有的PDM平台有效集成，以提高公司仿真分析的应用水平。将有限元分析流程化、模版化、规范化，实现有限元数据管理、有限元分析结果共享和可视化，打通了设计数据管理系统、仿真分析管理系统、试验数据管理系统数据流，可以大幅度提高仿真分析的水平、提高仿真分析工具的效率、缩短仿真分析的时间。实现了仿真分析工作的“管理制度化、制度流程化、流程表单化、表单电子化”，提升了仿真分析的水平和能力。

图/协同仿真分析平台架构

    协同仿真分析平台主要建设内容有以下四点：

    （1）多学科仿真分析工具集：完善针对货车产品仿真业务的各学科工具。

    （2）仿真分析规范体系：统一仿真工具使用，规范仿真作业流程；积累仿真经验，推进仿真规范建设。

    （3）高性能计算中心（HPC）：建设计算能力强大的大规模模型并行计算平台。

    （4）协同仿真分析管理系统：破除信息孤岛，以结构化方式管理复杂的仿真数据；将仿真数据和设计数据进行关联管理；建立仿真分析数据流程规范，管理仿真业务。

    目前，公司已建立起多学科仿真工具系统。涵盖线性及非线性强度分析、疲劳和断裂分析、装卸料分析、振动噪声分析、系统动力学性能及刚柔耦合分析、纵向动力学分析、空气动力学分析、焊接工艺分析、冲压分析、铸造分析、计算和试验相关性分析等学科，软件包括NX CAE、ANSYS、ABAQUS、NUCARS、ADAMS、PFC3D、PROCAST等，已形成学科完善、功能齐全的仿真分析体系。

图/多学科仿真分析工具集

    多年来，在重载快捷铁路货车关键零部件的仿真分析上积累了大量的成熟经验，对分析过程中的模型简化、网格划分、边界条件定义以及结果评价等均形成了企业自身的规范标准，并经过了反复的试验验证，被证明是符合实际情况的。所以企业希望将零部件的初算交由设计工程师完成，当设计工程师完成初步设计，运用仿真分析模板自行进行仿真分析计算，以确定零部件是否符合设计要求，如果分析结果不符合设计标准，设计工程师对设计进行修改，这个过程不需要仿真分析工程师的参与，当设计通过了仿真分析模板计算，设计工程师才能将设计通过仿真分析平台提交给仿真分析工程师进行专业验证。

    仿真分析模板主要以仿真分析指导书为蓝本进行设计：

    （1）将设计指导书中的分析流程进行划分，使模板的每一个步骤均执行明确的任务和输入输出内容。

    （2）归纳出仿真分析过程中可能会发生变化的参数与保持不变的参数，不会发生变化的参数，则不体现在界面上，由模板默认设置。只为不确定的参数设计界面。

    （3）模板设计要简化操作步骤，重新构建简洁的UI界面。

    开发的仿真分析模板界面如图所示。

图/仿真分析模板

货车工程仿真中心承担集团仿真分析的重要工作，推进仿真标准的建立以及仿真应用的推广，以仿真技术来提升货车的设计能力，从而打造国际化的货车研发体系。

图/货车工程仿真中心

    建立重载快捷铁路货车协同仿真分析管理系统，使设计模型能够顺畅地交付给有限元工具使用，实现有限元分析流程、有限元模板重用、有限元分析过程的规范、有限元数据的管理、有限元分析结果的共享和可视化，可以大幅度提高仿真分析的水平，提高仿真分析工作的效率，缩短仿真分析的时间。同时，与试验平台之间有效集成，实现在仿真分析方案与试验数据之间的即时共享数据、彼此验证和完善方案的可行性与科学性，可大大提升仿真分析与物理样车试验之间的知识价值。

图/协同仿真分析管理系统

    综上，通过协同仿真分析平台实现对来自不同种类、数量繁多的工具和软件进行多学科优化和参数协同，解决各个单点工具应用形成的数据孤岛问题，形成基于知识、流程化的产品多学科协同设计、仿真与优化能力，提高仿真分析精度、缩短开发周期，减少浪费，提高设计质量、减少工作量和失误，提高自主设计和创新设计能力。实现产品研发、知识工程、仿真分析、试验验证的良性循环，最终建立中车铁路货车工程仿真中心，建成国际领先的铁路货车协同仿真分析平台。

继续深入建设仿真分析规范体系

    目前，企业已初步建立了仿真分析规范体系。但由于经验不足，国内可支持的咨询公司能力不够，致使规范建立和应用的深度、管控度不够。另外，试验与仿真的相互验证、相互结合做的不好，建立虚拟试验台的目标短期内也很难实现。企业面临最大的困惑就是如何让仿真更“真”。在新产品开发初期，仿真分析已经开始替代大部分的物理样机试验。但在仿真分析刚刚起步的国内，仿真分析的准确度和可行性在铁路货车产品研发中还没有达到可以代替试验验证的水平。所以，公司下一步将继续深入建设仿真分析规范体系。

    建立仿真分析规范体系以及仿真分析模板，一方面包括成熟的各种仿真经验，实现对产品仿真经验的积累；另一方面实现产品的快速仿真，提高产品仿真效率，减少工程师的简单重复性的劳动。并且应用仿真模板，可以由设计师在设计阶段应用这样的仿真模板完成产品的通用仿真工作，使设计师可以轻松地掌握仿真工具，完成车体产品结构绝大部分的结构优化工作。这样既可以使分析工程师能有更多的精力投入到分析方法的研究和分析质量的提升上，也可以提高设计师对于结构的认识和把握，提升其设计能力。

图/仿真分析规范体系

    铁路货车仿真分析的两个主要应用是转向架与车体，在建立转向架侧架与摇枕仿真分析模板的基础上，根据产品在方案设计阶段进行快速验证的需要，进一步开发了车体的仿真分析模板，使复杂的车体结构分析流程化、标准化、并有效地提高了车体分析的效率。如下图为转向架侧架的分析规范。

图/侧架CAE规范与模板

    仿真分析模板是仿真规范体系建设的一个大胆创新，是在设计工程师中普及仿真分析的一个有益的尝试，通过这种方式，将企业积累的知识和流程实现标准化、工具化，帮助企业充分利用有限的资源在保证研发质量的前提下高效地开展研发工作。

    本文根据中车齐齐哈尔车辆有限公司信息技术部教授级高级工程师范国海先生的采访内容整理而成。

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本篇文章来源于微信公众号: CFD之道