今天的CAE仿真技术

当产品变得越来越复杂，工程师们需要利用CAE工具（如基于模型的系统工程MBSE，有限元分析FEA以及计算流体力学CFD等）创建可信的虚拟样机。 

目前，设计团队使用CAE的方式有一些重要的趋势：

• 利用MBSE在开发周期的早期模拟复杂的产品

• CAE软件提供商正在利用APP或模板使模拟平民化

• 更多的开发团队工程师需要仿真培训

• 由于云及可替代的许可，模拟仿真的前期成本降低

• 利用拓扑优化技术降低产品的重量

• 与CAE软件供应商无关的组织的兴起推动了CAE行业的变革

MBSE允许工程师们跟踪他们所创建的整个系统，从仿真结果误差到替代的CAD图纸的所有信息都可以添加到MBSE中。 

Advatech Pacific的首席工程师Scott Leemans说：“MBSE的核心是依靠包含所有子系统定义的动态3D-CAD模型。“设计从系统V图左上角的一个通用模型开始，然后不断地增加细节。 System V图左下方的输出是所有在高保真详细组件模型中描述的组件级函数，依赖性及接口。 

MBSE的最大优势之一是能够使用1D或0D方程来对整个系统建模。当工程师将此系统级仿真更早地带入设计过程时，他们可以更好地评估产品的设计空间。这将有助于消除设计路径，同时发现更多的最佳和创新的选择。

MBSE软件更倾向于使用拖放式操作界面以及简化的物理模型，这类软件的学习曲线通常都比较平缓。然而，虽然MBSE能够从全局上看待设计，但是却不能像FEA和CFD能够深入模型细节。

Altair工程数学和系统高级副总裁Michael Hoffman说：“一维仿真模型通常具有更高的抽象，与三维模型相比，通常只需要少量的输入数据。 因此，它们非常适合在概念设计阶段进行系统研究。然而，由于抽象度更高，它们可能缺乏详细设计阶段所需的精度,这也工程师们在详细设计阶段使用3D模型的原因。如今的挑战是如何同步这些模型以及如何实现从1D到3D的无缝过渡。 

IntrinSIM首席执行官Joe Walsh说：“我们可以将系统工程的简单0D和1D模型联系起来，并将这些结果传递到3D高保真模型，从而在系统工程角度完成整个设计过程“。 
“在FEA仿真世界中，人们通常测试系统的各个部分对一系列力的相应。 而在像MapleSim这样的集总参数建模系统中，人们通常决定有哪些力，“MapleSim开发总监Chad Schmitke说。 “MapleSim快速模拟系统并确定它将如何作为一个整体运行。 然后可以在FEA框架中测试涉及的力”。 

咨询服务公司BeyondCAE的负责人丹尼斯·纳吉（Dennis Nagy）说：“企业在优化产品时，通常从子系统到组件，再到整个系统。 而使用简单的系统级模型可以确定设计的一些初始配置，然后将这些结果级联到更详细的如FEA和CFD模拟中“。

随着工程师对自己产品系统更深入的了解，他们最终需要更仔细的查看每一个了零件，此时就需要利用到FEA和CFD等三维模拟了。 

这些3D CAE软件通常不太容易使用。事实上，专家和分析师常常被用来确保输入软件的的信息能产生准确和有意义的结果。不幸的是，这些专业仿真人员经常过度劳累，因为所有繁重的模拟工作落在他们头上。 

模拟行业的最新趋势允许CAE技术的民主化。仿真App，模板，适合用途的仿真工具和CAD中的仿真等工具使得非专业仿真人员更容易使用该技术。此外，CAE供应商也忙于更新其软件操作界面以适应易用性。 

CAE世界的这些变化减轻了模拟分析师的许多负担，并允许他们向更广泛的受众分享他们的专业知识。 

“让工程师花费他们的全部时间用于泵的设计，通常他们不需要学习Nastran，Abaqus或ANSYS的全部内容。他们只需要知道如何使用CAE来进行泵的设计。“Nagy说。 “因此一些人可以为泵的设计做一个简化的垂直应用程序。这个应用程序可以在获取工程师输入的设计信息后在后台执行模拟。 

当分析师创建一个模拟App时，他们只创建一个黑箱子，控制使用者只能够输入有限的参数，而大多数仿真所需要的参数则固化在程序中。这些保护措施降低了发生错误的风险。 

“COMSOL应用程序构建器允许用户进行完整的模拟并将其转换为应用程序。所以当你设置好你的模型后，你可以选择哪些东西是App使用者可以改变的，“COMSOL的技术营销工程师Lexi Carver说， “例如，你可能将app分享给没有此方面仿真背景的同事，或者将其分享给客户，此时，同事或客户可以改变一个或两个参数并验证不同的设计，实际上不要求他们需要知道所有的物理背景。“ 

要将模拟App引入到工作流程中，您可以要求顾问（如Comet Solutions）为您的组织量身定制一个， 或者您可以聘请内部专家使用包含模拟App制作能力的CAE产品，如COMSOL或Comet Solutions的SimApp创作工作区。 

相比之下，仿真模板倾向于给予终端用户对分析过程更多的控制。 根据所使用的仿真平台，分析人员可以修改界面和工作流程，并自动进行大量参数选择。 

Siemens PLM Software的高级市场经理Ganesh Sethuraman说，“分析师希望其他人使用他们的基本框架，而不必向高级分析师可能需要的所有细节泄露。 “Siemens PLM Product Template Studio为没有模拟经验的人打开了使用高端CAE工具的大门。 

以前制作这些模板将需要编程技能。然而现在存在一些新的工具，允许分析人员不编也能创建模板。 

由于模板直接在仿真平台中使用，许多平台的功能仍然可以由工程师访问。这虽然提供了更多的自由，但也增加了数据输入的风险。因此，模板最适合用于具有CAE工具使用经验的工程团队。 

在模拟行业中使用app和模板之间的折衷是使用适合专用的CAE工具。传统仿真平台具有通用的功能，虽然这给予用户可以模拟任何系统的自由，但是它也需要操作者经过大量的训练之后才能进行分析。通过创建专用的仿真工具，使特定领域的用户快速起飞。

Nagy说。 “软件供应商将需要专注于特定人群的通用工具或工具。 

专用CAE工具使用特定领域的工作流程、语言和界面，使工程师工作时感到舒适。这同时降低了学习难度。此外，由于工具是专门针对某一领域的，而操作工具的工程师已经对该领域非常熟悉，因此发生错误的概率更小。 

当然专用工具也有不好的一面，比如说想使用该工具做其他领域的仿真，那很抱歉，软件无法提供此功能。 

这类专用仿真工具有很多，如ESI集团的stamping, welding and seat simulation software以及Altair的Click2Cast等。 

将CAE添加到设计周期的另一种方法是在CAD环境中访问它。这样做的一个明显的好处是，设计团队更容易使用仿真软件，因为是在他们熟悉的软件环境中。 

“我们将SOLIDWORKS看作一种设计工具。它的一个主要优点是在设计工作流程中将仿真集成到CAD中，“Hawk Ridge Systems的仿真产品经理Glenn Whyte解释说。 “这将缩短学习周期。 

Whyte补充说：“我们向客户解释他们可以通过操作CAD来处理分析以及跟踪这些变化的实际意义，在一个小时内分析四到五个不同的工况。 “模拟也完全与CAD模型集成。如果进行设计更改，则可以无需中间步骤（如文件导出）进行分析。 

这方面的一些组织包括Siemens PLM Software，DassaultSystèmesSOLIDWORKS和Autodesk Nastran In-CAD。您还可以查看集成到CAD软件（如COMSOL的LiveLink for SOLIDWORKS）的工具。

即使你雇用了一个模拟分析师，你仍然需要让你的团队中有许多人了解仿真工具如何工作以及如何正确使用和解释获取的计算结果。尤其是当这些工程师将基于模拟结果或直接使用软件作出决策时。 

这些培训中的大部分材料将以CAE供应商，学术界和政府机构等组织提供的技术文档、视频以及指南的形式出现。此外，CAE非营利组织如NAFEMS也在为工程师提供CAE课程。 

另外，各软件提供商为了销售更多的软件，也在不断的开展软件培训工作，这也是员工培训的一个好去处。CAE厂商通常会有自己的培训网站，其中包含操作方法，讨论板，视频和软件手册。许多厂商还将在主要城市和会议上举办培训班。 

当研究如何模拟一个特定的现象时，最好看看由学术界和政府机构发布的技术论文。这两种类型的研究人员以专利和论文的形式发布了许多他们的工作。这些可以是确保您的团队正确模拟的很好的来源。

不幸的是，专业知识和培训还不是团队使用FEA及CFD的唯一障碍。 

团队将需要高性能计算机（HPC）来运行计算繁重的模拟。通常这些硬件都是非常昂贵的。 

为了减轻HPC的成本，许多仿真工具现在可以使用图形加速卡或GPU来加快仿真进程。这允许使用低层工作站的更多计算能力。 

此外，许多组织现在提供即付即用云计算服务，为工程师提供所需的电力，而不需要传统HPC计算架构的大量投资。有些人甚至可以在云上托管整个CAE平台，同时提供令牌或按使用付费的许可证，进一步降低了使用成本。许多模拟大厂商如DassaultSystèmes，ANSYS，Autodesk，Siemens，COMSOL等都有云选项。 

许多这些云选项可能适用于中型到大型企业，但较小的运营商可能仍然认为这些CAE提供商远远超出其价格范围。为了解决这个问题，一系列较小的CAE公司，如SimScale和Simulation for Design，已经出现，在云上提供他们的服务，大大降低了许可成本。这些组织以对中小型企业的预算更容易的价格提供模拟技术。不要期望这些软件具有同样通用强大的功能，他们通常只提供一些主要的功能模块。但是，这些功能也能够基本满足中小型工程操作的许多基本FEA需求。 

SimScale的产品经理David Heiny说：“SimScale平台背后的核心理念是消除仿真前期金融投资方面的障碍。 

“Simulation for Design由于其简单的方法和较低的价格，得到了广泛的用户群的很多兴趣。用户只要花费10美元就可以开始模拟，“IntrinSIM的沃尔什说。 

最后，管理者还可以选择一个私有云计算公司来完成所有的计算。一个专门从云的各个供应商处获得这个模拟数据的组织是Rescale。您仍然需要一个许可证来运行模拟;然而，Rescale却向许多与之兼容的CAE软件包出售许可证。

另一种将仿真应用于设计周期早期的方法是使用拓扑优化工具。 

这些工具使用结构模拟，通常在引擎罩下，自动构建优化的部分。 所有用户需要提供的软件是部件将占据的空间和它将承受的负载。 

虽然这种技术已经存在了一段时间，它开始起飞更多的还得感谢3D打印。 使用3D打印机，工程师可以制造出任何形状的结构。 

由于许多这些工具将面向早期设计工程师，而不是模拟专家，这些工具通常具有易于学习的工作流程。一些CAE提供商还将为此技术提供两种软件包选项：一种是以简化的UI为目标，另一种是为分析人员提供更多的模拟控制。 

“对于设计工程师，他们不想混淆任何东西。他们希望使其易于使用和理解，但对于分析师，他们希望完全控制。“西门子PLM软件产品管理总监Doug Wenk说。 

因此，工程师现在可以自由地创建对零件的载荷历史进行高度优化的零件，而无需担心如何生产该零件。在理论上，这应该使零件更坚固，更轻。 

拓扑优化是一个早期设计工具。因此，工程师仍然需要投入工作来验证和调整零件到其最终迭代。但是使用这些相对容易使用的工具，您的设计团队可以开始使用接近优化的部分，而不是去去他们的直觉或老的的模型。 

solidThinking的高级应用工程师Jaideep Bangal说：“像Inspire这样的程序执行这些拓扑优化，以减少开发周期。 “使用Inspire后，大部分设计已经完成。工程师只需要对模型进行最后的处理。 

如果您有兴趣将这些拓扑优化工具引入早期设计周期，那么您可能首先看看西门子，Dassault系统和Altair的OptiStruct和solidThinking Inspire。

CAE工具的平民化主要针对中小型企业，他们资金少，并且缺少仿真知识积累。 

目前有不少非软件供应商组织在致力于推进仿真平民化工作，如NAFEMS和 Analysis Simulation, and Systems Engineering Software Summit (ASSESS)）。 

例如，NAFEMS发布了一系列仿真工具购买指南，指导企业为他们的仿真工作选择正确的工具。这些文件涉及企业如何购买和选择FEA服务，系统和前/后处理，以及他们如何使用和了解结果。 

此外，ASSESS还收集了一些代表性的CAE供应商，行业，学术界和政府的组织，讨论CAE行业趋势，包括平民化。 ASSESS的愿景是为任何可以从模拟中受益的人提供访问权限。在他们的讨论中，他们设定了一个目标，在未来五年内将CAE工具的使用范围扩大一个数量级。 

因此，期望从与NAFEMS和ASSESS合作的CAE供应商看到更多的普及化运动。由于这些供应商将要求中小型企业使用他们的CAE技术。

FunDo∣扒掉CFD仿真神秘外衣

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本篇文章来源于微信公众号: CFD之道