使用工程流体动力学（flow simulation）软件加快机械设计

医库長璇 · 发表于 2009-2-19 00:43:04

嵌入至CAD中的CFD软件可以使一些中小型公司像OEM一样进行流动和热仿真
最近一份独立的研究报告表明：业内顶尖企业使用流动仿真的数量是其竞争对手的两倍。但是直到目前为止，由于计算流体动力学软件高昂的价格和复杂的操作性，只有一些研究机构、学术组织和OEM能很好的使用。令人感到高兴的是，一款来自Flomerics公司称之为工程流体动力学（EFD）的软件，使每一位工程师都能轻松使用CFD软件。应用的方面包括为激光光学构建良好的保护罩、控制阀门内流动和提高大型热交换器内的热力学效率。Flomerics将其命名为EFD，从而与传统的CFD软件进行区分。
首先， EFD软件嵌入至主流机械设计软件中的这一特点非常值得关注。而传统的CFD软件只能用于具体的分析。在这些软件中，几何模型可能只有80％能进行转化，其它的需要手动进行简化。一些设计工程师可能需要在模型转换进CFD软件中浪费几天的时间，当然前提还是建立在能成功转换的基础之上。EFD不仅仅能进行仿真，同时也可以进行模型设计的改变。
EFD软件有若干个版本，不同版本适用于不同的主流CAD软件。使用相应的软件工具包可以将EFD嵌入至对应的CAD软件中。EFD软件可以使工程师直接采用原始的CAD模型，不需要进行任何的转换和复制。此外，后处理的结果也可以直接显示在CAD模型之上。
在这个案例中， EFD.Pro被完全嵌入至Pro/ENGINEER Wildfire中。因此CFD软件具有Pro/E相同的操作界面和模型树。所有的设计变更可以直接在CAD软件中进行。对于诸如材料特性和边界条件等流动仿真所必须的相关数据被关联到相应的实体模型。流动条件被直接定义到固体模型，并且以类似于模型树进行管理。
为了扩大应用范围， Flomerics也为其它CAD软件提供EFD。举例，大型的汽车制造商可能需要大量其它格式的3D数据（IGES， STEP， VDAFS）输入和输出。进行 “What-if”方案设计需要频繁的在软件中进行模型修改， EFD软件可以很好的避免时间的浪费和模型数据交换出错的可能。这正是传统CFD软件所无法做到的。
可能许多用户对生产商提供3D模型的应力和耐用性功能测试已经相当熟悉。EFD同样具有让用户进行流体流动和热交换测试的功能，从而让设计趋于完美。EFD软件可以对： “设计方案是否能工作在特定的条件下，是否能经受特定的压力和温度？”等类似问题给出满意答复。由于软件嵌入至CAD之中，所以具有相同的软件界面，给人一种似曾相识的感觉。此外由于不存在模型数据转换的问题，大大的减少了工作量。
由于EFD直接使用CAD模型，而CAD模型建立之初是进行制造，并非用于计算分析。但EFD的优先级可以很好的确定感兴趣的流动区域，工程师不必进行手动确定特征和进行简化。
事实上， EFD可以处理具有曲面和锐利拐角的复杂几何模型，这主要是因为软件采用了矩形自适应网格技术。 “矩形”意味着是正交六面体网格。求解器会自动的在需要更多网格的地方进行网格加密。而在其它区域使用粗糙的网格，从而节省计算机资源。由于网格有六个面，相对而言其求解更加稳定和高效。
与之相反，传统的CFD软件需要对网格进行大量的手动调整，从而保证网格的质量。最为棘手的是，每当设计发生改变，必须再一次进行手动网格调整。
尽管严格意义上说有限体积法（FVM）和有限元法（FEM）是一样的， P EFD求解准则利用实际的体积空间并且直接从核函数得到这些结果值。EFD采用的是有限体积法。对于有限元法而言，计算节点或求解矢量通常保存在每一个网格面的中心和边上。但是流体流动分析通常不是稳态的，并且需要不同的计算。有限体积法的计算节点保存在网格的中心。由于EFD在CAD软件中工作，所以几何模型应尽可能的精确。EFD会直接采用CAD模型，并且会判别重要流动现象发生区域处的CAD表面。简而言之，EFD求解准则利用实际的体积空间并且直接从核函数得到这些结果值。
现在许多CAD模型都是基于参数化的特征， EFD也充分利用了这种方法的优点。除了几何参数之外，流动条件也被直接定义到CAD模型之上。和其它设计参数相类似，这些条件以特征树形式管理。例如你设计了一个阀门并且需要模拟其内部的流动状态。流动中包含了温度和相变等复杂的物理特征。使用EFD软件可以获得一些诸如压降等重要的数据。EFD也可以使用参数化，所以用户可以快速的完成多个仿真方案。一旦用户完成了第一个方案求解，会以复制的方式创建第二个方案。复制的方案保留了诸如边界条件和负载等相关数据。例如，对一个具有很多变量的阀门进行分析，仅仅需要半天的时间。
构建良好激光光学保护罩的方法
EFD.Pro是嵌入至Pro/E的EFD版本，其帮助一家芯片封装机械制造商提升用于PCB和内存的元件性能。Fico公司致力于最新的半导体制造。
由于在制造过程中小的元件很容易损坏，所以必须具有非常高的制造精度。这家公司生产了一种新型机器，这种机器采用激光来加工零件。
这一新型机器有玻璃窗式的激光保护罩。保护罩可以避免激光照向其它地方，同时保证激光生成器不会受到灰尘和烟气所玷污。但是这台新机器只能正常工作15分钟，之后就由于切割的激光失效而无法工作。这主要是因为切割过程中的灰尘弄脏了保护罩，使一部