搜索協同仿真分析-COSMOS
2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
1.1 設計驗證技術的發展
目前,CAD/CAE技術飛速發展,已經形成了相互滲透的狀態。因此形成了一個新技術領域---設計驗證技術,其中設計驗證技術主要靠集成性的虛擬樣機技術來實現。
虛擬樣機(visual prototype,VP)是產品的多領域數字化模型的集合體,包含有真實產品的所有關鍵特征。基于虛擬樣機的產品設計過程能夠以低成本開發和展示產品的各種方案,評估用戶的需求,提前對產品的用戶滿意度作檢查,提高了產品設計的自由度;同時能夠快速方便的將工程師的想法展示給用戶,在產品開發的早期測試產品的功能;降低了出現重大設計錯誤的可能性;利用虛擬樣機進行產品的全方面的測試和評估,可以避免重復建立物理樣機,減少開發成本和時間。虛擬樣機的三個組成要素為:仿真模型、CAD模型和虛擬環境模型。
對于仿真模型,涉及到不同學科之間的仿真,例如強度、剛度、熱分析(穩態和瞬態)、疲勞強度、模態、動力學響應、屈曲、剛體運動學/動力學、CFD等等單學科CAE及耦合分析。目前的仿真分析對于分析專家來說,不同平臺的CAE產品協同工作技術已經較為成熟,但是由于涉及到不同CAE廠家、不同的開發使用歷史,不同CAE軟件其界面和功能規劃上不能統一和集成,因此其使用難度依然很大。
同時面向設計人員的集成性的設計驗證平臺也初見端倪,目前大多數CAD廠商已經或多或少的將虛擬樣機技術集成于其CAD產品中,目前能完全將上述不同仿真領域集成在一個CAD平臺上的軟件平臺最具有代表性的就是SolidWorks的COSMOS。
圖1為SolidWorks和COSMOS的關系,在SolidWorks平臺上提供了統一的仿真解決方案。從右圖上可以看到不同的COSMOS產品具有相同的操作界面。
圖1 SolidWorks和COSMOS完全集成
1.2 協同仿真分析的現狀和瓶頸
傳統意義上的仿真模型、CAD模型和虛擬環境模型之間是通過標準的文件交換技術進行集成,很難保證數據的統一性及執行效率。例如:對于一個復雜產品如果涉及到靜強度、疲勞強度、運動學和動力學性能,結構-熱耦合,結構-流場壓力耦合等就必須依靠不同廠家、不同操作界面的CAD/FEA/CFD/MOTION等軟件進行工作。因此基本上沒有設計人員能夠進入到如此高深的仿真領域進行工作,同時對于專業仿真人員來說因為要重復大量的不同軟件操作的學習,也沒有時間進行更有價值的仿真工作,這是目前通用協同仿真分析的瓶頸。
另外,對于目前的主流市場需求不僅是航空、航天、汽車等行業,而是普通的汽車配件、機械、消費品、電子產品等行業,普遍存在著企業規模不大,缺乏專業仿真人員。而市場又要求縮短產品研發周期,降低產品成本,提升產品質量,引入更多的創新產品。這些都需要能夠提供給設計人員使用的不同領域的設計驗證工具。例如小家電產品,不僅需要良好的外觀設計,更需要在更小成本的條件下,滿足電子散熱,跌落性能,強度等要求。這些功能雖然可以請專業分析人員進行協同仿真分析,但是在效率和成本上很難推行。
針對現有協同仿真實施困難,價格昂貴,不能滿足設計人員的要求。SolidWorks公司將SolidWorks和COSMOS完全集成起來,提供了全面的并適合設計人員使用的,統一化界面的協同仿真解決方案。
2 SolidWorks和COSMOS面向設計者的協同仿真分析
圖2為COSMOS產品的協同仿真體系,并且這個仿真體系具有很強的擴充能力。
2.1 COSMOS產品及功能介紹
SolidWorks核心包包含了進行零件強度驗證的COSMOSXpress模塊(圖3),定性化的機構運動學動力學模擬功能模塊(碰撞檢查圖4、物資動力圖5、模擬圖6)。同時這些簡單的設計驗證工具可以直接繼承到COSMOS中進行高級的分析,原有的工作不會浪費。
圖3 COSMOSXpress
圖4 碰撞檢查 圖5 物資動力 圖6 模擬
2.2 COSMOS仿真產品:
機械設計驗證工具COSMOSWorks,可以解決所有的強度和熱分析;
剛體運動學和動力學驗證工具COSMOSMotion,可以解決所有的機構運動問題;
計算流體力學驗證工具COSMOSFloworks,可以解決所有的流體流動和熱問題。
2.3 COSMOS協同仿真領域
COSMOSWorks可以完成結構和熱的耦合分析(圖7);
COSMOSWorks在完成強度、模態、屈曲、熱分析后可以直接進行多學科約束的優化分析;
圖7 結構-熱耦合分析 圖8 優化分析
COSMOSWorks在進行完靜強度分析后,直接進行疲勞強度驗證(圖9)。
圖9 疲勞強度分析
COSMOSWorks可以直接讀入COSMOSMotion動力學仿真過程中的慣性力,進行強度分析(圖10)。
圖10 輸入運動載荷
COSMOSWorks可以直接讀入COSMOSFloworks的流體力學計算結果,如壓力,溫度等等(圖11)。
圖11輸入CFD計算結果
3 COSMOS協同仿真分析實例
對于機械設計人員來說希望能夠完成產品的三維模型后就可以進行機構運動學和動力學分析,然后對于進行動力學分析的關鍵零部件進行靜強度和疲勞強度的分析。最后還可以進行集成化的優化研究。下面將通過一個實例說明如何在統一的SOlidWorks+COSMOS的環境中進行集成的協同仿真分析。
對于上述典型仿真可以用以下流程圖進行表述:
美國SeaBotix 公司為全球領先的遙控迷你潛水車開發的公司,其設計的迷你潛水車自從采用了COSMOS后設計效率提高了50%,并且最大限度避免了原型機的重復試驗。圖12所示的潛水車工作于1500米深的水下,可以一次夾取14磅的樣品,但總重量少于25磅。其整個設計驗證完全是設計工程師采用COSMOS完成。
圖12基于COSMOS協同仿真設計的高性能迷你潛水車
整個潛水車由于工作條件惡劣,結構性能要求高,成本要求低。因此采用了全面的COSMOS設計驗證手段和流程。
5 結論
面向設計者的協同仿真技術是目前協同仿真技術發展的一大方向,由于涉及到的學科眾多,專業技術難度高,如何將現有的復雜的專業背景和操作封裝、集成,是該技術實施成功的關鍵。
SolidWorks和COSMOS完全集成起來,提供了全面的并適合設計人員使用的,統一化界面的協同仿真解決方案。
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