協(xié)同仿真分析-COSMOS

2013-06-16  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

1.1 設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)的發(fā)展

目前,CAD/CAE技術(shù)飛速發(fā)展,已經(jīng)形成了相互滲透的狀態(tài)。因此形成了一個(gè)新技術(shù)領(lǐng)域---設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù),其中設(shè)計(jì)驗(yàn)證技術(shù)主要靠集成性的虛擬樣機(jī)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。
 
虛擬樣機(jī)(visual prototype,VP)是產(chǎn)品的多領(lǐng)域數(shù)字化模型的集合體,包含有真實(shí)產(chǎn)品的所有關(guān)鍵特征。基于虛擬樣機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程能夠以低成本開發(fā)和展示產(chǎn)品的各種方案,評估用戶的需求,提前對產(chǎn)品的用戶滿意度作檢查,提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的自由度;同時(shí)能夠快速方便的將工程師的想法展示給用戶,在產(chǎn)品開發(fā)的早期測試產(chǎn)品的功能;降低了出現(xiàn)重大設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的可能性;利用虛擬樣機(jī)進(jìn)行產(chǎn)品的全方面的測試和評估,可以避免重復(fù)建立物理樣機(jī),減少開發(fā)成本和時(shí)間。虛擬樣機(jī)的三個(gè)組成要素為:仿真模型、CAD模型和虛擬環(huán)境模型。
 
對于仿真模型,涉及到不同學(xué)科之間的仿真,例如強(qiáng)度、剛度、熱分析(穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài))、疲勞強(qiáng)度、模態(tài)、動力學(xué)響應(yīng)、屈曲、剛體運(yùn)動學(xué)/動力學(xué)、CFD等等單學(xué)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(chǎn)品協(xié)同工作技術(shù)已經(jīng)較為成熟,但是由于涉及到不同CAE廠家、不同的開發(fā)使用歷史,不同CAE軟件其界面和功能規(guī)劃上不能統(tǒng)一和集成,因此其使用難度依然很大。

同時(shí)面向設(shè)計(jì)人員的集成性的設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺也初見端倪,目前大多數(shù)CAD廠商已經(jīng)或多或少的將虛擬樣機(jī)技術(shù)集成于其CAD產(chǎn)品中,目前能完全將上述不同仿真領(lǐng)域集成在一個(gè)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(guān)系,在SolidWorks平臺上提供了統(tǒng)一的仿真解決方案。從右圖上可以看到不同的COSMOS產(chǎn)品具有相同的操作界面。

圖1 SolidWorks和COSMOS完全集成

1.2 協(xié)同仿真分析的現(xiàn)狀和瓶頸
 
傳統(tǒng)意義上的仿真模型、CAD模型和虛擬環(huán)境模型之間是通過標(biāo)準(zhǔn)的文件交換技術(shù)進(jìn)行集成,很難保證數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性及執(zhí)行效率。例如:對于一個(gè)復(fù)雜產(chǎn)品如果涉及到靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)性能,結(jié)構(gòu)-熱耦合,結(jié)構(gòu)-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(jìn)行工作。因此基本上沒有設(shè)計(jì)人員能夠進(jìn)入到如此高深的仿真領(lǐng)域進(jìn)行工作,同時(shí)對于專業(yè)仿真人員來說因?yàn)橐貜?fù)大量的不同軟件操作的學(xué)習(xí),也沒有時(shí)間進(jìn)行更有價(jià)值的仿真工作,這是目前通用協(xié)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(yè),而是普通的汽車配件、機(jī)械、消費(fèi)品、電子產(chǎn)品等行業(yè),普遍存在著企業(yè)規(guī)模不大,缺乏專業(yè)仿真人員。而市場又要求縮短產(chǎn)品研發(fā)周期,降低產(chǎn)品成本,提升產(chǎn)品質(zhì)量,引入更多的創(chuàng)新產(chǎn)品。這些都需要能夠提供給設(shè)計(jì)人員使用的不同領(lǐng)域的設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具。例如小家電產(chǎn)品,不僅需要良好的外觀設(shè)計(jì),更需要在更小成本的條件下,滿足電子散熱,跌落性能,強(qiáng)度等要求。這些功能雖然可以請專業(yè)分析人員進(jìn)行協(xié)同仿真分析,但是在效率和成本上很難推行。

針對現(xiàn)有協(xié)同仿真實(shí)施困難,價(jià)格昂貴,不能滿足設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)人員使用的,統(tǒng)一化界面的協(xié)同仿真解決方案。

2  SolidWorks和COSMOS面向設(shè)計(jì)者的協(xié)同仿真分析

圖2為COSMOS產(chǎn)品的協(xié)同仿真體系,并且這個(gè)仿真體系具有很強(qiáng)的擴(kuò)充能力。

    2.1 COSMOS產(chǎn)品及功能介紹

SolidWorks核心包包含了進(jìn)行零件強(qiáng)度驗(yàn)證的COSMOSXpress模塊(圖3),定性化的機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)動力學(xué)模擬功能模塊(碰撞檢查圖4、物資動力圖5、模擬圖6)。同時(shí)這些簡單的設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具可以直接繼承到COSMOS中進(jìn)行高級的分析,原有的工作不會浪費(fèi)。
 

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(chǎn)品:

    機(jī)械設(shè)計(jì)驗(yàn)證工具COSMOSWorks,可以解決所有的強(qiáng)度和熱分析;

    剛體運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)驗(yàn)證工具COSMOSMotion,可以解決所有的機(jī)構(gòu)運(yùn)動問題;

    計(jì)算流體力學(xué)驗(yàn)證工具COSMOSFloworks,可以解決所有的流體流動和熱問題。

    2.3 COSMOS協(xié)同仿真領(lǐng)域

    COSMOSWorks可以完成結(jié)構(gòu)和熱的耦合分析(圖7);
 
    COSMOSWorks在完成強(qiáng)度、模態(tài)、屈曲、熱分析后可以直接進(jìn)行多學(xué)科約束的優(yōu)化分析;

圖7 結(jié)構(gòu)-熱耦合分析     圖8 優(yōu)化分析

    COSMOSWorks在進(jìn)行完靜強(qiáng)度分析后,直接進(jìn)行疲勞強(qiáng)度驗(yàn)證(圖9)。

圖9 疲勞強(qiáng)度分析

    COSMOSWorks可以直接讀入COSMOSMotion動力學(xué)仿真過程中的慣性力,進(jìn)行強(qiáng)度分析(圖10)。

圖10 輸入運(yùn)動載荷

    COSMOSWorks可以直接讀入COSMOSFloworks的流體力學(xué)計(jì)算結(jié)果,如壓力,溫度等等(圖11)。

圖11輸入CFD計(jì)算結(jié)果

3 COSMOS協(xié)同仿真分析實(shí)例

對于機(jī)械設(shè)計(jì)人員來說希望能夠完成產(chǎn)品的三維模型后就可以進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析,然后對于進(jìn)行動力學(xué)分析的關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度的分析。最后還可以進(jìn)行集成化的優(yōu)化研究。下面將通過一個(gè)實(shí)例說明如何在統(tǒng)一的SOlidWorks+COSMOS的環(huán)境中進(jìn)行集成的協(xié)同仿真分析。

    對于上述典型仿真可以用以下流程圖進(jìn)行表述:
 

美國SeaBotix 公司為全球領(lǐng)先的遙控迷你潛水車開發(fā)的公司,其設(shè)計(jì)的迷你潛水車自從采用了COSMOS后設(shè)計(jì)效率提高了50%,并且最大限度避免了原型機(jī)的重復(fù)試驗(yàn)。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(gè)設(shè)計(jì)驗(yàn)證完全是設(shè)計(jì)工程師采用COSMOS完成。

    圖12基于COSMOS協(xié)同仿真設(shè)計(jì)的高性能迷你潛水車 

整個(gè)潛水車由于工作條件惡劣,結(jié)構(gòu)性能要求高,成本要求低。因此采用了全面的COSMOS設(shè)計(jì)驗(yàn)證手段和流程。

5 結(jié)論
 
面向設(shè)計(jì)者的協(xié)同仿真技術(shù)是目前協(xié)同仿真技術(shù)發(fā)展的一大方向,由于涉及到的學(xué)科眾多,專業(yè)技術(shù)難度高,如何將現(xiàn)有的復(fù)雜的專業(yè)背景和操作封裝、集成,是該技術(shù)實(shí)施成功的關(guān)鍵。
 
SolidWorks和COSMOS完全集成起來,提供了全面的并適合設(shè)計(jì)人員使用的,統(tǒng)一化界面的協(xié)同仿真解決方案。

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