Autodesk Simulation CFD：工程师的CAE方法论
2018-06-11 来源：
CAD系统和CAE系统在发展过程中的天然割裂，使得在传统产品开发流程中，CAD工程师和CAE工程师之间的工作泾渭分明——对于CAD工程师来讲，在设计完成之前不能确认设计的质量，将增大后期修改的工作量和难度，而对于CAE工程师来说，读取数据过程中的数据缺失不可避免，大量的几何修复工作也会令分析结果的准确性大打折扣。在信息化工具普遍走向融合的大趋势下，CAD与CAE以怎样的模式融合才更符合工程师的工作需求呢？
CAD与CAE的融合——更多的是CAE融入到CAD系统中，对于CAD工程师来讲，他们可以在自己熟悉的CAD环境中，应用CAE系统直接对CAD模型进行产品设计阶段的仿真分析，以便能够及时发现问题，同时，CAE工程师直接使用CAD系统当中的产品几何模型，则可以减少数据传输过程中所产生的缺失。事实上，这一过程说起来容易，但在现实的操作当中，适合CAD工程师使用的CAE系统必须符合以下几个关键指标：首先，该CAE系统必须能够被完全整合到CAD环境中，使之更符合CAD工程师的使用习惯；第二，该CAE系统必须具备充分的易用性和智能型，以减少CAD工程师的工作量；第三，该CAE系统的运算结果必须准确和稳定，足以支撑CAD工程师完成设计早期的仿真分析；第四，该系统的运行速度必须更快，不能因为两者的融合而影响到原有CAD系统的运行速度。
Autodesk Simulation CFD就是符合以上这些要求的CAE系统
Autodesk Simulation CFD最早是由美国蓝脊数码有限公司（Blue Ridge Numerics）于1992年推出的一款“前端”CFD软件——当时名称为CFdesign。2011年3月，欧特克以约3900万美元的价格收购该系统，并将其纳入自己的CAE阵营。
之所以强调其为“前端”CFD软件，是因为Autodesk Simulation CFD从开发之初，就被定义成为CAD工程师提供的仿真分析工具而被整合到CAD系统当中。因此，Autodesk Simulation CFD的操作最大程度考虑了CAD工程师的应用习惯，使得产品及设计工程师在不需要太多专业培训的情况下，即可在最初设计阶段用自己熟悉的MCAD环境直接启动CAE工具，进行流动及热性能分析，从而快速对设计进行优化。可以讲，Autodesk Simulation CFD是业界唯一提供与CAD环境无缝集成的流体力学解决方案。
具体地说，通过采用先进的边界识别算法，Autodesk Simulation CFD可以使用MCAD环境下的任意几何类型，因此CAD工程师在使用Autodesk Simulation CFD进行仿真分析时，无需修补或重构生成任何CAD模型。同时，嵌入式的平台、CAD模型与CFD模型同步更新等功能，也使得流场分析的工作大大简化，工程师几乎不需要太多的操作，即可完成仿真，得到结果。因此，对于使用Inventor、Revit、CATIA、PRO/E、UGS NX、SolidWork或其他CAD系统的工程师来讲，Autodesk Simulation CFD事实上是将标准的MCAD工作站转化成了一个完全互动的流动试验台和热力测试台。而对于其他基于ACIS或Paraslid几何内核的CAD系统，Autodesk Simulation CFD对其本机互操作性的支持，也使得CAD工程师常常觉得Autodesk Simulation CFD就是MCAD应用软件的一种延伸。
显然，CAD与CAE的无缝集成，让CAD工程师可以尽情发挥自己的灵感，把注意力集中在设计过程中，而不是CAE工具上。但是，CAE系统毕竟是一个涉及多个学科的复杂计算机运算系统，因此普通CAD工程师驾驭这些CAE工具终归还是有些难度。从这个角度讲，Autodesk Simulation CFD的易用性和智能型才是其最核心的应用优势。
对于Autodesk Simulation CFD来讲，其易用性和智能型得益于其先进的软件技术，这集中反映在网格划分阶段。在应用仿真分析之初，针对非常复杂的CAD模型，Autodesk Simulation CFD可以生成高质量的网格，并且可以自动地生成高质量的附面层网格，而内置的智能网格参数选择设置，更提高了其自动化程度。因此设计工程师几乎无需特殊的CFD专业背景，经过短暂培训就可以利用其解决遇到的大多数分析工作。加之Autodesk Simulation CFD拥有强大的通用分析引擎，能在一系列CAD系统中进行精确的模拟设置，因此基本无需人为干预，操作者也无需具备从事模拟工作的经验。
易用性的另一个方面，是Autodesk Simulation CFD对CAD工程师实际工作需要的支持。
对很多CAD工程师来讲，对产品的仿真分析需要通过多工况的对比选择最优的设计方案。对于很多CAE系统来讲，这需要在修改CAD模型后再把新的CAD修改模型导入到分析软件中，进行参数的设置和人工网格重构才能实现。但是Autodesk Simulation CFD提供的设计分析管理器，就可以通过几何的更新创建新的设计和新的工况。当创建了多工况以后，CAD设计师可以在同一个窗口下非常容易地进行几何对比、参数对比，以及曲线或动画的对比，从而为工程设计师带来前所未有的便利感受。
对于Autodesk Simulation CFD的运行速度和稳定性，有数据显示，其解算速度和稳定性较传统方法提高了近2个数量级。而保障Autodesk Simulation CFD速度和稳定性的关键，是其内置的高效求解器和自适应网格技术。通过应用这些技术，Autodesk Simulation CFD将在PC机上对复杂问题进行快速解算成为可能。对于CAD工程师而言，通过体验改变条件设置而快速得到相应的设计结果，则可以在最短时间内洞察产品的性能，修正产品设计。
在Autodesk Simulation CFD以往的用户当中，Acutex公司是具有代表性的一个，其业务主要是为汽车供应商设计和制造变速箱控制用电磁阀。过去，Acutex公司用简单的经验方程来选择限流孔的初始尺寸，在并不知道准确的流量系数的情况下进行电子液压模拟。这种方法并不能准确地设计出客户定制的阀门。在使用了Autodesk Simulation CFD后，Acutex公司不仅可以确定阀芯直径，而且能够更有效地进行阀门的成形修正及整合工作，从而更好地确定流量系数。Autodesk Simulation CFD可以在分析过程中，很容易地改变工况，通过多次分析，工程设计师就可以确定在客户提出的温度范围内，哪些尺寸和形状组合可以提供足够和尽量恒定的流量。有统计数据显示，Autodesk Simulation CFD不仅帮助Acutex公司缩短了15%的设计周期时间，而且节省了大量的资金——仅仅在冷流体试验一项，就节省了17000美元。
随着单点技术创新的逐渐匮乏，CAD和CAE技术的发展日显疲态。与此相对，应用模式正在因用户需求的升级而不断更迭。CAD-CAE的融合，已经不是要不要的问题，而是如何做才是最符合工程需要的模式。以往的事实证明，由CAD工程师展开前端CAE应用，无论是对提高产品研发效率，节省研发成本，还是提高产品最终质量，都有非常重要的意义。Autodesk Simulation CFD正是凭借欧特克在CAD领域的技术地位，积极实践这种整合应用的模式。我们能够看到的是，一种以CAD工程师应用CAE工具优化设计的模式正在逐步完善当中，而这种CAD工程师应用CAE的方法，也必将改写产品设计流程模式。
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