CAE技术 | 多体动力学仿真关键技术的研究！

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本文主要介绍了作者从事CAE领域中通过与客户交流以及自己的实践经验，针对具体问题提出相应的解决方案，涉及到常见的技术问题以及当前主流或未来趋势的关键解决技术。主要涉及到CAD模型转换技术、摩擦力计算、联合仿真技术以及运动过程中的强度分析。

1、CAD模型转换技术

CAD转换是我们在进行CAE求解计算式第一个要考虑的问题，目前的ACE软件只接受中间格式的CAD模型，导致几何与原始模型会有轻微的变化或者带来其他的问题，造成不必要的麻烦，该小节分析了目前CAD模型转换的现状以及存在的问题，并针对这些问题提出了关键的解决技术。

现状及存在的问题：

  · CAE软件导入几何数模时发生错误，无法导入。这种问题可能是由于版本的限制问题，比较好解决，用CAD软件把这些几何用iges格式输出处理一下就可以了。但这种问题也可能是几何数模中存在严重错误所致，这就需要修改模型了。

  · 导入几何模型后发现有些曲面无法导入，这样模型就会缺少一些比较重要的面，或者曲面存在缝隙、重叠、错位等缺陷，对较复杂的模型这种问题是经常性的。边界错位经常引起网格扭曲，导致单元质量不高，求解精度差。

  · 导入的模型很完整，没有错误。但是由于CAE分析和CAD设计的思想不同，会产生一些两难的问题。CAD设计主要是为生产服务的，模型中通常会包含某些细微特征，例如曲面和边的倒圆、小孔。进行分析时如果要准确模拟这些特征，需要用到很多小单元，导致求解时间过长。

  · 由于现有的CAE工具支持的模型为通用的中性格式，已经由原来的CAD工具转换成中性格式（step stl等），这些中性格式大都是由三角面片构成，对于高精度的计算仿真，这些中性格式的数据不完全准确，点与点的距离在这些格式中变成三角面片与三角面片的距离，造成精度误差。

关键解决技术：

  · 几何清理，使用几何清理技术可以将精度高、对结果影响不大的小单元进行简化处理，减少不必要单元的数量，加快计算速度，减少求解时间。

  · Add-In Transfer（模型直接转换），模型直接转换技术，是获得原始CAD模型的内核进行。从而使得CAE软件能够直接读取CAD原始模型，在技术实现上可采用Add-In Transfer插件的形式，将CAD软件与CAE软件直接关联，从而更进一步解析CAD原始模型。当然，完全解析CAD原始模型需要内核的支持，该项技术已在国外有了逐渐的发展。

  · 几何模型数据定义，几何模型数据定义主要解决目前由于模型转换中出现的尺寸偏差问题，由于目前的CAE软件支撑的CAD模型大都采用三角面片的形式进行读取，由于精度问题，会造成三角面片与原始数据存在偏差，在进行相关的CAE计算时导致计算结果出现问题。为防止这一问题的出现，采用几何定义的方式进行保证数据的可靠性。

2、多体动力学摩擦力计算

由于工程与学术上存在着一定的区别，在学术中摩擦力计算本身就是一门不精确的学科，根据学术目前的摩擦力计算公式在一定程度上只能解决部门工程问题，计算摩擦力的前提就需要知道摩擦系数，在当今学术不断发展的进程中，摩擦力计算还会涉及到速度等一些其他问题，如何解决工程应用中摩擦力问题已经给多体动力学分析软件提了一个大大的难题。在建立摩擦力模型时已经需要考虑当前的环境因素，从而建立最准确的摩擦力。

现状及存在的问题：

  · 接触力计算问题，接触力是当前学术公认的与摩擦力关系最大的影响因素之一，如何建立准确的接触力计算模型，已经影响到最终的计算结果是否正确。

  · 摩擦力计算，摩擦力计算在学术中属于不精确学科，这就更需要工程实践的支持，大多数的摩擦模型需要根据当前的计算环境进行建模。如何准确的计算出工程应用的摩擦力，目前并没有较好解决技术。只能根据企业的工程实践应用的不断积累，建立属于针对某一领域的计算模型，才是解决摩擦力计算的解决方法。

关键解决技术：

  · 该项内容并无具体的解决技术，这里是给CAE软件提供商提出意见。目前随着工程应用的愈来愈复杂，需要CAE软件有其核心的技术经验积累来指导客户的工程应用。接触力计算与摩擦力计算需要客户与软件供应商之间的相互协作，最终确定具体的计算模型，才能够有效的解决这一问题。

3、联合仿真技术

对于拥有较庞大的系统会涉及到联合仿真技术，联合仿真主要是解决全虚拟仿真技术或半实物仿真技术。在工程应用过程中，对于工程师而言搭建联合仿真平台是最麻烦的一件事，需要解决平台间的通信问题与数据传输的准确性，因此需要搭建一个平台与平台间的桥梁进行信息处理，保证数据的有效传输与数据的兼容性。

现状及存在的问题：

  · 搭建联合仿真平台版本约束，目前搭建联合仿真平台最大的约束是软件与软件间的版本问题，例如matlab与adams的联合仿真需要严格的版本约束，而且较为复杂的联合仿真由于版本间不知名的问题会困扰工程师，增加工程师的工作，需要大量的时间去解决问题。

  · 平台间的通信和调度问题，联合仿真是各个软件间的通信与调度问题，如果软件A的数据与信息无法传递给软件B，联合仿真将无法进行，解决平台间的有效通信与调度问题是联合仿真的首要问题。如matlab与adams联合仿真经常会遇到的问题，在联合仿真开始后，经常会出现找不到ADAMS服务器的提示，这是因为ADAMS和Simulink联合仿真的通信和调度，如果simulink找不到它，则仿真不能进行。

关键解决技术：

  · swPlant无缝封装接口，通过将数据通信接口进行集成封装，不要求平台间的版本问题，通过简单设置即可完成联合仿真平台的搭建。swPlant完全支持两个软件间的即时通讯，可以保证联合仿真过程中的数据有效性。

4、运动过程中的强度分析

当前大多数CAE工具只能做静强度的计算分析，运动过程中的强度分析计算能力较差，需要软件有两大计算能力才能进行运动过程的强度分析：一是能够自动分析物体运动过程中的受力分布情况；二是通过自动的受力分布进行实时的网格划分，需要软件有足够的计算速度与计算优化能力。

现状及存在的问题：

  · 运动过程中受力分析，关于运动过程中的强度分析，需要软件能够完成在运动过程中body的受力情况，能够实时计算出当前的受力分布情况。

  · 网格自动划分，通过根据受力分布情况进行自动的网格划分，通过自动的网格划分要保证网格的质量与节点的数量。

关键解决技术：

  · H-Adaptive自适应网格划分技术，能够通过当前的受力分布情况，自动划分网格，网格疏密程度能够智能地根据受力分布进行智能的区域划分。

来源：e-works数字化企业网，作者：胡涛。

南沙人

刚柔耦合计算，尤其是柔性体分析