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嵌入式流体仿真如何加快机械设计流程？ | SOLIDWORKS Flow Simulation 白皮书（上）

hejiaqiao 2022-06-28 SolidWorks 1,123 views

数十年来，众多工程师和数学家一直在试图通过“计算流体力学 (CFD) 仿真”这种方式加深对流体力学和传热现象的理解并提高对其预测的能力。目标非常明确，即最大程度优化涉及流体的产品和工艺的设计，同时最大程度减少实验次数以及花费的时间和成本。

但是，过去十年左右 CFD 才获得广泛认可并应用于工业设计，这得益于计算能力成本的大幅降低、更好的数学算法和更易使用的商业 CFD 代码。从 2D 工程图设计过渡到使用实体模型的3D 设计推进了 CFD 的广泛使用和普及。

“产品生命周期管理 (PLM)”这一概念已深入人心并得以全面实施，其宗旨是在整个数字化设计和生产过程中重用相同的 3D 数据，从而加速并行工程设计。实现此目标必不可少的一步是将描述操作模式、结构/机械行为、流体流动/热学行为等内容的分析和仿真结果嵌入到主流机械设计流程中。如今的并行工程方法通常要求先预测新设计的可行性和性能，然后再进行重要决策，这些决策可能影响设计细节，仿真对此类产品的设计至关重要。

机械和结构分析已很好地嵌入到主流机械设计 (MCAD) 软件中。但是，针对流体和传热过程的著名的纳维叶-斯托克斯方程在本质上非常复杂而且是非线性的，因此相比针对机械应力和实体变形的方程，通过数学方式求解该方程更加困难。部分由于这一原因，开发 CFD 软件的公司耗费了更多的精力来加速其数学算法，而不是将软件嵌入到主流机械设计环境中。许多商业

CFD 公司宣称其产品可与主流机械设计软件集成，但细心观察您会发现这里的“集成”还有很多有待完善之处，也无法满足完全嵌入的并行工程的需求。

新方法

用户需要新的方法进行流体仿真，这种方法能够让 CFD 软件具备经济高效、面向流程的特点并且能够完全嵌入到主流设计环境中。当设计周期内发生设计变更时，必须能及时获得仿真结果，只有这样仿真才能发挥其在设计决策制定和优化方面的核心作用。那么，CFD 软件应具有哪些特点和技术需求才能满足上述宏伟目标呢？

首先，CFD 软件必须能够直接与主流 MCAD 软件的原生 3D CAD 数据交互，确保与不断出现的设计变更保持同步。目前能够满足此要求的商业 CFD 软件少之又少。大多数 CFD 代码，即使是宣称可与机械设计 (MCAD) 软件集成的代码，实际上使用的是 3D 几何体的副本，通过 Parasolid 或 ACIS 等中性格式进行转换并添加边界条件来生成流体分析模型。这种方法有致命弱点，而且无法提供完全嵌入的流体仿真，因为采用副本并对其进行转换这一行为切断了主流机械设计与分析版本之间的联系。
第二，CFD 软件必须与主流机械设计 (MCAD) 软件具有相同的“观感”，并共享相同的装配体树层次关系等，以便用户在操作 CFD 软件时不用被迫学习新的环境，并能够专注于待解决的实际问题。再次说明，目前能够满足此要求的商业 CFD 软件少之又少。由于在多种不同 MCAD 软件开发环境中开发用户界面的成本较高且非常复杂，因此大多数供应商会选择上述的转换过程。
第三，大多数 CFD 软件工具在导入实体模型时遇到的的一个特定问题是：在原始的 MCAD 模型中不存在用于表达（空的）流动空间的离散“对象”，而这些（空的）流动空间是流体模型所必须用到的。解决此问题时大多数 CFD 代码使用的标准方法是识别并提取 MCAD模型中的所有“空腔”，将其作为额外的幽灵“对象”添加至特征树，并为其划分网格。这种方法不能也无法提供完全嵌入的流体仿真，因为数据一致性以及与原始 CAD 数据的一对一链接将丢失。

为克服上述问题，业界开发了一种称为工程流体动力学 (EFD) 的新一代 CFD 软件，这种软件可满足在 3D MCAD 设计环境中完全嵌入的并行流体仿真的需求。

SOLIDWORKS Flow Simulation 产品可将原生的 SOLIDWORKS 3D CAD 数据直接用于流体仿真，无需任何转换或复制。SOLIDWORKS Flow Simulation 软件采用一种称为“直接从 CAD 到CFD”的独特技术，这是一种可分析 CAD 模型的软件流程，它会自动确定流体和实体区域并允许用户一步定义并网格化整个流体区域，此过程中无需用户交互，也无需向 CAD 模型添加虚构的“对象”。

大多数情况下，流体仿真的目的都是系统地寻找针对某个特定设计问题的最优解决方案。要实现此目的，工程师必须模拟大量设计变型，其中的设计变体包含对几何参数以及输入变量、温度和流动条件的变更。如 SOLIDWORKS 3D CAD 这样的现代 MCAD 环境是实现此目标的理想平台，因为零件和装配体的参数化和结构化采用了机械设计师非常熟悉的方式，所以他们可轻

松进行设计变更。为了让其发挥实际作用，SOLIDWORKS CAD 模型不仅存储几何参数，还存储流体参数、温度、流动率等等。

这些参数必须作为基于对象的特征进行存储，并像其他基于对象的数据一样接受管理，以及可直接用来更新仿真软件。SOLIDWORKS Flow Simulation 软件具有这些功能，并使用设计配置等 SOLIDWORKS 特有的参数功能来支持与多个设计变型的链接。这种方法让系统能够自动且经济高效的对大量设计变量进行仿真，还能跟踪仿真结果属于哪个模型。