做三維仿真，最關(guān)鍵的就是做網(wǎng)格，一般計算不收斂,計算緩慢和計算結(jié)果異常等問題第一個需要檢查的就是網(wǎng)格質(zhì)量。傳統(tǒng)意思上的CAE仿真前處理就是網(wǎng)格劃分，但往往由于到手的三維數(shù)模存在缺失面、重復(fù)面和多余的幾何特征等問題，不能直接網(wǎng)格化，所以需要幾何清理將數(shù)模處理到可以劃分網(wǎng)格的程度。電池?zé)峁芾矸抡鎺缀吻謇硪彩且粯?，需要將模組的結(jié)構(gòu)簡化，至于液冷方式的電池包，還需要對軟管與接頭的干涉，快插公頭與母頭裝配間隙等進行前處理才能抽取完整的水流道。今天主要來介紹款筆者認為比較好用的前處理軟件SCDM，并對Fluent meshing，Star-ccm+和Hypermesh等常見的網(wǎng)格劃分工具做些簡單的對比介紹。

圖1 電池溫度場流場耦合仿真

 

（一）幾何清理：SCDM

 

SCDM全稱是SpaceClaim DesignModeler，是CAD軟件公司SpaceClaim為ANSYS開發(fā)3D前端處理應(yīng)用，集成在Workbench平臺下。該軟件的最大特點，或者是最好用之處是直接建模，可以對導(dǎo)進來的CAD模型直接進行拉伸、填充和切割等處理，智能化程度較高，聽說最新版本的SCDM已經(jīng)可以畫網(wǎng)格，也是逆天。下面來簡單講講幾個好用的功能：

（1）拉動：能直接對面進行拉伸操作，對線進行倒圓角操作，對拉伸的距離定義功能也較豐富，自定義距離、直到下一個面等，配合拉伸選項，能做切除、復(fù)制等操作。

圖2：對液冷管進行拉伸

（2）填充工具：能快速去除各種幾何特征，多余的面，圓角變直角等，一鍵完成，前處理神器；

圖3 ：去除多余的特征面    

（3）剖面：幾何清理中也應(yīng)用比較多，特別是看模型的干涉，內(nèi)部間隙等，可以基于某些特征面創(chuàng)建剖視圖，并且能對這些剖面進行移動和旋轉(zhuǎn)等。

 圖4 ：快插接頭剖視圖  

 

（4）流體抽取工具：做CFD仿真比較關(guān)注的一個點是流體域，SCDM提取流體域的魯棒性比較好，在模型有干涉的情況只要內(nèi)表面封閉都可以提取流體域，并且提取流體域的方式較多，根據(jù)面、邊、封閉曲面或者矢量面都可以提取，選擇面的話需要跟選擇矢量面一起用，而一般用選擇邊就可以，直接選取進出口的圓邊。

圖5 ：選取進口的邊用于提取流體域

 

（5）文件選項：另外SCDM支持的CAD文件類型較多，市面上常見的格式都能識別，模型導(dǎo)出功能也比較強大，可以對模型進行定義細節(jié)，保證模型特征傳遞到下游CFD軟件。

圖6：SCDM導(dǎo)出STL的文件選項

 

（二）網(wǎng)格劃分：

（1）Fluent meshing

Fluent在14.5版本的時候集成了Fluent meshing功能（前身是TGrid），并在17.0版本的時候迎來大更新，包括界面更新，基于不同區(qū)域的體網(wǎng)格劃分和支持多面體網(wǎng)格劃分等功能的上線。這幾年，ANSYS公司一直主推Fluent meshing，說是高級網(wǎng)絡(luò)劃分工具，但筆者感覺也不難上手，在使用Fluent meshing以后基本放棄ANSYS mesh了。最新版19.2已經(jīng)上線類似Star-ccm+的流程式操作，這個跟ANSYS Workbench下仿真流程很像，該步驟完成會有√提示，直觀易懂。

圖7 ：Fluent meshing操作界面

在不需要額外清理幾何清理的提前下，F(xiàn)luent meshing生成網(wǎng)格只要幾步：用Join/Intersect做壓印處理，然后創(chuàng)建Inlet和Outlet將流體域封閉，生成相應(yīng)的Regions，設(shè)置網(wǎng)格及邊界層尺寸后就能完成劃分網(wǎng)格操作，另外生成網(wǎng)格速度較快，主視圖區(qū)不同網(wǎng)格類型用不同顏色加以區(qū)分，比較直觀。

圖8：流體域網(wǎng)格示例

 

劃分網(wǎng)格肯定離不開網(wǎng)格質(zhì)量這個話題，改善網(wǎng)格質(zhì)量最直接的方法就是減小基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸，或者采用局部網(wǎng)格加密的辦法，但同時也會增加網(wǎng)格數(shù)量，從而增加計算時間。Fluent meshing里有個檢查網(wǎng)格質(zhì)量的功能，一般將skew控制在0.85~0.9以下。另外可以通過Auto Node Move自動優(yōu)化網(wǎng)格節(jié)點提升網(wǎng)格質(zhì)量，但若低于目標質(zhì)量的網(wǎng)格數(shù)量太多，還是需要返回到幾何處理，減少些特征，或者加密網(wǎng)格了。

圖9 ：Fluent meshing自動網(wǎng)格優(yōu)化功能

(2）Star-ccm+

Star-ccm+近幾年被西門子收購，放在西門子的Simcenter平臺下，是CAE仿真中CFD的代表工具。Star-cc+的最主要特點是所有操作都在同一個界面下進行，集成化程度相當(dāng)高，所以使用起來非常方便，而且極易上手，按照界面左側(cè)的模型樹從幾何到Region，再到仿真，一步步往下做就可以了。記得曾經(jīng)有位同事，在其他CFD仿真軟件操作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，三天就讓Star-ccm+運算起來了。

不過Star-ccm+這個模型樹也有個不方便的地方，就是層級太多，展開以后至少4-5層（如下方右側(cè)圖），有時候設(shè)置些邊界條件容易迷失，需要適應(yīng)下。

圖10 ：Star-ccm+的模型樹與展開

 Star-ccm+劃分網(wǎng)格有兩種形式，基于Parts的網(wǎng)格劃分（PBM，Parts Based Meshing）與基于Region的網(wǎng)格劃分（RBM，Region Based Meshing）。兩者在基本網(wǎng)格尺寸控制上思路是一樣的，Base size，mini surface size和邊界層數(shù)等都一樣，而自定義控制（Custom controls）略有區(qū)別，PBM可以直接選擇所要控制的Surfaces，而RBM是需要到相應(yīng)的Surfaces下面進行網(wǎng)格設(shè)置?？傮w來講，PBM的靈活程度高一些，因為本身在Star-ccm+里面Parts就是比較粗糙的面網(wǎng)格，可以直接對網(wǎng)格進行操作，另外通過記錄Operations的操作，只要Parts更新，生成的體網(wǎng)格也會更新。

圖11：PBM和RBM自定義網(wǎng)格的設(shè)置區(qū)別

Star-ccm+也有類似Fluent meshing的網(wǎng)格質(zhì)量統(tǒng)計的工具，控制網(wǎng)格根據(jù)如下建議值來判斷：

? 0.93 to 0.95 for face validity；

? 1e-6 to 1e-9 for Min cell quality；

? 1e-3 to 1e-4 for Min volume change；

?  ＜85° for Max boundary skewness angle.

對于網(wǎng)格質(zhì)量較差的單元，Star-ccm+是采用移除的方式，而不是優(yōu)化節(jié)點，這是跟Fluent meshing不一樣的地方。

圖12：Star-cmm+移除無效網(wǎng)格

（三） Hypermesh

最后講下Hypermesh，Hypermesh和ANSA一樣是比較經(jīng)典的手動前處理工具，從幾何清理到網(wǎng)格劃分可以在同一界面下完成。Hypermesh從最基本的點線面進行處理，自由度較高，并且可以自由拉動網(wǎng)格節(jié)點，可以說沒有hypermesh處理不了的模型，沒有hypermesh畫不出的網(wǎng)格。Hypermesh在結(jié)構(gòu)仿真，振動噪聲和整車碰撞等多個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，隨著CFD自動網(wǎng)格技術(shù)的日趨成熟，Hypermesh在流體仿真中應(yīng)用相對來說少一點。

但筆者曾經(jīng)實踐過，做過液冷方案開發(fā)的工程師應(yīng)該都有體會，水冷板流道和布置的設(shè)計方案經(jīng)常變，但是模組都是標準模組，一旦選定型號基本不會變，所以筆者根據(jù)這個特（niao）質(zhì)（xing）用Hyepermesh畫出了軟包模組全六面體網(wǎng)格，只用Fluent meshing處理液冷板數(shù)模，兩者再用Interface連接，總體來在前處理上說效率要高很多。

圖13：Hypermesh與Fluent聯(lián)合仿真示意圖

 （四）總結(jié)

總體來說，SCDM作為幾何清理工具還是比較好用的，優(yōu)勢在于去除特征面和幾何尺寸調(diào)整；而Fluent meshing和Star-ccm+的網(wǎng)格劃分功能自動化程度較高，兩者使用起來區(qū)別不大，該有的功能都有（這兩家公司也是“相愛相殺”多年，傳說Star-ccm+是Fluent被ANSYS收購時，主力團隊跳槽到CD-Adapco開發(fā)出來的）；而Hypermesh/ANSA作為傳統(tǒng)前處理工具，由于是手動控制，網(wǎng)格劃分自由度非常高，但有時效率相對來說低一點。

 

圖14： 各軟件應(yīng)用優(yōu)勢

但筆者想說的是，一個軟件單打獨斗的時代已經(jīng)過去，文中提到的Fluent meshing和Star-ccm+都自帶功能強大的面網(wǎng)格修補工具，但在OEM、Tier1等應(yīng)用端工程師還是偏向于將模型用前處理工具清理完再導(dǎo)入到Fluent meshing或Star-ccm+等其他仿真軟件進行后續(xù)操作，發(fā)揮各軟件的優(yōu)勢。做三維仿真需要CAD軟件與CAE軟件配合，一維系統(tǒng)仿真也是如此，一維模型（熱、電、流場和動力模型等）都需要三維仿真或者試驗數(shù)據(jù)進行標定。

圖15：各類仿真工具耦合示例

 

今天就交流這么多，講個大概的思路，供大家參考。不過總體來講，做仿真是解決工程問題比較好的工具，但軟件是死的，選擇怎樣的工具，采用什么方法，設(shè)置什么樣的參數(shù)，還是在于工程師，最后上個最近比較喜歡的圖。

圖16：軟件與工程師

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