—TeamCenter & Simcenter STAR-CCM+的完美結合

全球汽車行業正面臨著變革，電氣化，自動化，移動共享和數據連通正在發生。大眾率先進行戰略部署，制定了清晰的電動化戰略。并正在一步步向稱霸全球電動車市場進軍。歐洲其他車企也紛紛宣布電動化計劃。傳統車面臨著能源轉變的威脅，新能源車面臨著新技術的挑戰和沉淀。汽車行業正經歷著蛻變。

11月18日至22日在美國內華達州拉斯維加斯舉行的西門子工業軟件FY20 Converge大會上同樣關注汽車行業的發展。軟件對汽車行業的發展越發重要。如何利用軟件推進汽車的研發。西門子工業軟件Converge期間的展覽會上展示了不同仿真平臺擁有的先進技術及不同平臺工具間的集成，結合其柔性的NX建模技術和測試設備，用端到端的數字線程連接各屬性模塊的性能仿真，實現汽車不同系統之間的相互通信，進而提高研發質量和效率，幫助汽車行業進行更深入，更快速的研發。這恰是本次會議的主題。

一個汽車CFD仿真案例分享

下面就FY20 Converge期間學到的一個汽車CFD仿真的成功應用案例進行分享。

北美汽車巨頭GM早在兩年多前就開始尋求更快速更經濟的汽車CFD仿真流程。試圖在CFD分析上運用單一工具平臺實現從CAD模型導入到結果輸出的快速流程，同時又能滿足設計變更后，CFD結果的快速響應。以此來節約數模的前處理，求解，后處理分別在不同工具間進行傳輸交換的時間以及設計變更帶來的重復工作。

西門子工業軟件Simcenter STAR-CCM+ 是完全集成化的單一CFD仿真工具平臺。可以快速建立標準自動化的仿真工作流程。這套流程將設計的變更提到網格生成之前，只需將改變后的數模在Parts導入時進行替代即可，后續的網格生成，求解計算和后處理在原有模板的基礎上進行一鍵更新。

GM原有的CAD設計軟件用的是西門子的NX，仿真數據和過程管理用的是Teanmcenter，而STAR-CCM+又被西門子收購，并入其Simcenter仿真平臺下。是否可以聯合CAD，TC和CFD分析一起建立完整的仿真管理流程，替代其之前分散的，效率不高的流程。2016年開始，即STAR-CCM+并購之初，GM和西門子工業軟件就布署基于CAD設計工具NX，數據管理工具TeamCenter和流體力學分析工具STAR-CCM+針對不同模塊屬性仿真應用方向的Campaigns。

典型的成功是熱管理的Soak工況仿真由原來的7周時間減少到7天。縮短了85%的仿真時間，同時減少了90%的工程資源。GM利用Teamcenter可視化工具組織、審查和挑選CFD分析的CAD幾何，然后將目標CAD結構層傳輸到SimcenterSTAR-CCM+，保留其完整的結構樹及命名，同時連同數模的材料屬性一同傳遞，用于CFD分析的物性識別和邊界屬性設置等。利用穩健的，可重復性嚙合的網格技術有效處理大規模復雜的裝配體。運用Co-simulation聯合仿真技術有效評估瞬態熱載的計算策略。最終實現工程創新。

除了VTM仿真之外，GM還成功地將SimcenterSTAR-CCM+應用于發動機艙前端進氣分析（涉及格柵開口進風量與冷卻模塊散熱平衡），燃油箱的晃動分析（為燃油的晃動疲勞及噪聲提供流體載荷），剎車盤冷卻分析（在整車環境下分析剎車制動過程中的最大溫度及溫度分布），空調箱除霜除霧，乘員艙熱舒適性分析，進排氣系統的流動傳熱分析等。

具體解決方案

西門子工業軟件汽車CFD仿真流程管理的整體解決方案是基于NX （CAD設計），Teamcenter（仿真數據與過程管理）和STAR-CCM+（流體分析軟件）不同的工具平臺間實現汽車CFD仿真過程的集成與自動化。整個仿真流程的杠桿是通過Teamcenter下的工具SimulationTools中的ForSimulation流程切換接口（簡稱TC for Simulation）來實現汽車CAD模型數據從NX讀取并自動導入到STAR-CCM+進行CFD計算，并將計算結果導出，反饋給TC 進行查看和評估。具體實現途徑如下：

1)   以CAE Manager角色登錄Teamcenter為例。需設置TC for Simulation環境，這里是TC forSTAR-CCM+的環境。此環境下能夠允許STAR-CCM+打開NX CAD或其本身的.sim 文件（即STAR-CCM+open CAD or sim）。具體的設置包含STAR-CCM+啟動路徑的環境變量及相應的啟動腳本。

2)   在TC for Simulation中加載STAR-CCM+對應的模板計算文件（Template.sim）。這里的模板計算文件實質上是在STAR-CCM+中建立的應用于某一計算目標的sim文件。如汽車外流場仿真的基準sim文件，機艙熱管理的基準sim文件等。

3)   運用自動化腳本如open_xt.java 挑選出需要進行CFD計算的CAD數模，并自動將其導入STAR-CCM+。

4)   在STAR-CCM+已有的模板文件（Template .sim）中根據導入的CAD幾何名稱，自動更新網格，進行新CAD的CFD求解計算；

5)   STAR-CCM+計算結束后，會將需要的結果導出STAR-View可視化文件（.sce）;

6)   在TC環境下啟用另一個TC for Simulation工具調用STAR-View的結果文件，進行結果分析及報告評估。

整個仿真流程的管理通過從CAD汽車三維模型建立開始到最終CFD仿真計算結果，即流動、熱等性能可度量的各種物理量。實現從START—to—End的工具集成及自動化，并在TC中進行歸檔，管理和追蹤。

下面就CFD 軟件SimcenterSTAR-CCM+單一平臺工具下的模板文件建立進行解析。

在Parts的結構樹下，根據需要可分成不同的組件，以下圖示例。Voids為從Teamcenter導入的.plmxml格式的裝配體總成。Fluids是針對Voids下的零部件進行域的組織提取后，生成的各個流體域（包含主流體域，芯體域，管道內流域等）。Misc.是輔助組件，用來存放各種體加密框，計算域邊界等輔助域的零部件。Separators這些是人工邊界，用于不同網格類型，不同坐標系，不同物理模型等流體域的分離。比如空濾進氣口，排氣管道入口和尾管出口等，前后輪的旋轉交界面等。Solids結構樹下是各個需要考慮的固體零部件。

Operations下的操作可根據域的組織需要和流體的生成，靈活設置各種Operations的操作。示例如下：

Operations的流程一旦執行，即可生成需要的流體域，網格，接觸關系等。在Continua節點下只需建立流體和固體兩類物理模型，固體根據材料的不同可選擇Muti-Part的方式。

流體域的建立可參考如下圖的方式，可以用一個默認的邊界對應很多的parts，如有特殊邊界類型的可手動進行建立并匹配到對應的parts上。這樣Region結構樹下簡單明了，完全根據邊界類型及條件需要進行設置。

后處理建議在計算執行之前進行，根據分析目標的要求建立各種標量圖，矢量圖及圖表等。

以上模板的建立是基于手動的方式進行的，但在建立的過程中，一些重復的操作可采用Java腳本進行驅動。

也可借助VSim實現整個自動化設置的過程，但這需要用戶很好地定義Excel輸入表格。模型的復雜程度決定著輸入Excel表格定義的難易程度。目前VSim底層的程序腳本已封裝，現已嵌入SimcenterSTAR-CCM+中作為一個單獨的插件存在。用戶只需定義好輸入的Excel表格及準備好CAD模型文件目錄即可進行圖形界面操作，如下Video所示，可快速實現流程的建立。

以上仿真過程實現了自動化，智能化，大大縮短了由于不同工具平臺間的數據互換和同一工具平臺下手動流程操作的時間，提高了效率，實現創新。

寄語：

汽車行業的陣痛未必都是壞事。在市場冷靜的情況下，可以更好地修煉內功，整合部門資源，更多的部門之間的協同仿真和多學科平臺建設，實現系統級的綜合性能工程預測。歡迎選擇與西門子工業軟件合作，一起為汽車性能工程預測，仿真計算流程探求最深入更快速的解決方案。