仿真筆記——多體動力學仿真關鍵技術的研究

CAE仿真學習菌

2023年7月13日 14:32

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本文主要介紹了從事CAE領域中通過與客戶交流以及自己的實踐經驗，針對具體問題提出相應的解決方案，涉及到常見的技術問題以及當前主流或未來趨勢的關鍵解決技術。主要涉及到CAD模型轉換技術、摩擦力計算、聯合仿真技術以及運動過程中的強度分析。

CAD模型轉換技術

CAD轉換是我們在進行CAE求解計算式第一個要考慮的問題，目前的ACE軟件只接受中間格式的CAD模型，導致幾何與原始模型會有輕微的變化或者帶來其他的問題，造成不必要的麻煩，該小節分析了目前CAD模型轉換的現狀以及存在的問題，并針對這些問題提出了關鍵的解決技術。

仿真筆記——多體動力學仿真關鍵技術的研究的圖1

現狀及存在的問題：

CAE軟件導入幾何數模時發生錯誤，無法導入。這種問題可能是由于版本的限制問題，比較好解決，用CAD軟件把這些幾何用iges格式輸出處理一下就可以了。但這種問題也可能是幾何數模中存在嚴重錯誤所致，這就需要修改模型了。

導入幾何模型后發現有些曲面無法導入，這樣模型就會缺少一些比較重要的面，或者曲面存在縫隙、重疊、錯位等缺陷，對較復雜的模型這種問題是經常性的。邊界錯位經常引起網格扭曲，導致單元質量不高，求解精度差。
導入的模型很完整，沒有錯誤。但是由于CAE分析和CAD設計的思想不同，會產生一些兩難的問題。CAD設計主要是為生產服務的，模型中通常會包含某些細微特征，例如曲面和邊的倒圓、小孔。進行分析時如果要準確模擬這些特征，需要用到很多小單元，導致求解時間過長。
由于現有的CAE工具支持的模型為通用的中性格式，已經由原來的CAD工具轉換成中性格式（step stl等），這些中性格式大都是由三角面片構成，對于高精度的計算仿真，這些中性格式的數據不完全準確，點與點的距離在這些格式中變成三角面片與三角面片的距離，造成精度誤差。

關鍵解決技術：

幾何清理，使用幾何清理技術可以將精度高、對結果影響不大的小單元進行簡化處理，減少不必要單元的數量，加快計算速度，減少求解時間。

Add-In Transfer（模型直接轉換），模型直接轉換技術，是獲得原始CAD模型的內核進行。從而使得CAE軟件能夠直接讀取CAD原始模型，在技術實現上可采用Add-In Transfer插件的形式，將CAD軟件與CAE軟件直接關聯，從而更進一步解析CAD原始模型。當然，完全解析CAD原始模型需要內核的支持，該項技術已在國外有了逐漸的發展。
幾何模型數據定義，幾何模型數據定義主要解決目前由于模型轉換中出現的尺寸偏差問題，由于目前的CAE軟件支撐的CAD模型大都采用三角面片的形式進行讀取，由于精度問題，會造成三角面片與原始數據存在偏差，在進行相關的CAE計算時導致計算結果出現問題。為防止這一問題的出現，采用幾何定義的方式進行保證數據的可靠性。

多體動力學摩擦力計算

由于工程與學術上存在著一定的區別，在學術中摩擦力計算本身就是一門不精確的學科，根據學術目前的摩擦力計算公式在一定程度上只能解決部門工程問題，計算摩擦力的前提就需要知道摩擦系數，在當今學術不斷發展的進程中，摩擦力計算還會涉及到速度等一些其他問題，如何解決工程應用中摩擦力問題已經給多體動力學分析軟件提了一個大大的難題。在建立摩擦力模型時已經需要考慮當前的環境因素，從而建立最準確的摩擦力。

仿真筆記——多體動力學仿真關鍵技術的研究的圖2

現狀及存在的問題：

接觸力計算問題，接觸力是當前學術公認的與摩擦力關系最大的影響因素之一，如何建立準確的接觸力計算模型，已經影響到最終的計算結果是否正確。
摩擦力計算，摩擦力計算在學術中屬于不精確學科，這就更需要工程實踐的支持，大多數的摩擦模型需要根據當前的計算環境進行建模。如何準確的計算出工程應用的摩擦力，目前并沒有較好解決技術。只能根據企業的工程實踐應用的不斷積累，建立屬于針對某一領域的計算模型，才是解決摩擦力計算的解決方法。

關鍵解決技術：

該項內容并無具體的解決技術，這里是給CAE軟件提供商提出意見。目前隨著工程應用的愈來愈復雜，需要CAE軟件有其核心的技術經驗積累來指導客戶的工程應用。接觸力計算與摩擦力計算需要客戶與軟件供應商之間的相互協作，最終確定具體的計算模型，才能夠有效的解決這一問題。

聯合仿真技術

對于擁有較龐大的系統會涉及到聯合仿真技術，聯合仿真主要是解決全虛擬仿真技術或半實物仿真技術。在工程應用過程中，對于工程師而言搭建聯合仿真平臺是最麻煩的一件事，需要解決平臺間的通信問題與數據傳輸的準確性，因此需要搭建一個平臺與平臺間的橋梁進行信息處理，保證數據的有效傳輸與數據的兼容性。

仿真筆記——多體動力學仿真關鍵技術的研究的圖3

現狀及存在的問題：

搭建聯合仿真平臺版本約束，目前搭建聯合仿真平臺最大的約束是軟件與軟件間的版本問題，例如matlab與adams的聯合仿真需要嚴格的版本約束，而且較為復雜的聯合仿真由于版本間不知名的問題會困擾工程師，增加工程師的工作，需要大量的時間去解決問題。
平臺間的通信和調度問題，聯合仿真是各個軟件間的通信與調度問題，如果軟件A的數據與信息無法傳遞給軟件B，聯合仿真將無法進行，解決平臺間的有效通信與調度問題是聯合仿真的首要問題。如matlab與adams聯合仿真經常會遇到的問題，在聯合仿真開始后，經常會出現找不到ADAMS服務器的提示，這是因為ADAMS和Simulink聯合仿真的通信和調度，如果simulink找不到它，則仿真不能進行。