基于workbench平臺的設計仿真探討

1.      仿真的意義

在機械產品開發實踐中，傳統上通過實物試驗來驗證設計的可行性，若產品存在設計缺陷，還需要改進和再試驗，有時會耗費大量的時間、人力和財力。三維設計消除了大部分幾何錯誤，機械仿真則可在設計階段對產品性能進行評估以便盡早發現物理缺陷。

對工程師而言，仿真至少具有如下價值：

1）     拓寬專業范圍

對于機械零件設計，不僅需要理論力學獲取零件受力狀況，材料力學解決桿類零件設計問題；還需要彈性力學，解決板塊類零件設計問題；以及斷裂力學，解決疲勞破壞問題。對于產品設計，往往還需要電、磁和流體力學等各方面的專業知識。這給設計師帶來巨大的挑戰，幸好仿真軟件使我們不必精通各方面的專業知識，僅需具備相應的物理學基礎知識就能夠應付局面；在材料力學方面甚至可以突破其基本假設，例如材料可以是各向異性的，還可以求解大變形情況下的結構響應，這在材料力學領域是不可想象的。

圖1大變形現象

2）     延伸研究能力

僅以過盈配合為例，很容易在接觸仿真中看到配合面上的應力分布，以及接近孔口處的應力集中現象，分析成因，求出應力集中系數并研究應力集中與孔口形狀的關系；研究過盈配合的承載能力，包括軸向載荷與扭矩。實物試驗很難得到這樣的結果。

圖2過盈配合時的應力集中

3）     優化設計參數

Workbench提供一種基于參數管理和仿真的設計優化方法。通過某種優化算法，比如直接目標優化或響應面優化，找到符合設計目標的設計參數的最優解并研究參數之間的關聯關系。

4）     評估設計質量

在投產之前，通過施加適當的邊界條件以及多物理場仿真，可得出產品在規定載荷及環境條件下的應力分布、瞬態響應、沖擊效應、熱效應等等，在早期發現設計缺陷意義重大，因此可作為一種重要的設計驗證手段。

毫不夸張地說，掌握了力學仿真軟件，相當于擁有一座多學科的綜合性虛擬試驗室。

2.      仿真分級

既然仿真軟件這么厲害，精通或掌握是否很難呢？非常不幸答案是肯定的。Ansys公司副總裁Mark Hindsbo承認，完全掌握ansys軟件需要數十年時間；然而Workbench提供一些功能使我們可以適當劃分仿真軟件的使用級別，以便適應不同的應用目的：

1）     設計仿真（初級仿真）

這是供設計工程師（DE）使用的初級仿真。除了材料和邊界條件如約束、載荷等基本設置之外，其它如網格劃分包括單元類型和密度、接觸捕獲與設置、收斂控制等細節可全部交給軟件管理，默認狀態為Program Control，雖然不盡人意大部分情況下可以快速得到結果。Ansys公司近期推出的DiscoveryLive更是專為設計工程師定身量制。經過簡單的學習很容易達到這個級別，但本級別一般不能判定仿真結果的有效性，僅對設計計算起輔助驗證的作用。

2）     專業仿真（高級仿真）

仿真工程師（CAE）具有的水平，達到這個級別需要具備有限元理論知識、相關力學專業知識和仿真軟件的深度使用技巧；同時熟知軟件在各種條件下的計算誤差，本級別有能力判定仿真結果的有效性，因而可作為設計驗證的手段。

3）     工程仿真（中級仿真）

介于上述兩種之間。具備本專業的知識、相關專業的基礎物理知識和一定的軟件使用技巧；本級別能確定仿真結果的誤差方向（是否保守）和大致范圍，可以有條件地作為設計驗證的手段。

作為設計工程師，應當掌握設計仿真；當然，若能在某方面精進至工程仿真的水平，就更好了；至于高級仿真，畢竟精力有限，就留給CAE工程師們去做吧！