MSC CoSim的案例
案例分享 | 雅馬哈直升機(jī)螺旋槳的聲音設(shè)計
使用聯(lián)合仿真技術(shù)進(jìn)行無人直升機(jī)的流體-結(jié)構(gòu)-聲學(xué)仿真設(shè)計
雅馬哈發(fā)動機(jī)公司基于 MSC CoSim聯(lián)合仿真模塊來全面評估無人直升機(jī)“FAZER R”的性能（圖 1）。MSC CoSim提供了一個聯(lián)合仿真的接口，可將不同求解器/學(xué)科與多物理場雙向強(qiáng)耦合起來。使用MSC CoSim，雅馬哈能夠通過交互傳輸數(shù)據(jù)的多學(xué)科軟件產(chǎn)品同時執(zhí)行多項分析。
MSC CoSim的優(yōu)勢之一是用戶能夠輕松地在不同的軟件工具之間無縫切換。這使得運(yùn)動部件與結(jié)構(gòu)部件、結(jié)構(gòu)部件與流體區(qū)域，以及運(yùn)動部件與流體區(qū)域的耦合分析變得更方便快捷，并真實反映物理世界中發(fā)生的實際情況。
在分析 FAZER R 無人機(jī)時，雅馬哈使用MSC Nastran和scFLOW進(jìn)行了結(jié)構(gòu)流體聯(lián)合仿真，模擬轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣流和轉(zhuǎn)子變形。然后，進(jìn)一步使用MSC 的聲學(xué)分析軟件工具 Actran 來計算由轉(zhuǎn)子引起的流體噪聲。
MSC CoSim以多種方式確保了準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。例如，CoSim在源代碼級別針對 MSC Nastran 和 scFLOW 進(jìn)行了優(yōu)化，可提供卓越的穩(wěn)定性。同時，對于 MSC Nastran 和 scFLOW，盡管它們需要不同類型的網(wǎng)格，但高精度的映射技術(shù)使它們能夠交換位移和流體力等數(shù)據(jù)。此外，在 scFLOW 2021 中，用于網(wǎng)格變形速度比早期版本快得多，從而進(jìn)一步提高了聯(lián)合仿真的準(zhǔn)確性和速度。
基于MSC CoSim，雅馬哈發(fā)動機(jī)通過流-固-聲學(xué)仿真對工業(yè)用無人直升機(jī)的性能進(jìn)行綜合評估，如圖2所示：
圖 2
分析過程
雅馬哈發(fā)動機(jī)公司使用以下程序做性能驗證（圖 2）：
1. 使用聯(lián)合仿真高精度分析氣流以生成氣動聲源。
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使用聯(lián)合仿真技術(shù)進(jìn)行無人直升機(jī)的流體-結(jié)構(gòu)-聲學(xué)仿真設(shè)計
雅馬哈發(fā)動機(jī)公司基于 MSC CoSim聯(lián)合仿真模塊來全面評估無人直升機(jī)“FAZER R”的性能（圖 1）。MSC CoSim提供了一個聯(lián)合仿真的接口，可將不同求解器/學(xué)科與多物理場雙向強(qiáng)耦合起來。使用MSC CoSim，雅馬哈能夠通過交互傳輸數(shù)據(jù)的多學(xué)科軟件產(chǎn)品同時執(zhí)行多項分析。
MSC CoSim的優(yōu)勢之一是用戶能夠輕松地在不同的軟件工具之間無縫切換。這使得運(yùn)動部件與結(jié)構(gòu)部件、結(jié)構(gòu)部件與流體區(qū)域，以及運(yùn)動部件與流體區(qū)域的耦合分析變得更方便快捷，并真實反映物理世界中發(fā)生的實際情況。
在分析 FAZER R 無人機(jī)時，雅馬哈使用MSC Nastran和scFLOW進(jìn)行了結(jié)構(gòu)流體聯(lián)合仿真，模擬轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的氣流和轉(zhuǎn)子變形。然后，進(jìn)一步使用MSC 的聲學(xué)分析軟件工具 Actran 來計算由轉(zhuǎn)子引起的流體噪聲。
MSC CoSim以多種方式確保了準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。例如，CoSim在源代碼級別針對 MSC Nastran 和 scFLOW 進(jìn)行了優(yōu)化，可提供卓越的穩(wěn)定性。同時，對于 MSC Nastran 和 scFLOW，盡管它們需要不同類型的網(wǎng)格，但高精度的映射技術(shù)使它們能夠交換位移和流體力等數(shù)據(jù)。此外，在 scFLOW 2021 中，用于網(wǎng)格變形速度比早期版本快得多，從而進(jìn)一步提高了聯(lián)合仿真的準(zhǔn)確性和速度。
基于MSC CoSim，雅馬哈發(fā)動機(jī)通過流-固-聲學(xué)仿真對工業(yè)用無人直升機(jī)的性能進(jìn)行綜合評估，如圖2所示：
圖 2
分析過程
雅馬哈發(fā)動機(jī)公司使用以下程序做性能驗證（圖 2）：
1. 使用聯(lián)合仿真高精度分析氣流以生成氣動聲源。
展開 Adams聯(lián)合仿真相關(guān)介紹
關(guān)于第一種方式最近Hexagon/MSC 組織了一系列的網(wǎng)絡(luò)研討會，供大家學(xué)習(xí)討論。第三種方式網(wǎng)上相關(guān)的教程也較多，此處不再贅述。
2.2 FMI第三方格式說明
FMI的全稱是Functional Mock-Up Interface，是一種開放式標(biāo)準(zhǔn)，在不依賴于工具的情況下交換和集成不同工具供應(yīng)商提供的被控對象模型，擁有co-sim及model-exchange兩種模式。也就是說，只要是支持這種標(biāo)準(zhǔn)的軟件，都是可以實現(xiàn)聯(lián)合仿真的。
目前Adams支持FMI1.0/2.0的co-sim（master and slave），和model-exchange（master）。由于FMI能夠覆蓋更多的軟件工具，建議用戶多嘗試此方法。2.1節(jié)中的幾款軟件也都可以通過FMI形式進(jìn)行聯(lián)合仿真。關(guān)于FMI的導(dǎo)入或者導(dǎo)出，各軟件都有詳細(xì)的說明及操作實例，此處不再贅述。
2.3 與Marc/Cradle/EDEM
Marc是MSC非線性有限元的重要產(chǎn)品，目前通過MSC Cosim軟件模塊或者通過Adams Co-Simulation Interface這個模塊實現(xiàn)與Adams的聯(lián)合仿真。典型的應(yīng)用場景有懸架誤用工況載荷分析，電池包刮底等。
Cradle是MSC流體的重要產(chǎn)品，目前通過MSC Cosim軟件模塊可以實現(xiàn)與Adams的聯(lián)合仿真，典型的應(yīng)用場景有側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性分析。
EDEM是Altair的產(chǎn)品，用于做離散元分析。目前通過Adams Co-Simulation Interface這個模塊可以實現(xiàn)與Adams的聯(lián)合仿真。典型的應(yīng)用場景有挖掘機(jī)鏟土過程模擬等。
2.4 其他軟件
對于其他軟件，有兩種聯(lián)合的思路。
展開 設(shè)計仿真 | Adams聯(lián)合仿真相關(guān)介紹
03
與Marc/Cradle/EDEM
Marc是海克斯康非線性有限元的重要產(chǎn)品，目前通過MSC Cosim軟件模塊或者通過Adams Co-Simulation Interface這個模塊實現(xiàn)與Adams的聯(lián)合仿真。典型的應(yīng)用場景有懸架誤用工況載荷分析，電池包刮底等。
圖2 Adams-Marc誤用工況分析
Cradle是海克斯康流體的重要產(chǎn)品，目前通過MSC Cosim軟件模塊可以實現(xiàn)與Adams的聯(lián)合仿真，典型的應(yīng)用場景有側(cè)風(fēng)穩(wěn)定性分析。
EDEM可以用于做離散元分析，通過AdamsCo-Simulation Interface這個模塊可以實現(xiàn)與Adams的聯(lián)合仿真。典型的應(yīng)用場景有挖掘機(jī)鏟土過程模擬等。
圖3 Adams-Edem挖掘過程模擬
04
其他軟件
對于其他軟件，有兩種聯(lián)合的思路。
（1）借助中間軟件，比如Simulink來作為數(shù)據(jù)交換的平臺，實現(xiàn)此軟件與Adams的聯(lián)合。
（2）開發(fā)第三方的插件，類似2.3章節(jié)中的Adams co-simulation interface模塊。
Part2
Adams端聯(lián)合仿真
01
Adams端聯(lián)合仿真
Adams與其他軟件Co-sim的一般流程如下圖所示。
圖4 聯(lián)合仿真數(shù)據(jù)流
Adams端需要實現(xiàn)的功能有：
（1）將位移輸出至output_xls，供其他軟件調(diào)用；
（2）使用gforce引用input_xls中的數(shù)據(jù)。
02
實現(xiàn)方法
用子程序（subroutine）的方法實現(xiàn)上述功能。此例實現(xiàn)的功能是：
（1）指定marker點，獲取Dz，Vz，并將值寫到excel中去。
（2）將sforce的值賦為1.55N（實際中應(yīng)從表格中讀取，此處未展示）。
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案例分享 | Adams-Marc聯(lián)合仿真幫助三星獲得設(shè)計見解
圖 4
Adams和Marc（v18.1）之間的耦合是使用MSC CoSim v1.6建立的。開發(fā)MSC CoSim，就是為了提供一個聯(lián)合仿真接口，以便在多物理框架內(nèi)直接耦合不同的求解器/學(xué)科。Adams的.ADM和.ACF文件以及Marc的.DAT文件都被導(dǎo)入CoSim界面。
Adams分析條件包括500g的不平衡衣物載荷，用于觸發(fā)振動。電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速設(shè)置為1300rpm。對兩種不同的墊圈幾何，評估了兩種Marc具體情況，帶和不帶側(cè)肋。
圖 5
從聯(lián)合仿真的結(jié)果（圖5）可以看出，相比于襯套模型，滾筒的加速度/位移提高了，而框架前部
受力減小了
。
可以基于對兩種墊圈設(shè)計的模擬指標(biāo)（例如，總應(yīng)變和接觸法向力）的直接比較來做出設(shè)計決策。通過聯(lián)合仿真探索洗衣機(jī)的動力學(xué)特性，已幫助三星在系統(tǒng)和組件級別上獲得了設(shè)計見解。三星聯(lián)合仿真之旅的下一步，將涉及更深入的基于仿真的探索，利用最優(yōu)化的聯(lián)合仿真分析條件集進(jìn)行減振和魯棒性設(shè)計。
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Adams和Marc（v18.1）之間的耦合是使用MSC CoSim v1.6建立的。開發(fā)MSC CoSim，就是為了提供一個聯(lián)合仿真接口，以便在多物理框架內(nèi)直接耦合不同的求解器/學(xué)科。Adams的.ADM和.ACF文件以及Marc的.DAT文件都被導(dǎo)入CoSim界面。
Adams分析條件包括500g的不平衡衣物載荷，用于觸發(fā)振動。電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速設(shè)置為1300rpm。對兩種不同的墊圈幾何，評估了兩種Marc具體情況，帶和不帶側(cè)肋。
從聯(lián)合仿真的結(jié)果可以看出，相比于襯套模型，滾筒的加速度/位移提高了，而框架前部受力減小了。可以基于對兩種墊圈設(shè)計的模擬指標(biāo)（例如，總應(yīng)變和接觸法向力）的直接比較來做出設(shè)計決策。通過聯(lián)合仿真探索洗衣機(jī)的動力學(xué)特性，已幫助三星在系統(tǒng)和組件級別上獲得了設(shè)計見解。三星聯(lián)合仿真之旅的下一步，將涉及更深入的基于仿真的探索，利用最優(yōu)化的聯(lián)合仿真分析條件集進(jìn)行減振和魯棒性設(shè)計。
深圳市優(yōu)飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產(chǎn)品開發(fā)平臺解決方案與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的國家級高新技術(shù)企業(yè)。
十多年來，優(yōu)飛迪科技在數(shù)字孿生、工業(yè)軟件尤其仿真技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)等領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗，并在這些領(lǐng)域擁有數(shù)十項獨立自主的知識產(chǎn)權(quán)。同時，優(yōu)飛迪科技也與國際和國內(nèi)的主要頭部工業(yè)軟件廠商建立了戰(zhàn)略合作關(guān)系，能夠為客戶提供完整的產(chǎn)品開發(fā)平臺解決方案。
優(yōu)飛迪科技技術(shù)團(tuán)隊實力雄厚，主要成員均來自于國內(nèi)外頂尖學(xué)府、并在相關(guān)領(lǐng)域有豐富的工作經(jīng)驗，能為客戶提供“全心U+端到端服務(wù)”。
展開 設(shè)計仿真 | 使用Cradle CFD仿真工具設(shè)計最佳實踐
耦合通常通過協(xié)同仿真平臺實現(xiàn)，例如MSC CoSim，該平臺允許用戶探索兩個物理場以上的多個物理場仿真。
特別是，Cradle CFD可以與通用聲學(xué)軟件Actran結(jié)合使用。Actran提供強(qiáng)大的氣動聲學(xué)和振動聲學(xué)分析功能，以及耦合氣動振動聲學(xué)的創(chuàng)新功能，允許模擬與HVACR相關(guān)的分析，如風(fēng)扇噪音。
氣動聲學(xué)分析可以通過使用從Cradle CFD獲得的氣動聲源，輸出到Actran進(jìn)行聲學(xué)仿真。例如，可以使用從穩(wěn)態(tài)RANS分析中獲得的流場來生成聲源，并用SNGR（隨機(jī)噪聲產(chǎn)生和傳播）方法進(jìn)行分析。
同時Cradle CFD的scFLOW提供氣動聲學(xué)分析，試用于自由場氣動噪聲。為了模擬聲波反射、阻尼和吸收等聲學(xué)效果，用戶需要與Actran進(jìn)行協(xié)同仿真。
scFLOW2Actran,是scFLOW的流體分析和Actran的聲學(xué)分析之間進(jìn)行氣動-聲學(xué)耦合分析用平臺，只需要在scFLOWGUI上進(jìn)行操作就可以實現(xiàn)流體仿真到聲學(xué)仿真，包括自動傳遞數(shù)據(jù)，自動調(diào)用聲學(xué)模塊進(jìn)行聲學(xué)分析等功能。協(xié)同仿真工具scFLOW2Actran認(rèn)為是為scFLOW用戶盡可能簡單、流暢地使用，實現(xiàn)氣動聲學(xué)仿真目的。
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