设计仿真

设计仿真帮助制造商验证和确认正在开发的产品的预期功能,以及产品的工艺性。 “仿真”一词通常用作计算机辅助工程 (CAE) 的通称。 多年来,一些设计仿真方法已成为许多行业产品开发的标准组成部分,并且其重要性与日俱增,因为廉价的、更快速的计算机以及经济实惠的、易于使用的设计仿真软件让用户能够应对新的技术和应用。

仿真模型是一组数学方程, 代表系统在相关物理领域中的行为。 数学的复杂性取决于数据可用性,并随应用的功能和设计阶段而异。

在早期开发阶段,更简单的系统表示法通常使用分析假设,并在概念级别验证几个物理领域之间的相互作用。 在后期开发阶段,通常使用非常复杂的应用特定模型来进行验证和优化。 应用可能涵盖诸多方面,例如结构行为、声学、系统动力学、耐撞性、热和流体分析、应力分析、燃油经济性、控制开发等等。 有几种技术可支持这些不同的设计阶段和应用,例如:

  • 1D CAE 或系统仿真
  • 有限元 (FE) 建模
  • 边界元建模
  • 多体仿真
  • 计算流体力学 (CFD)

操作条件可以采用边界条件、载荷工况或约束的形式添加。 这些可以源于理论假设、测得的数据或早期仿真结果。

面向虚拟测试和验证的设计仿真

设计仿真可以包括范围广泛的分析,以便在各种操作和环境条件下虚拟测试产品性能。 相对于试错流程,智能仿真流程允许在开发周期的不同阶段有针对性地实施设计选择。 这大大减少了对成本高昂的物理样机进行长期测试的需要,因而缩短了总开发时间。 有效的设计仿真流程可帮助各公司减少开发成本,以比竞争对手更快的速度将创新产品推向市场。

面向工艺的设计仿真

制造流程仿真或对制造产品所用制造方法的预测,通常被称为“过程仿真”或“虚拟制造”。 它包括对成型、冲压、机加工和其他流程的仿真,来确定设计的工艺,以及设计更改对制造方法的影响。 与上述传统应力分析方法相比,它更接近于制造工艺,尽管其他相关技术(如FE建模)也能达到同样结果。。 如果在产品设计阶段能够进行对制造流程的仿真,则可以优化制造流程,以及优化产品的性能、成本和质量。

仿真模型与物理样机

较之物理样机,仿真模型可在产品开发过程中提供更多的灵活性。 创建备选设计方案往往只需要单击几次按钮,对其进行测试并不要求进行复杂的设置。 此外,设计仿真可提供更多分析结果, 由于现实原因,这些结果可能无法通过物理测试获得。 仿真模型还可以让您虚拟测试产品中的位置,这些位置无法通过测量设备进行物理访问;可以输出传感器无法达到的物理量级,并提供工厂车间的虚拟视图来了解制造流程。

因为没有损坏测试对象(产品)的风险,对特别的操作条件进行仿真只是应用不同的边界条件。 如果需要测试类似于卫星的产品,在没有初步物理原型的情况下,这尤其有用,因为最终产品必须进行测试,并且不希望对其执行极限测试。 设计仿真还具有比物理测试更广泛的操作范围;它可以对在现实世界环境中很难甚至不可能产生的条件进行虚拟建模和测试,因为没有浪费材料的风险,对新的制造流程进行仿真只是使用产品定义应用一种特定的制造方法。

鉴于物理测试始终是产品开发过程中的必要步骤,使用仿真模型让制造商更接近他们仅建立一个原型(即,最终产品)的终极梦想。

仿真设计的优点

仿真设计的优点包括通过避免周期性物理样机测试来降低产品开发成本和缩短时间,以及提高质量。

  • 您可以做出设计决策,要考虑到其对功能性能以及制造的影响
  • 在概念开发期间可以平衡不同的功能需求
  • 对备选设计方案可以有效地进行评估,而无需对昂贵的物理样机进行试错测试,有助于推动创新设计
  • 仿真可以帮助优化设计,消除不必要的材料,因而减少了重量,从而降低成本并提高设计效率
  • 设计仿真可以在开发过程的早期提供性能和工艺洞察力,此时进行设计更改成本较低
  • 结构详细性能模型可用于验证和改进产品
  • 仿真模型可以提供在物理样机上很难甚至不可能测量的结果
  • 仿真模型可以在极端操作条件下进行虚拟测试

设计仿真软件

下面举例说明了设计仿真软件应用程序:

NX CAE 是一款现代仿真环境,可帮助工程团队缩短建模时间,减少设计-分析迭代次数,并提高 FEA使用效率。 NX CAE 提供了多种解决方案,可执行如下任务:预处理和后处理,结构、热、流体、运动和多物理场分析,优化,仿真数据管理以及仿真驱动型设计。

NX Nastran 是一个有限元解算程序,用于应力、振动、结构损坏/耐久性、热传递、噪音/声学以及颤动/气动弹性学分析。

LMS Virtual.Lab 是一套集成的有限元、边界元和多体建模软件,可对机电一体化系统的实际性能进行仿真。 它可以帮助您快速构建复杂的模型,精确地分析结构完整性、噪音、声音、振动、测试结果的相关性、系统动力学和疲劳耐久性性能,从而能够在建立原型的早期进行优化设计。

LMS Samtech包含Samcef有限元分析求解器,用于对机械系统进行结构性能仿真。 LMS Samech针对特定应用领域做了专业开发,如风力发电机整机动力学仿真、转子动力学、非线性结构与热分析和复合材料结构分析等,以满足不同领域的精确仿真需求。 Samcef求解器可以实现非线性有限元与多体动力学的耦合分析。 LMS Samtech还有一个开放的CAE工程集成平台,用于实现航空航天产品结构分析的流程管理。LMS Samtech

LMS Imagine.Lab 可帮助您在整个设计周期中推动虚拟化智能系统设计。 它提供了所有必要的工具来创建、管理和使用模型及数据,满足了各种基于模型的系统工程需求。 它可有效地应对与机电一体化系统仿真有关的具体挑战。

Femap 是一款独立于 CAD、解算器中性且基于 Windows 的前处理器和后处理器 ,用于高级工程 FEA。 它为工程师和分析人员提供了一个 FEA 建模解决方案,以便以合理的成本轻松、准确地完成最复杂的任务。

Solid Edge Solid Edge 仿真是一个嵌入式FEA工具,供设计工程师在Solid Edge环境中以数字化方式验证零件和装配设计。Solid Edge仿真基于经过证明的Femap有限元建模技术,大幅减少了对物理原型的需要,从而减少了物料和测试成本,同时节约了设计时间。

Fibersim 是一套软件,支持所有独特而复杂的设计和制造方法,您可以借助这些方法设计创新、轻便耐用的产品以及采用先进复合材料的零件。 它集成了 DFM 和制造工程以提供 CAD 嵌入式制造流程仿真,并通过生产能力仿真功能确保设计是可制造的。 分析界面还允许与其他 CAE 软件进行双向链接,供导入和导出详细的设计数据以支持产品分析。

Seat Design Environment (SDE) 是与商用 3D CAD 系统完全集成的软件,用于设计和制造创新的交通工具座椅系统和内饰件。 它捕获完整的数字产品定义,从而消除了大量物理原型,并提供 CAD 嵌入式制造流程仿真。 凭借生产能力仿真功能,有利于对制造问题进行早期诊断,该软件可确保高效制造产品的同时又满足样式要求。

设计仿真软件开发者将以下软件用作其应用程序的基础:

Parasolid 是三维几何建模组件软件,使Parasolid产品用户能够对复杂零件和装配进行建模,并且是数百种不同CAD、CAM和CAE应用软件的几何引擎。

D-Cubed Components 是六个软件库,软件开发人员可以通过许可将其集成到自己的产品中。这些软件库的功能包括:参数草图绘制、零件与装配设计、运动仿真、冲突检测、间隙测量以及隐藏线可视化。

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