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案例教學(xué) | 流體仿真中SCDM軟件的基本工作流程

2019-02-26 16:11:22·  來源：仿真秀  作者：張楊，仿真秀專欄作者，高級(jí)流體工程師  
　
作者 |張楊 流體高級(jí)工程師 仿真秀專欄作者首發(fā) |安世亞太公眾號(hào)ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（簡(jiǎn)稱 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和幾何處理軟件
作者 | 張楊 流體高級(jí)工程師 仿真秀專欄作者
首發(fā) |安世亞太公眾號(hào) 
 
ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（簡(jiǎn)稱 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和幾何處理軟件。SCDM可以顯著地縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期，大幅提升CAE分析的模型處理質(zhì)量和效率，為用戶帶來全新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)體驗(yàn)。
 
SCDM提供給CAE分析工程師一種全新的CAD幾何模型的交互方式，可以對(duì)現(xiàn)有的模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)的參數(shù)化調(diào)整，使得對(duì)基于特征建模的CAD系統(tǒng)不熟悉的產(chǎn)品研發(fā)工程師可以快速建立或者修改3D幾何模型，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期即可對(duì)產(chǎn)品性能進(jìn)行仿真。
 
SCDM基于直接建模思想的集成工作環(huán)境使工程與設(shè)計(jì)人員能夠以最直觀的方式進(jìn)行工作，可以輕松地對(duì)模型進(jìn)行操作以解決實(shí)際工程問題。使用者不必承受模型再生失敗而帶來的成本困擾，無需考慮錯(cuò)綜復(fù)雜如迷宮般的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
 
SCDM作為ANSYS軟件體系中幾何建模工具的重要組成部分，適合于多種數(shù)據(jù)來源的CAD模型的快速修改、非參數(shù)化中性CAD模型的參數(shù)化，進(jìn)而最大程度地支持設(shè)計(jì)優(yōu)化，同時(shí)其本身提供了操作簡(jiǎn)潔直觀的幾何建模功能，適合于CAE仿真模型的快速建立。
SCDM集成于ANSYS Workbench平臺(tái)，可以直接在ANSYS Workbench平臺(tái)的工程窗口中直接啟動(dòng)。
 
在CFD仿真中，流體工程師通常要按照“幾何-網(wǎng)格-求解-后處理”的順序開展工作，如下圖所示。幾何部分的工作可以被認(rèn)為是仿真的第一步，也是連接CAD與CAE的橋梁。
 
從ANSYS 16.0版本開始，我們就強(qiáng)烈推薦各位工程師使用SCDM軟件來完成“幾何”環(huán)節(jié)的工作，因?yàn)镾CDM在仿真前處理的各個(gè)方面都具備強(qiáng)大的功能，幫助我們高效準(zhǔn)確的完成CAD-CAE的工作流程。
SCDM的基本工作流程如下圖所示： 
 
通常，我們可以將基于SCDM軟件的CFD前處理工作，簡(jiǎn)單的分為5個(gè)部分：
★ 讀入模型
★ 處理模型
★ 流體區(qū)域
★ 仿真完善
★ 輸出幾何
 
（一）讀入模型
SCDM具備幾乎所有主流CAD格式的讀入接口，這就給我們的“仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)（Simulation Driven Design）”目標(biāo)提供了最基礎(chǔ)的技術(shù)支持，SCDM可以直接讀取ProE、UG、CATIA、Solidworks等軟件的零件（.prt）和裝配體（.asm）文件。（當(dāng)然，對(duì)應(yīng)的版本有一定限制，比如說低版本的SCDM不能讀取高版本的UG文件。）
 
同時(shí)，SCDM還能高效的讀入（與寫出）中立格式的CAD幾何，常見的格式有.stp、.igs、.x_t、.stl等。 
 
當(dāng)然，SCDM還具備直接建模的能力，按照草圖?實(shí)體?變換?布爾運(yùn)算的思路進(jìn)行快速建模，無特征、無約束，非常適合概念設(shè)計(jì)與簡(jiǎn)單模型生成（可用于測(cè)試求解器參數(shù)）。 
 
（二）處理模型
當(dāng)仿真的模型是從SCDM直接建立的時(shí)候，通常不需要做模型的處理，這一個(gè)步驟也就被忽略掉了。
 
但絕大多數(shù)的情況下，企業(yè)中的仿真工程師與設(shè)計(jì)工程師都是分開的，設(shè)計(jì)工程師也通常也不會(huì)使用SCDM做完整的設(shè)計(jì)工作，大多數(shù)仍舊使用傳統(tǒng)的CAD建模軟件，這就對(duì)設(shè)計(jì)與仿真的連接提出了更為嚴(yán)格的要求，也是流體仿真工程師工作中的一個(gè)難點(diǎn)。
 
流體仿真處理模型的對(duì)象通常是固體（設(shè)計(jì)）區(qū)域，因?yàn)榱黧w區(qū)域是通過布爾運(yùn)算得到的（而不是設(shè)計(jì)出來的）。
 
通常意義上的流體仿真處理模型分兩步：修復(fù)模型和簡(jiǎn)化模型。
 
1. 修復(fù)模型
修復(fù)模型的主要目的是獲得（多個(gè)）實(shí)體。各種格式的幾何文件導(dǎo)入到SCDM里面后，都會(huì)或多或少的出現(xiàn)幾何數(shù)據(jù)傳遞的錯(cuò)誤，常見的幾何錯(cuò)誤有：
★ 面缺失
★ 面縫隙
★ 面（線）錯(cuò)誤
★ …… 
 
SCDM具備有專門的工具來處理這些問題：
第一類：自動(dòng)化工具，主要包括“拼接、間距、缺失的表面”
● 拼接（Stich）：將多個(gè)面拼接成為一個(gè)（在結(jié)構(gòu)樹中）面
 
幾何數(shù)據(jù)在傳遞的過程中不可避免的會(huì)出現(xiàn)容差不一致的情況，這一類情況通常會(huì)導(dǎo)致實(shí)體幾何被拆散成多個(gè)面；當(dāng)然，這些面的位置關(guān)系通常還是可以保證的，因此，對(duì)于此類問題，拼接是一個(gè)有效的操作，能夠快速將單個(gè)實(shí)體復(fù)原。
● 缺失的表面（Missing Faces）
 
如果數(shù)據(jù)傳遞的過程中出現(xiàn)了面缺失的情況，即使將多個(gè)面拼接成了一個(gè)面，也不會(huì)得到實(shí)體幾何，原因就是幾何不封閉、不水密，只能是一個(gè)大的面，而無法成為實(shí)體。
 
這個(gè)時(shí)候缺失的表面功能就派上用場(chǎng)了，他可以自動(dòng)修復(fù)面缺失的情況，從而封閉幾何，得到實(shí)體。
● 間距（Gap） 
間距的功能與缺失的表面類似，從一個(gè)簡(jiǎn)單的角度來理解，就是大的面用缺失的表面修復(fù)，小的面用間距修復(fù)。因此缺失的表面功能通常需要輸入最小值，而間距功能需要輸入最大值。
 
對(duì)于自動(dòng)修復(fù)幾何的方法，通常按照以下規(guī)則：
1.首先使用拼接功能修復(fù)（高版本的軟件記得勾選”檢查重合”）
2.隨后檢查間距和缺失的表面，優(yōu)先修復(fù)數(shù)量少的問題
3.對(duì)于失敗的問題，進(jìn)行手動(dòng)修復(fù)
4.對(duì)于主要特征面缺失的情況，建議另外導(dǎo)入包含該面的其他文件
第二類：手動(dòng)工具，主要包括“融合、拉動(dòng)、填充等（針對(duì)非實(shí)體結(jié)構(gòu)的操作）”
當(dāng)幾何的數(shù)據(jù)比較復(fù)雜（如大量的高階曲面等）時(shí)，往往會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)修復(fù)失敗或?qū)π迯?fù)的面形狀不盡滿意的情況，這個(gè)時(shí)候就需要進(jìn)行手動(dòng)修復(fù)。手動(dòng)修復(fù)通常較為復(fù)雜，需要工程師具備較高的軟件熟知程度以及清晰的修復(fù)思路，本文限于篇幅暫不做介紹。
 
2. 簡(jiǎn)化模型
修復(fù)模型結(jié)束之后，我們通常會(huì)得到（多個(gè)）實(shí)體，接下來就是簡(jiǎn)化模型的工作。 
流體仿真的簡(jiǎn)化原則通常按照以下的一般性要求來完成：
①簡(jiǎn)化掉特別細(xì)小的特征
②簡(jiǎn)化與主要流場(chǎng)區(qū)域不相關(guān)的小特征
③簡(jiǎn)化尖角區(qū)域
④適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化狹縫區(qū)域
⑤處理流場(chǎng)內(nèi)部的薄壁擋板
⑥其他需要簡(jiǎn)化（或幾何修改）的情況
通常意義上，簡(jiǎn)化幾何的最終目的是：
★ 減小網(wǎng)格總數(shù)量
★ 避免出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量太差的區(qū)域
簡(jiǎn)化模型時(shí)常用的SCDM功能：
 
● 填充 
 
填充是去除獨(dú)立額外特征的利器，但需要對(duì)實(shí)體上的面進(jìn)行操作；填充的本質(zhì)是刪除掉選中的面，隨后對(duì)未選中的面進(jìn)行延伸來封閉實(shí)體。
● 拉動(dòng) 
 
當(dāng)有一些特征不太容易使用填充去除的時(shí)候，拉動(dòng)可能會(huì)更容易的產(chǎn)生希望的效果；當(dāng)然，如果我們的目的不是去除特征，而是對(duì)幾何進(jìn)行一些修改的時(shí)候（如增加縫隙的距離），拉動(dòng)還是一個(gè)必要的操作。
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