亲历ANSYS 覆盖产品全生命周期的仿真

本文主要是介绍亲历ANSYS 覆盖产品全生命周期的仿真，对大家解决编程问题具有一定的参考价值，需要的程序猿们随着小编来一起学习吧！

ANSYS的专家介绍了仿真技术在产品整个生命周期的应用，以及ANSYS系列软件在电磁、机械、流体仿真方面的技术创新和应用案例，仿真技术在散热、增材制造、复合材料和物联网等领域的应用，重点交流了多物理场耦合仿真的实际应用，拓扑优化技术的典型案例，还现场演示了ANSYS今年发布的ANSYS Discovery产品。

ANSYS的华裔仿真专家朱永谊、周平等也与考察团成员进行了深入交流。ANSYS公司的参观让大家大开眼界，真正领略了仿真驱动创新的主流趋势。

图1 考察团在ANSYS公司合影

ANSYS公司创立于1970年，目前已经发展成为世界最大的仿真技术公司。40多年来，ANSYS一直致力于开发新的仿真技术，产品覆盖率了结构仿真、流体动力学仿真、电子设计与仿真、电路和系统设计与仿真、高安全性嵌入式代码设计、芯片设计与仿真等多个学科和物理域。

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无处不在 仿真扩展到产品全生命周期应用

仿真无处不在，ANSYS在整个生命周期的各个领域都提供了仿真工具和平台，仿真技术的应用已经延展到了产品的全生命周期，从概念、设计、制造、运维直至产品生命终止，涵盖所有工程阶段。

ANSYS设计&平台业务副总裁Mark Hindsbo指出，产品80%的成本在产品整个生命周期的早期概念设计阶段已经决定。因此，如果在概念设计阶段就开始应用仿真，可以协助设计工程师或产品工程师进行早期设计决策，对整个产品的成本优化更有好处，带来更大的价值。

图2 从产品生命周期的早期概念设计阶段开始仿真能够获得更多的成本节省机会

ANSYS仿真分析应用覆盖产品全生命周期的几个阶段：

●在设计阶段工程仿真可以让设计得到优化、确认及验证；

●在制造阶段，通过拓扑优化技术找到最优的结构，结合增材制造技术，可以造出质量轻，性能满足要求的晶格结构。

●在产品投放到市场使用运营阶段，很多企业对于产品在不同地点的运行状况和性能都一无所知，无法对产品性能进行不断地改进。如今，结合物联网技术，可以将仿真技术覆盖到产品生命周期的运营阶段，让企业能够基于实际的操作、环境条件、产品运行数据进行仿真，从而监控、维护和持续不断地优化产品性能。产品运行状况的仿真还包括利用仿真做虚拟试车，无人驾驶等。

图3 ANSYS覆盖产品生命周期的仿真技术

ANSYS软件在电磁仿真方面的应用01

电磁仿真专家H.Mark.Ravenstahl结合无人驾驶汽车、智能手机、智慧家具等产品在电磁干扰方面的应用场景，介绍了ANSYS电磁分析软件在电子行业应用优势。

电子行业目前在设计阶段所遇到的挑战主要来自无线射频、信号稳定性、能源消耗稳定性，电磁干扰等方面的问题。ANSYS在电磁仿真应用范围非常广泛和深入，在很多新的领域也有涉足，同时还通过温度场和结构场的多物理耦合来确保电子设计的准确性和稳定性。

其中一个典型应用场景是将仿真应用于无人驾驶汽车领域。如今的汽车都已经具备一定的雷达功能，例如探测到道路上存在障碍时发出警报的倒车传感器就使用了雷达；某些具备自适应巡航控制功能的高级车在雷达系统探测到靠近前面车辆的速度太快或者靠近时就会使用刹车。

图4 将仿真应用于无人驾驶汽车领域

此外，日渐火爆的无人驾驶汽车也会更加严重依赖雷达。它们必须自动保持与其它无人驾驶汽车的安全行驶距离，安全地变道，上下高速以及做出目前由驾驶员处理的众多其它驾驶决策。

图5 汽车雷达电磁仿真应用案例

ANSYS HFSS电磁求解器可用于仿真汽车应用中所需要的、超高频率的雷达系统天线。从开发单独天线与有源天线阵列、到仿真汽车前保险杠上安装的雷达系统的运行，通过仿真分析可以有效避免雷达之间的电磁干扰，开发出最理想的雷达天线。

图6 针对新能源汽车的全面系统仿真

电动汽车EV-HEV在仿真方面的应用主要是对汽车的电机和电池的控制系统

，电力系统进行仿真，把电能高效转化成机械动力驱动电机。

H.Mark.Ravenstahl介绍的另一个典型应用场景就是将仿真应用于智能手机的天线设计。如今人们对电子设备提出了越来越高的要求，例如，设备辐射必须保持在较低水平，避免对人体构成健康威胁；设备功耗、尺寸、长宽比和重量同时也要实现优化以适合人们穿戴。此外，设备还需要能够发送足够功率的信号，并避免不同信号所产生的电磁干扰问题。H.Mark.Ravenstahl介绍，Synapse公司运用ANSYS HFSS三维全波电磁仿真器来建立包括无线设备、天线之间相互影响在内的完整系统模型，用于评估各种天线设计方案的性能。

ANSYS软件在结构仿真方面的应用02

在ANSYS的结构仿真解决方案方面，涉及了ANSYS Mechanical系列产品、ANSYS DesignSpace、ANSYS LS-DYNA等产品，涵盖静态结构仿真、线性动力学仿真、非线性动力仿真、屈曲仿真、疲劳分析、断裂仿真、震动、瞬态、复合材料等功能范围。

图7 热交换机结构分析案例

结构仿真专家Richard Mitchell介绍了ANSYS在结构仿真中在增材制造领域方面的最新解决方案，借助于ANSYS增材制造工艺仿真套件，通过对增材工艺过程的仿真，预测部件最终的残余应力和变形，从而优化工艺参数，保证打印质量和效率而避免低效的试错过程，让最终增材制造过程中即使受到内应力影响，依然能够保证产品的最终完整结构符合设计要求。

ANSYS增材制造工艺仿真覆盖了整个增材工艺链的各个环节，包括拓扑优化、部件验证、打印设置、工艺过程仿真、支撑生成、打印失败预防、微观结构预测等。

图8 初始设计 变形补偿设计

ANSYS软件在流体仿真方面的应用03

在流体仿真解决方案介绍中，ANSYS专家Bill kulp结合一些有趣的案例介绍了ANSYS的流体仿真分析解决方案。Bill指出，流体仿真有非常广泛的应用，可以为生活的方方面面带来的价值，并且绝大多数的仿真问题普通的工程师也可以应用这种仿真软件来处理。

图9 流体仿真应用的案例

ANSYS的流体仿真工具主要有ANSYS Fluent、ANSYS CFX和ANSYS CFD，可针对稳态/瞬态流、可压缩/非可压缩流、层流/湍流、强制/自然对流传热、辐射传热、化学组分的混合/反应/燃烧、粒子跟踪、旋转机械等流体现象展开分析。

在Bill先生介绍的案例中，其中有一个令人印象深刻的案例是将流体仿真应用于研发创新性的淋浴喷头。这家公司是位于美国旧金山的Nebia公司，其设计团队使用ANSYS的CFD解决方案，分析了成百上千种喷头设计变量的热效应，例如喷嘴的喷水角度、水滴大小、水流的压力和速度、喷嘴几何结构，以及喷头的内部水流等，最终Nebia公司的创新喷头不仅可将一般淋浴的用水量减少70%，而且还能实现更优异的个人体验。

图10 使用ANSYS软件仿真更大的水滴喷洒面积

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大道至简 Discovery Live让仿真变得更容易

很多传统观念认为仿真仅仅是应用在验证阶段，其实仿真应用最广泛是在设计阶段，但在这个阶段的仿真应用还存在很多问题，其中一个突出问题就是仿真效率。Mark Hindsbo分享了一家公司应用仿真技术的调研结果，普遍反映是仿真效率太慢，一个完整的周期需要14天才能完成。

Mark Hindsbo还提到，一直以来仿真分析应用给人们的感觉都是需要非常深入的行业背景知识才能够使用，很少有设计工程师能够直接应用仿真分析软件来处理问题。然而往往这部分人群对仿真的需求又是最迫切的，只有依靠仿真应用，才能为他们提供设计依据，设计出符合要求的产品结构。

图11 ANSYS Discovery Live

为此，Mark Hindsbo为考察团现场演示了ANSYS Discovery产品家族中具有突破性的实时仿真软件Discovery Live。ANSYS Discovery Live提供即时3-D仿真，与直接几何结构建模紧密关联，提供交互式的仿真体验，可以概括为交互式结构，在编辑几何结构时更新仿真，以便获得即时反馈；交互式物理，改变材料和载荷等物理输入，可以即时获得反馈；交互结构，立即改变结果特征以找到最佳的设计方案。Discovery Live是基于本地的计算能力，采用全新的算法，计算效率非常高，易用性也很好。Discovery产品家族中另外两款人们熟知的产品分别是Discovery AIM，它可以简易地帮助用户进行多物理场的仿真，Discovery SpaceClaim则能够便捷的对3D模型进行快速的修改。

从演示中我们发现，借助于Discovery Live可以帮助工程师发现更多好的方案，让设计工程师能够通过仿真解决绝大多数的问题。在演示过程中，具体在结构分析方面Discovery Live可以在几秒内验证多种设计想法，并即时获得有关设计结构性能的反馈结果；在内部流体分析方面，Discovery Live快速找出有意义的内部流体趋势，在外部空气动力学方面，如复杂的汽车风洞实验能够直观的呈现出来，可以观察速度、外力、压力等；在轻量化问题上，Discovery Live能够快速修改几何图形并提供即时的仿真体验，以便设计出结构优化的部件。

图12 e-works黄培博士现场讲解ANSYS Discovery Live演示过程

总得来讲， Discovery Live易学易用，即使没有任何仿真经验的工程师/设计师，也可以通过查看相关教程，快速掌握仿真技术。Discovery Live的特点可以概括为：即时获得工程仿真结果；无需进行几何结构清理、计算网格生成、求解和后处理；执行结构、内部/外部流体、热力和模态分析；编辑来自各种格式的CAD几何结构，或为新想法建模并进行测试；更改物理场类型或输入、编辑几何结构或更改显示特性后，即时获得更新等，这些特点都使得仿真变得更为容易。

图13 ANSYS专家与考察团成员进行交流

ANSYS作为全球工程仿真领域的领先企业，在众多产品的创造过程中都扮演着至关重要的角色。此次考察，考察团成员不仅了解到了仿真的众多应用，同时，提出了很多自身企业在仿真应用方面的实际需求，ANSYS专家也给予了耐心地解答。考察团成员纷纷表示受益匪浅，为以后的相关工作受提供了新思路。

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