数字样机2.0——多学科多功能数字样机

MRLi 11月前 899


随着对于机械设备设计和分析的复杂性日益增加,仿真和可视化已经成为产品研制必不可少的工具。今天我们无法想象,如果没有可视化手段来帮助表达仿真结果,仿真模型的功能和性能将会变得难以理解。此外,虚拟现实技术的进步提供了更加身临其境的环境,可以帮助设计人员在设计初期验证设备原型(即数字样机)并与之交互,就好像它是真实的一样。

设备的仿真和可视化涉及两个方面:功能和性能。一方面,功能模拟了设备工作的时间和节奏,需要考虑设备的结构,状态和行为。功能的仿真与可视化可以在设计初期验证其合理性,消除干涉,降低成本。另一方面,性能反映了设备的质量,如设备的运动特性,应力状态甚至流动特性等。多种计算机辅助工程(CAE)软件,例如Adams,ANSYS和Fluent,用于分析相应的性能,例如运动学,动力学,流体力学等,并产生许多具有不同形式的多学科CAE分析数据,例如,简单的时变数据,标量场数据和矢量场数据。将这些多学科数据可视化,可以对设备的性能有一个整体把握。



图1 仿真和可视化

数字样机1.0的局限性

数字样机是一种传统的数字分析方法,其内涵也伴随着新技术的出现而赋予不同内容。制造业数字化过程中,经历了计算机辅助设计CAD,计算机辅助工程CAE等30多年的发展,CAD和CAE技术,赋予了数字样机从手工制图到数字制图的革命性变化,在促进制造业飞速发展的过程中,也成为制造企业不可或缺的数字化手段。

目前大多数的数字样机主要是指CAD数字样机,我们可以把这个阶段的数字样机称为“数字样机1.0”。虽然1.0阶段很多数字样机已经可以实现漫游、测量、剖切、标记、爆炸图、精确装配以及干涉检查等功能,但伴随着数字化的深入应用,我们在数字样机的实际工作中,经常遇到如下麻烦:

(1)数据量太大,CAD样机没有办法打开:相对复杂产品的CAD设计数据,从数据量来看,从几个G到几十上百个G,在进行数字样机分析时,数据样机本身就没有办法打开,更谈不上分析。

(2)数字样机信息量有限:当型号或产品总是在进行样机评审时,经常要查看不同的CAE数据在样机上的表现和结果,以及与功能和结构的关系时,通常的方法是,多个CAE分析软件,单独看结果,既没有办法和结构一并分析,也没有办法将不同的分析结果协同分析,这就是典型的信息量有限的情况。


数字样机2.0的内涵

由于数字样机1.0的局限性,以及当下工业仿真软件可视化、智能化的仿真趋势,在仿真中运用虚拟现实技术,不仅能更加形象直观地显示仿真全过程,而且会让计算机与人之间的沟通更人性化,增强仿真系统的寻优能力。

将设备的性能数据和设备的功能相结合,以CAE仿真、实验测量或实时监测提供科学准确的性能数据为基础,由VR技术将性能数据耦合进设备的工作过程进行直观的场景呈现,将极大的丰富数字样机的内涵。而耦合了功能和性能的数字样机,我们可以称之为“数字样机2.0”,这是一种包含了多学科数据、具有多种功能的数字样机。



图2 数字样机2.0


(1)多学科
多学科主要指数字样机2.0中包含多个学科的数据,分别是:
  • CAD数据,这是数字样机的模型基础
  • CAE数据,包括流体、结构、热、电磁等仿真数据
  • 实验数据
  • 交互逻辑
  • 实时监测数据
  • 三维场景
  • 材质灯光等

(2)多功能
多功能主要指数字样机2.0可以满足多种需求,分别是:
  • 等值线等值面
  • 流线、流管
  • 切片、切块
  • 矢量图
  • 体渲染
  • 脚本功能
  • 数据查询
  • 动画

图4 多领域多学科可视化分析结果图


(2)工业产品全生命周期虚拟现实仿真平台MakeReal3D

MakeReal3D专注于虚拟现实仿真技术在产品设计、制造、营销、使用、维护等生命周期各环节的应用与开发,从而帮助工业客户提高工作效率及产品体验。

在MakeReal3D中导入MultiViz处理后的工程数据,然后再加入真实的CAD模型和三维场景,便可以实现各种不同数据的融合。
图5 不同数据(CAD、CAE、材质、场景等)融合效果图

MakeReal3D软件在本方案中涉及的功能主要包括:

  • 多学科CAE后处理结果导入

  • CAD模型导入

  • 模型材质添加

  • 三维场景添加

  • 动静态CAE数据显示与交互

  • 探针查询CAE数据

  • 各种交互逻辑

  • 虚拟维修

  • 人机工程仿真

  • 发布独立可执行文件

(3)VR显示与交互系统

VR显示与交互系统一般指的是头盔、手柄、CAVE、CADWall、HoloSpace、PowerWall、Led立体拼墙等,通过MakeReal3D软件可以实现和VR显示与交互系统的连接,从而实现在VR环境下CAE数据的显示和交互。

图6 系统级硬件平台

图7 桌面级硬件平台



应用案例

(1)锻造过程
锻造设备是一种液压机电系统,它的工作过程主要是压力机和夹持工件的机械手的协同操作。设计人员需要考虑设备性能的各个方面,例如压力机关键部件的机械性能,机械手的运动性能以及工件的变形过程。对每种性能的独立分析会生成各种CAE数据。将这些数据组合到设备工作过程中,可以使设计人员对锻造设备在工作中的性能有全面的了解。

图8 锻造过程仿真


(2)汽轮机的工作过程

汽轮机工作过程涉及蒸汽的流动、叶片上作用力的产生和损失的形成,以及汽轮机适应外界负荷变化的响应。对每个过程的性能进行独立分析会生成各种CAE数据。将这些数据组合到设备工作过程中,可以使设计人员对汽轮机在工作中的性能有全面的了解。

图9 汽轮机工作过程中叶片上的应力分布

数字样机2.0是一种包含多学科数据、具有多种功能的数字样机,相比数字样机1.0有着更丰富的内涵,更能帮助客户整体把控设备质量以及满足客户其它多种需求。可以预见,数字样机2.0必将成为新的趋势。

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