科技赋能美食：CAE仿真粽子的成熟之旅

纵横CAE

2月前浏览1766

粽子，是中华民族最具特色的传统美食之一，体现了中国传统文化的深厚底蕴。端午食粽之风俗，千百年来在中华大地盛行不衰，是中华民族影响最大、覆盖面最广的民间饮食习俗之一。

粽子蒸煮的温度、时间和火候掌握是制作美味粽子的关键。利用CAE仿真模拟粽子蒸煮过程，从而更好地掌握粽子蒸煮工艺。用现代科技赋能传统美食，CAE仿真带你体验不一样的端午节。

1 构建几何模型

利用三维建模软件创建粽子的详细几何模型，包括糯米、馅料和粽叶等原料组成部分，确保模型的尺寸和形状准确反映实际粽子的特征，如图1所示。此外，为模拟粽子的蒸煮过程，同时也创建了蒸锅的几何模型，如图2所示。

Fig. 1 一笼粽子三维模型

2 几何模型简化

首先，将几何模型另存为中间格式文件，如x_t、stp等。然后，在UG界面打开导出的几何模型，利用菜单—>插入中的各种特征编辑方法简化几何模型。具体参考前期文章：强烈推荐｜CAE前处理：基于UG的几何模型简化方法。

Fig. 2 粽子蒸锅三维模型

3 创建分析项目

展开菜单栏中的应用模块，点击前/后处理，右击模型文件.prt，选择新建FEM，求解器选择NX Nastran，分析类型选择“热”，新建有限元模型文件.fem。然后，右击有限元模型文件.fem，选择新建仿真，选择NX Nastran，新建仿真文件.sim。

Fig. 3 创建粽子蒸煮分析项目

4 进行网格划分

考虑到粽子和粽叶形状不规则，采用3D四面体自动网格划分方法，网格单元类型选用CTETRA（10），网格单元大小控制在10mm以内。对于粽叶和糯米的接触界面，应使用细密的网格以捕捉接触行为。然后框选所有实体模型，创建自动网格配对连接。

Fig. 4 粽子蒸煮有限元模型

Fig. 5 蒸锅有限元模型

5 定义材料属性

右击3D收集器，新建收集器，将糯米、粽叶、蒸笼、蒸锅、蒸盖等每个部分移动至单独收集器中。依次右击收集器，选择编辑，然后点击实体属性后的编辑，为每个部分指定适当的材料属性，包含密度、弹性模量、泊松比、导热系数、比热容等。

Fig. 6 定义材料属性

6 设置边界条件

在主页的“载荷和条件”工具栏中，展开“载荷类型”，添加“热通量”，模拟蒸锅加热载荷。同理，展开“约束类型”，添加2个“对流”，分别模拟蒸笼外空气自然对流换热系数和蒸笼内水蒸气对流换热系数。根据实际条件，定义初始条件，如糯米和馅料的初始温度和状态。

Fig. 7 设置边界条件

7 求解分析结果

点击“求解”后会出现多个对话框，点击“确定”计算粽子在蒸煮过程中的温度分布等。等求解完成后，导航器左下角会出现“结果”对话框，双击查看分析结果，进入结果界面查看云图和动画。根据仿真分析结果，优化粽子蒸煮时间和火候，确保粽子均匀受热。

Fig. 8 粽子温度场分布

通过CAE仿真模拟粽子在蒸煮过程中的各种变化，我们可以制作出口感和外观俱佳的粽子。CAE仿真为我们提供了一个全新的视角，让粽子这一传统美食在传承中不断创新和发展。

恭祝大家端午安康！

来源：纵横CAE

自由曲面反射镜支撑结构设计、仿真分析、光学加工及检测技术（文末有福利）

光学系统是太空飞行器的重要组成部分，起到收集各种信息的作用。反射镜是反射式光学系统的关键部件。为了提高空间望远镜的分辨率，增大反射镜的口径是非常有效的途径，然而随着反射镜口径的增加，会引起一系列的技术难题，主要包括自重增加引起的变形的增大、太空大温差环境引起的反射镜变形的增加及自重的增加引起的发射成本的增大等。因此必须进行对反射镜镜片轻量化结构设计和支撑结构设计，从而保证空间环境条件下光学系统性能稳定。自由曲面光学的设计与制造是先进光学工程领域的前沿代表性技术之一。自由曲面一般指轴向不平衡或没有旋转不变轴的复杂曲面。自由曲面光学元件不仅可以实现光学系统中仅靠传统的球面和对称非球面难以实现的功能，且所需元件数量少，从而使整个光学系统更小、更轻和更高效，满足了现代光学系统向高性能、轻量化和小型化发展的需求。过去十多年，越来越多的现代光学系统采用自由曲面元件为核心部件，例如在航空航天、汽车、半导体、生物医疗、国防工业等领域，自由曲面光学元件有着广泛的应用前景。现代精密光学系统已步入了新的“自由曲面”时代。超精密自由曲面加工技术：随着光学系统向更轻、更集成、更智能的方向发展，自由曲面光学器件面形变得越来越复杂。为了满足当前市场新产品开发的要求，对革新当前自由曲面光学元件的生产工艺链的需求日趋强烈。各类超精密加工和表面平滑技术是当前开发自由曲面光学器件最可靠的生产技术。如何确保加工精度的同时最大化加工效率，提升生产制造的自动化和智能水平，是目前国际上超精密加工装备和工艺技术研发人员所目前面临的共同挑战。光学自由曲面表面检测：自由曲面由于面形复杂，采用何种表面测量方法，需要综合考虑待测自由曲面光学元件的表面曲率、纵深、表面结构特征、尺寸，以及对测量速度、测量精度的要求。测量结果的分析评定除了分析算法本身，亦要考虑测量环境的变化、仪器设备的误差、测量人员的操作等因素，进而避免不确定性因素对测量结果分析评定的影响。如何实现自由曲面的快速测量与评定，提升测量仪器和技术的高精度、高效率和高通用性将是自由曲面检测领域未来发展的大趋势。这也将极大地提升整个自由曲面加工技术的精度，缩短产品研发的周期，推动自由曲面光学器件的大规模应用。借此，为帮助我国国防军工系统单位跟踪和了解反射镜支撑结构设计、自由曲面光学加工及检测的最新前言技术动态，我们将于近期举办“反射镜支撑结构设计与分析技术研讨会”、“自由曲面光学加工及检测技术研讨会”，具体通知如下：一、讲师简介：关老师教授，博士生导师主持和参与完成863重大专项1项、航天型号项目4项、中科院重大预研项目2项。获得省科技进步二等奖1项，市科技进步一等奖1项，省自然科学学术成果奖三等奖1项，获省第二批科研“春苗人才”及学术骨干等荣誉称号。发表学术论文70余篇，其中EI检索30余篇，申报发明专利11项，授权7项。研究方向一：航天光学遥感器光机结构优化设计研究。一直从事航天光学遥感器的研制工作，在航天光学遥感器光机结构优化设计方面取得了一系列研究成果。参与研制我国遥感8号、天宫1号（ TG-1）、快舟1号（ KZ-1）、高分8号（ GF-8）等4个航天型号项目的研制。解决了TG-1大口径主镜、 GF-8大口径离轴非球面主镜的结构设计及支撑优化等一系列关键技术难题。研究方向二：大型数控机床数字化设计与制造技术研究。针对大型数控机床研制的关键技术问题开展研究工作，长期与省数控装备制造企业开展联合技术攻关，研制出若干台大型数控装备，产品性能得到了用户的认可与好评。李老师副研究员，天津大学精密仪器与光电子工程学院长期从事光学自由曲面超精密制造基础理论与关键技术研究，在光学自由曲面超精密加工与测量领域形成独具特色的研究成果，发表SCI论文20余篇，获批专利10余项，国际会议报告7项，担任光学级制造领域多个国际顶尖期刊审稿人。获批博士后创新人才支持计划，担任第一届原子级制造论坛青年工作委员会委员，承担/参与完成国家及省部级项目数项，获天津市科技进步特等奖，第二届全国博士后创新创业大赛揭榜领题赛金奖，天津市海河英才创业大赛博士后创新组一等奖。刘老师天津市ACSM制造与检测技术重点实验室副主任，天津大学精仪学院主要从事光学自由曲面测量与评价、高性能制造、超精密制造等关键技术及应用开发研究。已发表SCI/EI期刊论文10余篇，最高影响因子达13。主持国家自然基金青年项目 1 项，中国博士后基金面上项目 1 项，天津市技术创新引导专项（基金）1 项，军工项目 1 项，企事业委托项目5 项，参与国家重点研发项目、国家自然科学基金项目 2 项，获得天津市科技进步特等奖，产学研创新成果二等奖和第二届全国博士后创新创业大赛金奖等，多次参加国际会议并作报告，是多个制造与测量领域顶尖期刊审稿人。相关成果应用于离轴多反系统、微透镜阵列、自由曲面反射镜、棱镜等关键器件的制造与测量。二、主办单位：北京佳远会议服务有限公司三、会议对象：1. 从事光学系统、光机结构、反射镜设计的各类有关的工程技术人员；2. 从事光学加工及检测等领域的相关技术人员及学者。四、会议时间：2024年5月29-31日（29日全天报到）五、会议地点：北京六、有关费用：会议费及培训费4800元/人，含培训费及会议费、教材费、电子版资料、两日午餐。请参会单位确定人员后及时将参会信息用微信发送到我处，我们将在会议前7日内发送《会议报到通知》。届时由(北京佳远会议服务有限公司)开具票据。七、报名方式：请参会单位确定人员后及时将参会信息拍照用微信发送到我处，我们将在会议前2日内告知《会议报到通知》。八、日程安排：1. 反射镜支撑结构设计与分析技术研讨会主题2. 自由曲面光学加工及检测技术研讨会主题九、发票开具及参会回执表：来源：纵横CAE