ANSYS Workbench和仿真的未来

本文刊载于知名工程师资源网站ENGINEERING.COM

Shawn Wasserman

　　仿真已经成为当今产品开发领域的设计关键。 工程师们可以通过使用多物理（仿真）来更好的预测所设计的产品在各种可能的环境下的反应，从而设计出更快、更低成本和更高性能的产品。

　　使这一切成为可能的是ANSYS Workbench平台。Workbench将ANSYS公司的建模、网格划分、流体、多物理、结构、动力学、电磁学以及涡轮系统软件模块融合在同一个平台上。

　　在ANSYS用户大会（ANSYS Convergence Conference）上，ANSYS介绍了Workbench的强大功能以及未来会推出的新功能。

Workbench的工作方式

ANSYS Workbench截图，由ANSYS提供

　　“我们的全面解决方案很多都是通过ANSYS workbench实现的。” (ANSYS)高级区域技术经理Mike Hebbes谈到，“平台主干技术可以实现对我们所有工具的访问。这项技术无缝地将我们所有的工具部署到同一个环境中。通过开放式架构，这项技术改善了不同工具间的交互。Workbench已经越来越多地向python脚本、CAD整合、PLM连接以及让更多的产品设计工程师具有高端仿真能力的方向发展。

　　虽然整合所有ANSYS产品的过程听起来有点像达索公司的3DEXPERIENCE，但是事实证明ANSYS走了一条不同的路线，即没有（像达索公司一样）对所有3DX产品使用单一的用户图形界面。

　　从根本上来说，Workbench使用了拖拽式项目体系图来把仿真流程、CAD、项目更新和优化工具连接起来。体系图中的任何部分都可以更改并且可以对参数进行修正。Workbench会自动更新项目，这样就节省了生成迭代、试验设计（DOEs）、最大最小值和各种假设情境模型的时间。Workbench还可以自动地在不同项目间传输数据，从而使多物理仿真易于实现。

　　很多人会说这已经开始听起来有点像是系统工程。正如区域副总裁Mike Smocer所说：“在旁观者眼中这就是系统工程……它虽然包括了行为建模的理念，但是它同时也包含了耦合内嵌软件、使自动生成具有一致性的符合工业标准的代码成为可能的预测性分析的理念……同时，多物理仿真以前由于不同工具、不同接口类型或者不同学习曲线造成的不可实践性（已经不复存在）。多物理仿真对于工程师和团体来说现在已经越来越容易实现。这正在成为一个重要话题。”

　　ANSYS看来已经在着力实现他们的目标。正如Yazaki北美公司仿真专家、多物理分析及CAE技术专员Ansel Dooley在谈到ANSYS跨平台功能和用户支持话题时所说：“我成为ANSYS用户已经有7年多的时间，现在正在使用ANSYS 15.0版本。我发现这款产品非常有效、跨平台、易于使用，而且用户支持也很出色……如果我一开始没有选择信任它，我可能已经偏离了方向，因为这就是我每天都要使用的产品。”

洗衣机实例

洗衣机系统图

PVM信号控制电机

　　ANSYS对Workbench的目标是在同一个平台内，通过整合3D物理和系统级分析来提供全面的产品仿真。在Hebbes的演讲中，他使用了一个洗衣机的例子来说明系统级设计是什么样的。

　　尽管洗衣机看起来是一种普通的产品，但是用它来展示Workbench的强大功能却是一个非常好的例子。因为它包括嵌入式软件、驱动电路、电机并且需要进行热、结构和噪声评估。

　　ANSYS可在设计初期帮助确定整体上能否实现满足客户要求的设计方案。Hebbes表示：“有时候在设计初期并没有CAD……而且你也不希望根据上一代CAD模型来创建新一代产品。人们希望根据性能要求来设计产品，而不是CAD。此外，ANSYS的综合解决方案也可提供相关工具，支持工程师在设计初期就能制作CAD模型。

　　ANSYS Simplorer系统仿真可用来评估洗衣机的电源。电源被送到控制器、AC-DC转换器、PCB电路和IGBT逆变器模块。

　　电机以变速运行，由电力驱动器、控制器和ANSYS Esterel Scade套件进行控制。Simplorer可运行代码，产生用以决定电机速度的PVM信号。

　　然后，利用ANSYS Maxwell 3D场求解器来仿真电机。PVM信号可作为Maxwell中高保真降阶模型3D电磁物理仿真的输入，以对电磁设计流程和电路进行评估。

电机的Maxwell仿真

　　由于逆变器具有温度相关性，因此工作条件评估对实现最佳性能非常重要。ANSYS Icepak可用来实施多域、多物理仿真，从而根据获得的功率来确定IGBT单元的温度。

　　Icepak运行ANSYS Fluent流体动力学求解器来确定结果。然后，Simplorer根据仿真结果建立降阶模型，实现对电磁和热仿真的同时求解。随后温度被反馈至系统中用于确定IGBT性能。驱动器则用来控制电机的速度和位置，可将其反馈到系统中以闭合仿真环路。

　　速度、位置和加速度作为Ridged Body动力学分析的输入，以根据洗衣机运行时的电机扭矩确定结构的瞬态特性和应力。

　　最后，对系统进行声学评估。利用Maxwell发现的电磁学特性确定径向和切向力值；这两种力会使机械装置的一部分发生变形，产生谐运动和噪声。瞬态时间域中的应力被转变到频域，随后在ANSYS Mechanical中用来自动分析谐波。利用计算得到的信息，工程师可以采取相关措施降低所产生的噪声。

非仿真专家进行协作

　　ACC大会花了大量时间介绍将非仿真专家带入仿真设计开发流程的前景。ANSYS报告指出，这个设想并非像有些人担心的那样要削弱对分析师的需求，而是承认一位分析师不可能成为所有方面的专家。通过非专家更早地在设计流程中引入仿真，也是正在发生的一种仿真趋势，目的是在整个项目生命周期中确保更好、更深思熟虑的设计决策。因此，如果这些非仿真专家是某领域的物理专家或设计中其他有用项目的专家，那么使平台变得易于使用会大有裨益。

　　Procter & Gamble副董事和ACC主旨发言人Mark Meili说：“如果你想要加快进度，应该让非仿真专家，例如物理专家或化学专家，在标准化方案中使用高级工具，这种方式的价值无可估量。这不仅可改变现在的文化，同时还改变了人们的学习方式。”

　　他继续以倒瓶子试验为例加以说明。这是我们定期要做的常规工作，我想让大家问问自己，您是否愿意让仿真专家做这件事情？……我不想让仿真专家一整天都做这个，老实说这会让他们感到无聊，而且也没能很好地利用他们的时间。如果设计包装的人定期做这件事，这样就会很棒。”

　　由于非专家将加入仿真用户的行列中，因此最好提高一下他们的专业知识，有助于促进更好的项目协同效应。区域销售总监Paul Oliver建议用户花时间学习一下通常情况下不用的其它物理知识。

　　Oliver说：“ANSYS最大的强项之一是多物理功能。workbench采用针对所有物理领域的通用用户界面，使”临时或非专业“用户能够快速入门。因此，如果您是一个流体学用户，请花时间了解一些机械知识……看看对您和您的工程过程有怎样的帮助，反之亦然。了解一下电磁学，并看看这会产生怎样的帮助效果，最后请了解一下我们的高频应用。”

　　ANSYS接纳非仿真专家的能力在Celanese市场营销专家Arvind Karandikar这里得到了良好体现。他说：“我是个初学者。我刚刚开始接受培训，但我发现技术支持非常好。他们确实能让你学到东西；尽管内容很复杂，但他们能让问题简化。而且，技术支持自始至终提供，不仅仅针对开始阶段，这是个很好的方面。”

ANSYS的未来

　　Smocer表示：“1997年我刚进入仿真领域时，仿真技术经常在设计已经完成后作为验证工具来使用。又过了几年之后，你会发现仿真成为了针对单个组件的单物理预测工具。如今这已经远远不够了，现在仿真针对的是系统和多物理，并要理解整个工作流程和整个产品生命周期中的相互作用，这是我们所有人要面对诸多挑战的地方。”

　　要获得这种级别的仿真，需要一些高性能计算。Smocer说：“如果您是一家小公司，可能会说我无法获得大公司所具备的所有技术或内核。我们与云合作伙伴合作，而且现在的许可证模式打开了通向这些技术的大门。因此，我们正尝试与当今的现实同步发展。但Smocer补充道，云计算不仅针对小公司，大公司也可能将云列入他们的目标，因为很难确保获得最新的技术，而云服务则能帮您消除这个问题。

　　当然，ANSYS并不是第一家向云技术发展的仿真公司。就像前面提到的3DX和Autodesk的360 环境，很多小型公司正在依靠云来助力他们的仿真技术。

　　为了增加ANSYS的系统级功能，Smocer意指ANSYS把最近收购的SPACECLAIM和Reaction Design放入workbench。“这高度肯定了我们在流体学方面正在做的事情，即能考虑不同的燃料混合物，根据特定排放和能效标准进行研究，最后送到ANSYS CFD求解器并观察整个发动机模块。”另外，SPACECLAIM无需CAD环境即可检查方案和执行可行性研究。

　　Smocer进一步介绍了一种集成所有这些变化、更包罗万象的重点解决方案。“我们集中精力于新一代机遇……有个东西已经存在，但没法用发布来形容，因为它不是一种产品，没有价格，而且现在我们所有技术做的事情它都不做。但它是一个环境，是我们这里所指的一切。它是沉浸式的、是包含所有物理学的单个环境。一些客户正在测试和使用，并提供反馈。它是多年的努力成果。它与我们现在已有的产品不同。它是被我们以限制性形式放到市场中的一种产品。”