作者 | 毕绍洋 唐滨 王昊东
什么是CAE仿真
人类希望用数学规律认识和理解世界的努力由来已久。在牛顿总结出经典力学的基本定律后,19世纪法国著名数学家拉普拉斯(Laplace)就曾提出这样一条假设 :如果有个全知全能的实体,它知道宇宙中每个原子确切的位置和动量,是否能够用数学规律完整推断出宇宙的过去和未来?虽然由于混沌、不确定性原理等现象的存在,拉普拉斯的这一假设被物理学后续的发展否定,但在许多工程领域,今天的人类已经能在一定程度上做到“预测未来”。比如,我们已经能够在大楼建造之前预测其抗震性能,在飞机设计阶段评估其空气阻力和隐身等性能,在汽车制造出来之前预测它的碰撞安全性,等等。这一切的背后,都是计算机辅助工程(ComputerAided Engineering,CAE)技术的功劳。
广义上,无论是基于游戏引擎相关技术的虚拟工厂、自动驾驶仿真,还是融合物理模型和人工智能等技术驱动的数字孪生体,都可被认为是仿真技术。但我们一般讨论的 CAE 仿真技术主要是指狭义范畴上的,即与计算机辅助设计(Computer AidedDesign,CAD)技术衔接建立产品的数字几何模型(二维或三维),然后基于如有限元法等数值方法求解物理过程对应的偏微分方程,以预测工程产品实际性能的技术 [1]。基于 CAE 技术,工程设计人员可以采用数值仿真手段代替部分或全部实物实验。CAE技术起源于力学领域,基于力学方程和有限单元法的仿真技术是应用最早、最广泛的 CAE 技术 [2]。在力学仿真中所谓“预测工程产品的性能”主要是指预测产品的结构强度、刚度、屈曲稳定性和动力响应等力学性能。基于 CAE 技术,来自各领域的专业人士研发了一系列工程模拟和分析工具,即 CAE软件。这些 CAE 软件覆盖了很多学科,包括结构力学、流体力学、热学、声学、电磁学等。CAE 软件通常由包含建模与网格生成功能的前处理器、负责数值计算的求解器,以及对结果进行可视化渲染的后处理器三大类模块构成 [3]。
CAE技术的起源与发展
单从字面上看,CAE 仿真和计算机有着密切的联系。CAE 技术虽然起源于力学和航空航天领域,但其是伴随着计算机技术一路发展起来的。
20 世纪初,经典物理学已经取得了极大的成就,关于力学、热学、电磁学等许多学科的物理学规律,都可以被描述成某些物理量(如温度、位移、磁感应强度等)随空间和时间的变化。这种变化规律大多可以用偏微分方程表示。在实际工程中,这些偏微分方程通常十分复杂,只有在很有限、很特殊的条件下才拥有解析解,在大多数情况下通常难以得到解析解,只能用一些近似方式求出方程中物理量在某些时间和某些位置的数值,这就是偏微分方程的“数值解”。
1943 年,美国数学家库朗(Courant)提出的一种偏微分方程数值近似解法被认为是有限元的雏形 [4]。1946 年,世界上第一台电子计算机 ENIAC问世,其最初的研发目标是为美国陆军计算炮弹的轨迹。可以说,电子计算机最早就是为了完成科学和工程计算任务而生的。1952 年,波音公司和加州大学伯克利分校的特纳(Turner)和克拉夫(Clough)等几位工程师在研究一种飞机三角翼的振动分析时,率先提出了有限元法,并于 1956 年发表了第一篇关于有限元法的论文 [5]。1960 年,克拉夫在论文中首次提出了“有限单元法”(finite element method)这一名词 [6]。
大约同一时期,中国学者也提出了有限元法。为解决刘家峡水电站建设任务中关于应力计算的问题,中国数学家冯康及其所在的中国科学院计算技术研究所成员于 1964 年独立于西方,创造了一整套解微分方程问题的数值计算方法,即有限元法。次年,冯康发表论文《基于变分原理的差分格式》[7],这是中国学者独立于西方创立有限元法的标志。
随着有限元理论的日趋成熟和计算机技术的发展,20 世纪下半叶,各种有限元软件如雨后春笋般涌现。1969 年,在美国航空航天局(NASA)的支持下,第一款商用的有限元仿真软件 Nastran 面世 ;1970 年,从核电行业起家的 Ansys 发布第一个商用版软件 ;1976 年,著名显式动力学仿真软件LS-DYNA 的前身 DYNA3D 发布 [8] ;1978 年,第一版 ABAQUS 软件出现 [9] ;1982 年,著名的计算流体力学软件 Fluent 首次发布 [10]。以有限单元法为代表的各类数值算法,也逐渐被应用到热学、电磁学、声学、光学等更多领域,形成了今天的 CAE 仿真大行业。
由于不同的物理过程和控制方程具有各自的特点,相应学科内部也各自提出了更多的数值算法。例如对于流体问题,目前应用最广的算法为有限体积法(FVM),此外还发展出了格子玻尔兹曼法(LBM)、光滑粒子动力学(SPH)等方法 ;在固体力学中,除最常见的隐式有限元分析外,还有显式动力学、多刚体动力学,以及物质点法(MPM)、等几何分析(IGA)等诸多无网格算法 ;在电磁分析中,常用时域有限差分法(FDTD)和矩量法(MoM);在计算声学等领域,边界元法(BEM)也有独特优势。
综上,CAE 技术的发展是物理、数学和计算机等多学科技术的跨界合作,并且经历了持续漫长的发展过程。CAE 产业化的快速发展,是 CAE 研发企业与 CAE 应用单位在大型装备与工业产品设计研发中共同持续迭代的结果。随着计算机技术的不断进步,CAE 技术快速发展并得到了广泛应用。
CAE在各工业领域中的应用
今天,CAE 技术已经走进各个工业门类,广泛应用于千行百业之中,为不同的工业领域赋能。CAE 技术的主要特点是在计算机中完成虚拟实验,从而部分或全部替代实物实验。因此,做实体实验成本越高的行业,对 CAE 仿真技术的需求就越迫切。在大部分与“大国重器”有关的行业,如航空航天、船舶舰艇、能源电力、燃气轮机和高铁等领域,小到每一个关键零部件,大到飞机、船舶的整机,在研发设计阶段都离不开 CAE 技术的支持。此外,汽车、家用电器、消费电子、芯片等资金密集的先进制造业,以及建筑、土木等行业,也已广泛引入CAE 技术来缩短研发周期、验证设计可靠性、提高产品性能。
现在几乎所有复杂工业品都涵盖了诸多工程学科的专业知识。从多学科分工的角度,以汽车行业为例 :在汽车设计过程中,结构分析配合结构优化和多学科优化技术有助于实现整车轻量化设计 ;多刚体动力学仿真可以分析整车的行驶性能和操控性能,并提取载荷实现关键零部件的疲劳寿命分析 ;显式动力学求解器可以完成整车的碰撞分析,帮助提高汽车的碰撞安全性,减少实车碰撞试验(见图 1);NVH振动和声学仿真工具可以优化汽车的振动和噪声表现,满足整车舒适性要求 ;电磁仿真技术可以协助设计车载雷达天线的布局,以及整车电磁兼容(EMC)分析 ;低频电磁场分析工具与热学、力学结合,可以对新能源汽车的电机进行设计优化 ;流体仿真工具可以实现整车外流场仿真以优化汽车风阻,提高能源利用效率,以及分析传动系统的润滑、汽车轮胎涉水等问题 [11] ;基于模型的系统仿真工具,如 Modelica、Simulink 等,也在汽车的电子控制器等模块的开发过程中起着重要作用,使工程师能在设计早期发现错误,完成修正。另外,针对近年兴起的汽车自动驾驶技术,包括 Ansys 在内的许多 CAE 仿真软件公司也在布局自动驾驶仿真软件,帮助车企完成自动驾驶算法的开发和迭代。
从包含产品设计制造和维护的产品生命周期管理角度,以船舶行业为例(见图 2~4):在船舶的设计阶段,使用 CAE 技术可以对船体的强度、刚度、疲劳、振动、噪声、气动和水动力学等性能进行全面评估,帮助设计师在设计初期发现问题并进行修正和优化设计,避免后期修改带来的额外成本。在船舶建造和维修阶段,通过 CAE 技术进行如焊接变形、管道流体力学等分析,优化船舶建造和维修方案,提高工作效率和质量。CAE 技术还可应用于船舶事故分析和安全评估,通过对船舶事故的模拟和分析,了解事故的原因和过程,进而改进船舶设计和维修方案,提高船舶的安全性。
上述应用于汽车和船舶行业每一个细分领域的CAE 仿真技术,也可以用相似的逻辑应用于其他行业,起到类似作用。例如对结构件进行应力强度分析和结构优化,与 3D 打印技术结合,可以帮助航天器、风电叶片甚至自行车等产品实现减重,可以在建筑设计领域为设计师提供设计灵感,还可以在医疗中为患者定制设计手术植入物和辅助护具。显式动力学分析除了可用于汽车碰撞安全性分析外,还可用于手机、空调等消费电子产品的跌落模拟测试,以及一些武器装备的爆破分析等。高频电磁仿真分析技术可以用于设计民用的天线、基站、优化手机的通信信号,也可用于军用雷达等器件的设计优化(见图 5)。
CAE仿真的未来
向上攀登:高精度大规模与多场耦合
近年来,随着芯片算力的提高和超级计算机的快速发展,仿真技术越来越多地被应用在求解大规模的复杂科学和工程问题上。从过去的针对单个零件进行结构 [16]、温度等单物理场仿真 [17],逐渐扩展到对整体模型的仿真 [18]。由于算力和仿真算法的发展,CAE 模型构建得越来越精细,建模时也可以更贴近现实情况,包括考虑准确的材料本构模型、粘接脱粘、非线性摩擦、蠕变等各种性质,从而更准确地模拟和预测工程系统的行为。
在对较大规模的仿真问题进行求解时,不仅可以利用多核心 CPU 并行计算,还可以基于统一计算设备架构(CUDA)等技术实现 GPU 加速。使用部署在云端或本地计算中心的高性能计算集群,可以调用数百个 CPU 核心处理复杂工程问题,或同步执行多个仿真任务,确保计算的效率和可行性。
真实世界的许多复杂物理过程涉及多个不同的物理场及它们之间复杂的相互作用,如流 - 固耦合、热 - 力耦合 [19]、力 - 电耦合 [20] 等。随着算力的提高以及一些软件公司被大公司并购,过去难以解决的复杂多物理场问题,现在已经可以通过多款仿真软件之间的结合,或在同一仿真软件内调用不同物理场接口的方式完成求解。例如在 Ansys Workbench 平台下,可以调用 Mechanical 和 Fluent 求解器完成流 - 固耦合等分析 ;Comsol、LS-Dyna 等软件则可以在同一软件内部完成不同物理场之间的强耦合求解,避免了软件之间相互通信可能会出现的问题。
向下普及:设计仿真一体化、专用软件与仿真APP
向外吸收:云计算与人工智能
合纵连横:集团化发展
图 6 ANSYS公司的仿真软件布局
工业软件自主化的机遇与挑战
参考文献
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