仿真分析規(guī)范編制指南V1.0版

1、目錄 HYPERLINK l _bookmark0 序 II HYPERLINK l _bookmark0 編者按（一） III編者按（二） 錯誤!未定義書簽。 HYPERLINK l _bookmark0 前言 V HYPERLINK l _bookmark0 目錄 VI HYPERLINK l _bookmark1 第一部分：通則 1 HYPERLINK l _bookmark2 第一章：概述 1 HYPERLINK l _bookmark3 引言 1 HYPERLINK l _bookmark4 仿真分析規(guī)范指南目標 2 HYPERLINK l _bookmark5 仿真分析規(guī)范制定方法

2、 2 HYPERLINK l _bookmark6 第二章：仿真分析規(guī)范內容 2 HYPERLINK l _bookmark7 基礎通用內容 2 HYPERLINK l _bookmark8 具體業(yè)務內容 4 HYPERLINK l _bookmark11 第三章：仿真分析規(guī)范制定流程和原則 10 HYPERLINK l _bookmark12 規(guī)范編制團隊建立 10 HYPERLINK l _bookmark13 仿真分析規(guī)范制定基本原則 11 HYPERLINK l _bookmark14 規(guī)范修訂與完善 11 HYPERLINK l _bookmark15 參考文獻 11 HYPERLI

3、NK l _bookmark16 第二部分：仿真分析規(guī)范編制指南 12 HYPERLINK l _bookmark17 第一章：結構靜強度仿真分析規(guī)范指南 13 HYPERLINK l _bookmark18 1目標 13 HYPERLINK l _bookmark19 2范圍 13 HYPERLINK l _bookmark20 規(guī)范性引用文件 13 HYPERLINK l _bookmark21 術語和定義 13 HYPERLINK l _bookmark22 通用規(guī)則 13 HYPERLINK l _bookmark23 工作流程 17 HYPERLINK l _bookmark24 前

4、處理建模 17 HYPERLINK l _bookmark25 求解設置 22 HYPERLINK l _bookmark26 結果后處理 22 HYPERLINK l _bookmark27 結果評估 23 HYPERLINK l _bookmark28 模型修正 23 HYPERLINK l _bookmark29 計算報告 24 HYPERLINK l _bookmark30 第二章：結構模態(tài)仿真分析規(guī)范指南 25 HYPERLINK l _bookmark31 1目標 25 HYPERLINK l _bookmark32 2范圍 25 HYPERLINK l _bookmark33 規(guī)

5、范性引用文件 25 HYPERLINK l _bookmark34 術語和定義 25 HYPERLINK l _bookmark35 通用規(guī)則 26 HYPERLINK l _bookmark36 工作流程 28 HYPERLINK l _bookmark37 前處理建模 28 HYPERLINK l _bookmark38 求解設置 32 HYPERLINK l _bookmark39 結果后處理 32 HYPERLINK l _bookmark40 結果評估 33 HYPERLINK l _bookmark41 模型修正 33 HYPERLINK l _bookmark43 計算報告 34

6、 HYPERLINK l _bookmark44 第三章：氣動計算仿真分析規(guī)范指南 36 HYPERLINK l _bookmark45 1目標 36 HYPERLINK l _bookmark46 2范圍 36 HYPERLINK l _bookmark47 規(guī)范性引用文件 36 HYPERLINK l _bookmark48 術語和定義 36 HYPERLINK l _bookmark49 通用規(guī)則 37 HYPERLINK l _bookmark50 交付物 37 HYPERLINK l _bookmark51 工作流程 37 HYPERLINK l _bookmark52 前處理建模

7、38 HYPERLINK l _bookmark53 提交求解 39 HYPERLINK l _bookmark54 結果后處理 39 HYPERLINK l _bookmark55 結果評估 40 HYPERLINK l _bookmark56 模型修正 40 HYPERLINK l _bookmark57 計算報告 40 HYPERLINK l _bookmark58 第四章：散熱計算仿真分析規(guī)范指南 41 HYPERLINK l _bookmark59 1目標 41 HYPERLINK l _bookmark60 2范圍 41 HYPERLINK l _bookmark61 規(guī)范性引用文

8、件 41 HYPERLINK l _bookmark62 術語和定義 41 HYPERLINK l _bookmark63 通用規(guī)則 42 HYPERLINK l _bookmark64 交付物 44 HYPERLINK l _bookmark65 工作流程 44 HYPERLINK l _bookmark66 前處理建模 44 HYPERLINK l _bookmark67 提交求解 46 HYPERLINK l _bookmark68 結果后處理 47 HYPERLINK l _bookmark69 結果評估 47 HYPERLINK l _bookmark70 模型修正 47 HYPER

9、LINK l _bookmark71 計算報告 48 HYPERLINK l _bookmark72 第五章：天線電磁計算仿真分析規(guī)范指南 50 HYPERLINK l _bookmark73 1目標 50 HYPERLINK l _bookmark74 2范圍 50 HYPERLINK l _bookmark75 規(guī)范性引用文件 50 HYPERLINK l _bookmark76 術語和定義 50 HYPERLINK l _bookmark77 通用規(guī)則 51 HYPERLINK l _bookmark78 交付物 53 HYPERLINK l _bookmark79 工作流程 54 HY

10、PERLINK l _bookmark80 前處理建模 54 HYPERLINK l _bookmark81 求解設置與提交求解 57 HYPERLINK l _bookmark82 結果后處理 58 HYPERLINK l _bookmark83 結果評估 58 HYPERLINK l _bookmark84 模型修正 58 HYPERLINK l _bookmark85 計算報告 59 HYPERLINK l _bookmark86 第六章：汽車碰撞仿真分析規(guī)范樣例 60 HYPERLINK l _bookmark87 1目標 60 HYPERLINK l _bookmark88 2范圍

11、60 HYPERLINK l _bookmark89 規(guī)范性引用文件 60 HYPERLINK l _bookmark90 術語和定義 60 HYPERLINK l _bookmark91 通用規(guī)則 60 HYPERLINK l _bookmark98 交付物 65 HYPERLINK l _bookmark99 工作流程 66 HYPERLINK l _bookmark102 整車模型建立 68 HYPERLINK l _bookmark129 碰撞模型建立 81 HYPERLINK l _bookmark131 初始條件及邊界條件 81 HYPERLINK l _bookmark132 求

12、解設置 81 HYPERLINK l _bookmark142 結果后處理分析 83 HYPERLINK l _bookmark143 計算報告 84 HYPERLINK l _bookmark144 第三部分：后序 85 HYPERLINK l _bookmark145 附錄 A 參考性附表 86 HYPERLINK l _bookmark153 附錄 B 參考性附圖 90第一部分：通則第一章：概述引言CAE 的英文全稱為“Computer Aided Engineering”，中文意為“計算機輔助工程”，是指以計算數(shù)學、計算力學及相關工程科學為基礎的針對復雜工程或產(chǎn)品進行數(shù)學建模、計算分析

13、、行為模擬與優(yōu)化設計的計算機信息處理技術。其中，“相關工程科學”涉及機械、電子、建筑、交通、氣象、地質、海洋、生物、醫(yī)藥等極為廣闊的應用領域，由此形成了眾多的 CAE 技術應用分支。而計算數(shù)學與計算力學則滲透于各個應用分支，為具體工程問題的建模與求解提供相應的數(shù)學工具，從而構成相關 CAE 軟件的核心計算方法。CAE 是一個很廣的概念，從字面上講可以包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面。但是，傳統(tǒng)的 CAE主要指用計算機對工程和產(chǎn)品進行性能和安全可靠性分析，對其未來的工作狀態(tài)和運行行為進行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設計缺陷，并證實未來工程、產(chǎn)品功能和性能的可用性與可靠性【1】?？梢?，CAE 是一項綜合 性的應

14、用技術，它以解決具體工程問題為出發(fā)點，借助于計算機信息處理手段，集成應用計算數(shù)學、計算力學等“單元”技術，形成系統(tǒng)化的技術解決方案以支持復雜工程或產(chǎn)品的優(yōu)化設計【2】。CAE 的理論基礎起源于 20 世紀 40 年代，國外在 20 世紀 50 年代末 60 年代初開始入大量人力和物力開發(fā)具有強大功能的有限元分析程序；在 20 世紀 7080 年代 CAE 軟件得到了蓬勃發(fā)展，尤其至 20世紀 90 年代以來，CAE 開發(fā)商開對軟件的功能、性能、可用性和可靠性以及運行環(huán)境的適應性等方面進行了改進，使得 CAE 仿真的功能和計算精度都有很大提高，各種基于產(chǎn)品數(shù)字建模的 CAE 工具應運而生，現(xiàn)已成

15、為工程和產(chǎn)品結構分析中(如航空、航天、機械、土木結構等領域）必不可少的數(shù)值計算工具，在幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品設計周期，降低產(chǎn)品設計成本方面起到了重要的作用。而我國 CAE 軟件的形成和應用從 20 世紀 70 年代開始的。近 40 多年來，我國在 CAE 理論研究和軟件自主開發(fā)方面的努力始終沒有停止過，也有一些擁有自主知識產(chǎn)權的軟件系統(tǒng)脫穎而出。20 世紀 90年代以來，開放力度加大，大批國外軟件涌入中國市場，加速了 CAE 技術在我國的推廣，提高了我國裝備制造業(yè)的設計水平。與此同時，我國自主開發(fā)的軟件受到嚴峻挑戰(zhàn)，特別是盜版的國外軟件，對我國自主開發(fā)的 CAE 軟件打擊很大，甚至一些優(yōu)秀的軟件基本

16、退出了國內 CAE 市場。作為工業(yè)大國，中國不可能長期依賴引進國外的技術和產(chǎn)品，培植自己的 CAE 軟件產(chǎn)業(yè)，以應用為牽引，提升工業(yè)設計軟件和仿真分析軟件的應用水平，縮短設計周期，提高產(chǎn)品競爭力和企業(yè)核心競爭能力，推動國產(chǎn) CAE 軟件在工業(yè)企業(yè)的應用普及，成為當務之急。同時，隨著 CAE 仿真分析工作在企業(yè)的開展，大量的工程師參與到 CAE 仿真分析工作中去，不同的分析工程師在分析過程中，由于自身掌握的相關專業(yè)知識、軟件掌握能力以及對產(chǎn)品本身的理解程度，往往在模型簡化、網(wǎng)格劃分、邊界條件的處理上各不相同，具有較大的隨意性，這就造成了不同的分析人員對于同一問題分析結果有一定差異，從而導致產(chǎn)品設

17、計者對于分析結果的懷疑，在這種情況下要對此分析結果反復校核，浪費大量人力物力。為了更好的發(fā)揮 CAE 仿真分析在企業(yè)研發(fā)過程中的作用，需要建立仿真分析規(guī)范對產(chǎn)品設計的各個階段進行規(guī)范指導。最近幾年，這方面的規(guī)范建立在國外非常流行，國內各家汽車供應商也都進行了仿真分析規(guī)范的實施，并取得了很好的應用成果，對企業(yè)的研發(fā)帶來了很大的益處?；谝陨显颍匾曅庐a(chǎn)品研發(fā)的企業(yè)迫切需要建立自己的 CAE 仿真分析規(guī)范，用來解決目前 CAE 仿真存在的各種問題。通過 CAE 仿真分析規(guī)范的建立，一方面可以用以指導、規(guī)范仿真分析工作；另一方面可以形成自身的知識積累，便于其他分析人員快速進入到規(guī)范的工作流程中，使

18、企業(yè)的 CAE 仿真工作高效、快捷、準確的進行，為產(chǎn)品研發(fā)提供強有力的保障。仿真分析規(guī)范指南目標仿真分析規(guī)范是基于企業(yè)的產(chǎn)品特點，總結以往的仿真分析經(jīng)驗、參照試驗數(shù)據(jù)、借鑒其它行業(yè)的相關標準，以理論為指導，制定出的一套規(guī)范化作業(yè)流程。由于仿真分析規(guī)范具有強烈的行業(yè)和企業(yè)特點，需要企業(yè)投入大量的人力物力進行制定和完成，制定的主導權一定在企業(yè)自身。因此，仿真分析規(guī)范指南的目標不是為企業(yè)制定仿真分析規(guī)范，而是建立在對國內外行業(yè)標桿企業(yè)的仿真分析規(guī)范了解的基礎上，為企業(yè)提供制定仿真分析規(guī)范的方法論，讓企業(yè)能夠知道如何才能建立一個完整的、有效的、先進的仿真分析規(guī)范。仿真分析規(guī)范制定方法通常，企業(yè)會以研發(fā)

19、的主要產(chǎn)品為研究對象，建立相應的仿真分析規(guī)范，用以規(guī)范企業(yè)的仿真分析過程。仿真分析規(guī)范的建立與 CAD 設計和試驗密切相關，一般 CAE 仿真分析規(guī)范建立的步驟如下：明確產(chǎn)品的性能要求，一個產(chǎn)品具有不同種類的性能要求，首先確定哪些性能指標需要進行仿真分析驗證；確定性能指標的評價標準，這需要在對同類產(chǎn)品進行大量試驗測試、計算分析、質量事故統(tǒng)計、參考相關標準的基礎上形成；制定仿真建模標準，重點內容是網(wǎng)格質量標準、邊界條件與載荷標準，材料數(shù)據(jù)、連接模擬標準（比如螺栓、點焊、縫焊等），這需要在大量試驗測試結果與計算結果相互校對的基礎上形成；確定計算結果的處理方法，最終的計算結果可能需要在已有的計算輸出

20、中進行進一步的數(shù)據(jù)處理，才能與試驗測試結果和評價指標進行比對。第二章：仿真分析規(guī)范內容CAE 仿真分析規(guī)范通常包括兩部分，即仿真分析規(guī)范基礎通用內容與具體業(yè)務內容兩大部分：基礎通用內容：指的是對于企通常進行 CAE 仿真總體的工作內容，指導如何進行 CAE 仿真分析及管理，可以根據(jù)企業(yè)的具體業(yè)務來分類和梳理；具體業(yè)務內容：企業(yè)根據(jù)自身的產(chǎn)品分類來進行梳理、規(guī)劃，對其研發(fā)的具體產(chǎn)品進行某一類型仿真分析規(guī)范內容的制定。比如某類型結構強度分析規(guī)范，包括從模型的導入、幾何清理簡化、網(wǎng)格生成、材料屬性賦予、邊界載荷設定、分析提交、結果處理、評價及報告編寫等，形成一套作業(yè)指導書，仿真分析工程師按照作業(yè)指導

21、書進行結構的強度分析，從而提升工作效率、保證精度?；A通用內容目標仿真分析規(guī)范中應對制定規(guī)范的目標進行描述，如：為了規(guī)范 XXX 結構靜強度（或動力學、流場、電磁等）有限元分析過程，特制訂本規(guī)范。通過規(guī)范的制定，使得不同工程師在參考本文件進行 XXX 結構靜強度有限元分析時，得出的有限元分析結果具有高度的一致性，并保證仿真分析結果具有較高的分析精度。范圍仿真分析規(guī)范中應對規(guī)范的適用范圍進行明確，如：本規(guī)范規(guī)定了 XXX 結構靜強度有限元分析的分析依據(jù)、分析流程、分析要求、分析類型、建模原則、結果評估、模型修正、結果輸出、數(shù)據(jù)處理、報告編寫等內容，適用于應用 XXX 有限元分析軟件進行 XXX

22、結構靜強度和剛度分析。規(guī)范性引用文件仿真分析規(guī)范中應對引用的文件進行描述，如：下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注明日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本標準。GB/T31054-2014 機械產(chǎn)品計算機輔助工程有限元數(shù)值計算術語； GB/T33582-2017 機械產(chǎn)品結構有限元力學分析通用規(guī)則； GB/T4797.4-2006 電工電子產(chǎn)品自然環(huán)境條件太陽輻射與溫度GJB150.7A-2009 軍用裝備實驗室環(huán)境測試方法第 7 部分：太陽輻射試驗 SJ20590-96 軍用微型計算機熱設計技術要求SJ20743-1

23、999 散熱器手冊第 1 部分熱阻曲線集 GB3100-1993 國際單位制及應用；GB3101-1993 有關量、單位和符號的一般原則；ASME V&V10-2006 Guide for Verification and Validation in Computation Solid Mechanics； ASME V&V10.1-2012 An Illustration of the Concepts of Verification and Validation in Computational Solid Mechanics。術語和定義仿真分析規(guī)范中應對規(guī)范中使用的主要術語進行描述和定義

24、，如：下列術語和定義適用于本文件。有限元建模（finite element modeling）：構建有限元模型的過程，包括幾何模型構建及處理、材料屬性定義、網(wǎng)格劃分、邊界（載荷）條件施加、求解參數(shù)設置等步驟；幾何模型（geometry）：使用幾何概念描述物理或者數(shù)學物體形狀，一般包括點、線、面、體等元素構成集合；材料屬性（material property）：用于描述機械結構所用材料物理特性的數(shù)據(jù)集合；邊界條件（boundary condition）：用于描述機械結構在給定工況下，求解域邊界上幾何以及物理條件，如力、溫度、速度、位移等約束和載荷信息；網(wǎng)格劃分(mesh)：把幾何模型分成很多小的

25、單元，作為具有幾何、物理屬性的最小的求解域； 坐標系（Coordinate Syetem）：規(guī)定仿真中使用何種坐標系，一般情況下，建議使用直角笛卡爾坐標系，也可以根據(jù)分析需要，定以其它局部坐標系，包括笛卡爾坐標系、柱坐標系、球坐標系等；單元（element）：具有幾何、物理屬性的最小求解域；節(jié)點（node）：單元之間的鉸接點；零維單元（zero dimensional element）：變現(xiàn)形式為點的單元，如質量單元等；一維單元（one dimensionalel ement）：表現(xiàn)形式為線段的單元，如剛性單元、桿單元、梁單元等；二維單元（two dimensional element）：表現(xiàn)

26、形式為平面片的單元，如矩形單元（四邊形單元）、三角形單元等；三維單元(three dimensional element):表現(xiàn)形式為實體的單元，如四面體單元、六面體單元等；質量單元(mass element):表征只具備質量屬性的單元；彈簧單元(spring element):表征結構之間具有彈簧約束作用的單元；桿（bar）：一類長度遠大于其他方向尺寸的構件；梁（beam）：一類承受橫向載荷，以彎曲變形為主的桿結構；板/殼（plane/shell）：一類厚度方向尺寸遠小于長度和寬度方向的結構；實體（solid body）：由曲面或棱邊構成封閉體積的三維幾何體；低階單元（low order e

27、lement）：使用一次函數(shù)描述邊界的單元；高階單元（high order element）：使用二次或更高次函數(shù)描述邊界的單元；約束（constraint）：減少自由度的各種限制條件；載荷（load）：施加在物體上或系統(tǒng)上的作用力系；強度（strength）：描述結構抵抗破壞的能力；位移（displacement）：表征物體上一點相對于參考系的位置變化的時間變量；長寬比（aspectratio）：描述二維或三維單元最長邊與最短邊之比的量；細長比（slenderness）：桿件的計算長度與桿件截面的回轉半徑之比；翹曲度（warpage）：單元偏離平面的程度，用于檢查單元的翹曲；偏斜度（skew

28、）：描述單元的扭曲程度的數(shù)學量；內角（interior angle）：指三角形單元或四邊形單元的夾角的值，常用于描述單元的最大內角或者最小內角的數(shù)學量。坐標系仿真分析規(guī)范中應對有限元建模采用的坐標系進行描述，坐標系由右手定則來確定，宜采用笛卡爾坐標系直角坐標系，必要時可選用柱坐標系或球坐標系。有限元分析建模時應定義全局坐標系，當模型載荷、約束或結果顯示需求與全局坐標系不一致時，可增加局部坐標系。單位制仿真分析規(guī)范應規(guī)定仿真分析中使用的單位制，單位制應該統(tǒng)一且簡潔。一般情況下，工程上建議使用常用單位制， HYPERLINK l _bookmark146 如附表 1 和 HYPERLINK l _

29、bookmark147 附表 2。計算程序仿真分析規(guī)范中需要根據(jù)分析任務要求對使用的建模方式、單元類型、單元階次、求解設置、結果處理方式等進行說明，而不同的計算程序在處理上述問題時的設置方式會有所差異。因此，建議仿真分析規(guī)范中對規(guī)范適用的計算機程序進行說明，必要時對規(guī)范適用軟件的版本號也要進行說明，參考如下：本規(guī)范適用以下軟件工具進行 XXX 進行仿真計算分析。前處理軟件：SimSoft1，軟件版本號不低于 XX 版本；求解器軟件：SimSoft2。其它計算軟件工具或版本，可參考使用。交付物仿真分析規(guī)范應明確有限元分析過程中需要提交的數(shù)據(jù)和模型，有限元分析過程中一般需要提交的文件如下：有限元幾

30、何模型文件；有限元網(wǎng)格模型文件；載荷邊界文件；材料信息文件；求解結果模型文件；后處理及報告文件等。具體業(yè)務內容工作流程仿真分析規(guī)范中應對仿真分析的過程進行規(guī)范，一般可采用流程圖的方式表示， HYPERLINK l _bookmark154 如附圖 1。幾何建模處理方式仿真分析幾何建模一般有兩種方式，一是將 CAD 設計模型導入有限元分析前處理軟件進行建模，稱之為“幾何導入法”；一種是在有限元分析前處理軟件直接建模，稱之為“直接建模法”，兩種建模方式的對比如 HYPERLINK l _bookmark9 表 1。表1.幾何建模方式對比建模方式定義優(yōu)點缺點直接建模法直接在CAE 軟件前處理模塊中進

31、行建模的方式，現(xiàn)有 CAE 軟件基本上都具有前處理建模功能。使用數(shù)據(jù)量較小，便于模型參數(shù)化，適合簡單模型建模。建模效率低，對于復雜模型建模比較困難。幾何模型導入法通過 CAD 建模軟件建立幾何模型，然后后再導入CAE 軟件中進行建模處理的方式?？梢越碗s仿真模型。需要對 CAD 模型進行簡化，模型特征可能會有丟失，模型參數(shù)化不方便。無論采用何種建模方式，都需要根據(jù)結構特征、分析目的、采用的單元類型等因素，對幾何模型進行適度簡化，幾何模型簡化不應改變結構的基本特征、傳力路徑、剛度、質量分布等，對于有多個零部件組成的復雜結構，根據(jù)分析目標和要求，不同零部件的模型簡化也可能采用不同簡化規(guī)則，詳細的

32、模型簡化規(guī)則可根據(jù)企業(yè)專有標準/規(guī)范處理，也可通過 CAD/CAE 工具并結合二次開發(fā)實現(xiàn)特征簡化及高效處理。在進行幾何特征清理時，可基于以下幾個方面考慮：幾何特征所屬零部件在總裝配的重要程度；幾何特征與重點分析區(qū)域的相關程度；幾何特征尺寸與網(wǎng)格平均尺寸的對比。網(wǎng)格劃分設置方式單元類型選擇不同仿真分析軟件所使用的單元類型和名稱有所差異，規(guī)范中應對使用單元類型和名稱進行說明。通常情況下，仿真分析中使用的單元類型包括零維單元（如質量單元）、一維單元（如剛性單元、桿單元、梁單元等）、二維單元（如殼單元、板單元、面單元等）、三維單元（如體單元）及其它單元等。仿真分析規(guī)范中應根據(jù)結構和分析要求指定合適的

33、單元類型，單元類型的選擇應能反映不同部件的結構形式，在滿足分析要求的前提下，單元類型選擇一般遵循以下編制原則：選用形狀規(guī)則的單元；選用滿足精度要求的單元；選用計算效率快的單元；線性四面體單元、楔形單元僅用于網(wǎng)格過渡或幾何拓撲需要的局部區(qū)；選用的單元類型要基于 V&V 理論（Verification & Validation，模型驗證和確認，簡稱 V&V，詳見 ASME V&V 相關標準）進行精度驗證。單元階次選擇有限元單元可分為低階單元和高階單元，使用一次函數(shù)描述邊界的單元稱為低階單元，采用二次或更高次函數(shù)描述邊界的稱為高階單元。仿真分析規(guī)范中應根據(jù)結構和分析要求指定合適的單元階次，單元階次選

34、擇一般遵循以下編制原則：對于結構形狀不規(guī)則、變形和應力分布復雜時宜選用高階單元；計算精度要求高的區(qū)域宜選用高階單元，精度要求低時可選用低階單元；不同階次單元的連接位置應使用過渡單元或多點約束等。網(wǎng)格尺寸選擇對于有限元這樣一種數(shù)值分析方法，在單元類型確定之后，當單元網(wǎng)格劃分越來越細時，數(shù)值近似解將收斂于精確解，通過增加網(wǎng)格數(shù)量和密度，計算精度一般也會隨之提高。但是，如果盲目地增加網(wǎng)格數(shù)量，將會大大增加單元網(wǎng)格劃分時間及求解時間，有時還會因計算的累積誤差反而會降低計算精度。所以，在實際工作中，如何劃分網(wǎng)格才能既保證計算結果有較高的精度，又不致使計算量太大，一直是困擾仿真分析工程師的難點。為此，在仿

35、真分析規(guī)范中應根據(jù)分析目的、計算規(guī)模、效率、硬件承受能力等綜合因素，明確網(wǎng)格劃分時選擇網(wǎng)格尺寸（網(wǎng)格密度），如 HYPERLINK l _bookmark148 附表 3。網(wǎng)格尺寸控制一般遵循以下基本原則：應對結構變化大、曲面曲率變化大、載荷變化大或不同材料連接的部位進行細化；單元尺寸過渡平滑，粗細網(wǎng)格之間應有足夠的單元進行過渡，避免相鄰單元的質量和剛度差別太大；對于實體單元網(wǎng)格，在結構厚度上應確保不少于三層。網(wǎng)格尺寸的選取可基于 V&V（Verification 和 Validation，驗證和確認，簡稱 V&V，詳見 ASME V&V相關標準）理論進行驗證，并推薦采 GCI（Grid Co

36、nvergence Index，網(wǎng)格收斂指標，簡稱“GCI”）方法進行網(wǎng)格無關性分析，進而選取合適的網(wǎng)格尺寸。GCI 方法實質是基于 Richardson 外推法進行網(wǎng)格收斂誤差分析的方法，其認為真實解與數(shù)值解之間的關系如公式 （1）所示：exacth = A hp H O T as h 0（1）式中：exact精確解；h網(wǎng)格尺寸為 h 時的數(shù)值解；h網(wǎng)格尺寸；p數(shù)值算法的精度階；A常量；H.O.T高階項，當 h 趨于零時，其趨于零的速度比最低階誤差項快。公式（1）認為，在網(wǎng)格尺寸足夠小時，以至于與最低階誤差項相比，H.O.T.可以忽略不計，在這種情況下，數(shù)值解漸近收斂于真實解。假設有 h （

37、細尺寸網(wǎng)格）、 h （中間尺寸網(wǎng)格）和 h （粗尺寸網(wǎng)格）三種網(wǎng)格尺寸，其對應的數(shù)123值分析結果分別為1 、2 和3 ，忽略公式（1）高階項，則有：= A h p=exact1 1=exact exactA h p2233A h p（2）將公式（2）消元exact 和 A 可得： h p h p 21 = 12 （3） h p h p3223公式（3）是一個超越方程，可以通過合適的數(shù)值方法求解 p。通常為了簡化求解精度階 p，可以將網(wǎng)格尺寸變化比率設置成常數(shù)，即設置：hhhh 2 = 3 r1 2（4）將公式（4）帶入公式（3）可求得精度階 p： p ln 21 /ln r 3 2 （5）取

38、公式（2）中的兩個較細網(wǎng)格尺寸方程，可得 A： A 21 12h p h p（6）將公式（6）帶入公式（2）中細網(wǎng)格方程可得： 21 21= h p = （7）exact1h p h p11h/ h p 112121將公式（7）進行轉換，可得網(wǎng)格尺寸h 的數(shù)值與真實解之間的絕對誤差： 21 = （ ）exact1h/ h p 1 812令 = 2 1 / 1 ，則公式（8）可變?yōu)椋篹xact =1h 1/ h p 1（9）12由公式（9）得出基于 Richardson 外推法的 GCI 網(wǎng)格收斂指標算法如下：GCI=Fs h/ h p 1（10）21式中：Fs安全系數(shù)，基于 3 種網(wǎng)格尺寸的離

39、散誤差估計方法中， Richardson 推薦取值為 1.25； GCI 網(wǎng)格相對最優(yōu)解收斂誤差的無量綱指標，具體而言，當其乘以指定網(wǎng)格尺寸下的數(shù)值解時，得出一個誤差帶，精確解就位于這個誤差帶范圍之內，以細網(wǎng)格尺寸 h1 為例，精確解為：exact （1 GCI）（11）1在 GCI 因子計算過程中乘了一個安全系數(shù) Fs，是因為在公式（2）中忽略了高階項的影響，實際情況是高階項的影響也是不可忽略的，而乘以安全系數(shù)并不能保證精確解將完全落在公式（11）范圍內，只是可能性比較高而已。GCI 方法適用于任何離散方法的任何階空間收斂問題，其唯一特別要求是網(wǎng)格尺寸h 網(wǎng)格尺寸h ，12且推薦的網(wǎng)格細化比

40、率應大于 1.3，即h / h1.3 。21以某懸臂梁結構為例，其結構特征（示意）及對應的網(wǎng)格尺寸和數(shù)值計算結果如 HYPERLINK l _bookmark10 表 2 所示。表2.網(wǎng)格尺寸與數(shù)值解模型示意網(wǎng)格參數(shù)數(shù)值計算結果網(wǎng)格尺寸類型網(wǎng)格尺寸（mm）數(shù)值解類型數(shù)值解（mm）粗網(wǎng)格尺寸（h3）500粗網(wǎng)格數(shù)值解（ 3 ）13.098739中網(wǎng)格尺寸（h2）250中網(wǎng)格數(shù)值解（ 2 ）13.008367細網(wǎng)格尺寸（h1）166.667細網(wǎng)格數(shù)值解（ 1 ）12.991657精確解12.978342將 HYPERLINK l _bookmark10 表 2 中數(shù)據(jù)代入上述公式可以得出：p 2.

41、00256154 =0.00128621GCI = 0.00128381（12）從公式（12）可以看出，網(wǎng)格尺寸 h1 下 GCI=0.00128381，即數(shù)值解與精確解之間的誤差0.13%?；谠?GCI 值得出h1 網(wǎng)格尺寸下精確解exact ：exact12.9750，13.0083（13）1從 HYPERLINK l _bookmark10 表 2 和公式（13）看出，本案例的真實解為 12.978342mm，在（12.9750，13.0083）范圍之內，網(wǎng)格尺寸h 的數(shù)值解與精確解之間的誤差為 0.1%GCI=0.13%?；?GCI 進行網(wǎng)格無關性分析方法詳見 ASME V&V10

42、.1-2012An Illustration of the Concepts of Verification and Validation in Computational Solid Mechanics。網(wǎng)格劃分要求選擇合適的單元類型和網(wǎng)格尺寸后，有限元網(wǎng)格劃分多由前處理軟件自動并結合手工干預的方式生成，有限元網(wǎng)格劃分一般應遵循以下要求：網(wǎng)格劃分時應保留主要的幾何輪廓線，網(wǎng)格應與幾何輪廓保持基本一致；網(wǎng)格密度應能真實反映結構基本幾何形狀特征；網(wǎng)格形狀應盡可能規(guī)則，面網(wǎng)格盡量劃分為四邊形，體網(wǎng)格盡量劃分為六面體；網(wǎng)格特征應能滿足網(wǎng)格質量檢查要求；對稱結構可采用對稱網(wǎng)格。網(wǎng)格質量檢查網(wǎng)格劃分完后

43、，需要對網(wǎng)格劃分質量進行檢查，控制網(wǎng)格質量參數(shù)在合理范圍內，網(wǎng)格中不應存在畸變網(wǎng)格，網(wǎng)格檢查的主要參數(shù)包括：單元方向、翹曲度、偏斜度、內角等；保證結構重點關注區(qū)域的單元質量高，非關注區(qū)域的單元質量可適當降低。一般情況下，網(wǎng)格質量檢查內容參 HYPERLINK l _bookmark149 考附表 4。連接設置對于復雜裝配體結構，規(guī)范中還需要明確不同零部件裝配之間的連接建模處理關系，包括共節(jié)點連接、螺栓連接、鉚釘連接、焊接、法蘭連接、接觸連接、剛性單元連接、膠粘連接等。材料性能設置根據(jù)仿真分析任務要求，對仿真分析中所用到的材料屬性信息和設置方式進行說明。邊界條件設置約束對參與仿真分析計算的所有約

44、束進行分析，一般考慮以下要求：約束施加應符合實際安裝條件；約束區(qū)域應能準確反映實際約束情況；避免單點約束，避免應力集中；明確約束的位置、自由度和方向。載荷對參與仿真分析計算的所有載荷進行分析，一般考慮以下要求：按照載荷輸入條件及安全系數(shù)要求，分析全部給定工況的載荷；考慮不同工況同一時刻各項載荷的聯(lián)合作用；明確載荷的位置、大小和方向。前處理模型檢查有限元模型在提交求解前應進行充分的質量檢查，確保模型網(wǎng)格質量，輸入?yún)?shù)的正確性，邊界條件、連接接觸關系的合理性等，模型質量檢查主要包括：單位制檢查，檢查模型單位制是否統(tǒng)一，不應存在單位沖突情況；單元特征檢查，主要包括單元節(jié)點的重復性、單元的連續(xù)性、單元

45、最小尺寸、單元方向、自由邊、單元形狀評價指標檢查以及多點約束的主、從節(jié)點沖突性檢查等；屬性特征檢查，主要包括單元幾何屬性、材料屬性、材料方向及模型質量屬性檢查等；載荷及邊界條件檢查，主要包括載荷大小、方向及邊界條件的正確性。求解設置仿真分析規(guī)范中應根據(jù)仿真分析任務和目標要求，明確求解器的類型及設置參數(shù)，如靜強度分析中明確求解器類型和計算時間步長等，模態(tài)分析中明確模態(tài)分析方法、模態(tài)階數(shù)、頻率上下限等，流體分析中明確求解器類型、求解收斂參數(shù)、初場定義方式等。結果后處理有限元法計算結果需按照有關準則進行數(shù)值分析和圖形顯示，而不同后處理方式將對結果產(chǎn)生很大影響。因此，仿真規(guī)范中應明確后處理結果類型、表

46、現(xiàn)形式和結果后處理方式。結果類型結果類型包括應力、應變、位移、速度、加速度、壓強、支反力、螺栓力、接觸力、屈曲系數(shù)、模態(tài)頻率、阻力系數(shù)、升力系數(shù)、激波位置、電流密度、電壓分布等。結果表現(xiàn)形式仿真分析結果以云圖、矢量圖、剖面圖、列表、數(shù)值、曲線等形式表現(xiàn)。后處理方式由于有限元直接計算出來的結果在單元邊界處不連續(xù)且整體精度不高，需要借助有限元后處理工具進行后處理加工來提高精度，而不同的后處理技術在結果上也有所差異，規(guī)范中需要明確采用的后處理工具和采用的技術方式，常采用后處理技術方式有平均和局部插值技術、整體投影技術、外推技術等。結果評估理論上，基于仿真規(guī)范建模得出的計算結果應具有滿足規(guī)范要求的精度

47、，但實際工作中不可避免會有紕漏存在。為此，仿真分析完之后對結果的正確性、求解的精度等進行評價，評價方法一般分為表象評估法和數(shù)值評估法。表象評估法通過結果表象進行定性評估，具體原則如下：檢查模型的收斂性，包括求解收斂性和網(wǎng)格收斂性；分析關注位置結果的合理性；根據(jù)云圖或曲線的連續(xù)性。數(shù)值評估法多次試算調整模型的邊界條件和模型參數(shù)，數(shù)值評估分析結果的可靠性。模型修正在完成仿真分析之后，如有試驗數(shù)據(jù)結果，可采用一致性算法對仿真結果與試驗結果之間的誤差進行分析，當仿真結果和試驗結果之間的誤差大于某一限定值時，需要對仿真模型進行修正。仿真模型修正可以基于模型 V&V 的理論與方法，開展仿真模型的驗模研究和

48、應用，利用試驗數(shù)據(jù)量化仿真模型的精度，并基于模型修正的方法進行仿真精度的提升，模型修正流程如 HYPERLINK l _bookmark155 附圖 2。仿真結果精度評估由于有限元仿真分析帶有大量的假設條件以及不確定的建模參數(shù)，所以仿真分析結果與試驗結果之間必然存在一定誤差，通過誤差相關性分析算法或工具可以量化仿真模型的精度。如靜強度分析可以采用位移、應力、應變、靜剛度等相關誤差作為仿真結果精度評價；動力學分析可以采用模態(tài)頻率、模態(tài)振型相關性、模態(tài)置信準則、坐標模態(tài)置信準則等相關誤差作為仿真結果精度評價。仿真建模的誤差源分析通過 DOE 試驗設計、參數(shù)靈敏度分析等方法對影響仿真結果的因素進行分

49、析，包括：有限元建模誤差(如結合面連接剛度、材料屬性偏差、結構阻尼等建模誤差)、網(wǎng)格離散誤差、求解器誤差、分析誤差等因素進行分析，判斷仿真誤差主要來源，從而指導對有限元模型改進和精度提升。仿真模型修正基于模型 V&V 的方法進行有限元模型參數(shù)修正。首先通過靈敏度分析方法進行參數(shù)的重要度分析，篩選出對仿真結果有重要影響的高靈敏度參數(shù)，將這些重要參數(shù)作為修正變量。然后利用模型修正算法進行自動參數(shù)修正，提升仿真和試驗結果的吻合度。報告編制在完成仿真分析之后，應針對具體分析對象、分析目的、分析問題編寫有限元分析報告，報告編寫內容至少應包括以下方面：任務概述；分析過程；分析結論優(yōu)化和建議。仿真報告模板可

50、參考內容如 HYPERLINK l _bookmark152 附表 7。任務概述應對分析問題進行一定的背景介紹，并說明本報告所采取的分析類型和擬關注的分析結果。分析過程應對仿真分析的過程進行描述，包括模型簡化、網(wǎng)格劃分、材料模型、邊界條件、載荷和求解方式等。分析和結論應給出典型的圖表結果，如應力/應變云圖、模態(tài)振型、溫度場云圖、輻射方向圖等。圖表應簡明、易懂，圖表中不應有無關的信息。根據(jù)給出的圖表結果，總結分析結論，并給出客觀、綜合評定。優(yōu)化和建議應根據(jù)分析結果，給出優(yōu)化建議和設計改良方案。第三章：仿真分析規(guī)范制定流程和原則規(guī)范編制團隊建立規(guī)范編制團隊包括評審委員會成員、相關領域專家、相關領域

51、工程人員、仿真人員，編寫人員等。規(guī)范大綱的討論和確立規(guī)范大綱界定了仿真規(guī)范的總體性、綱領性的框架結構和內容章節(jié)，規(guī)范的創(chuàng)建應首先確立規(guī)范大綱的主要內容。定期召開會議討論進度及問題根據(jù)工作節(jié)點，定期召開會議討論規(guī)范創(chuàng)建進展，分析解決存在的難點與問題，會議可以邀請相關領域專家或工程應用仿真人員參與。組織專家考核和評審對規(guī)范的每一項內容、章節(jié)、條目的創(chuàng)建、更新和變化均需相關領域的專家進行考核評審，對規(guī)范的適用范圍、可操作性及應用效果等進行案例考核和結論評審，并對考核評審過程和結論進行書面記錄。形成初稿送審經(jīng)過專家考核評審確認過的規(guī)范，可以形成規(guī)范初稿，送對應的評審委員會評審，形成終稿，以便發(fā)布。仿真

52、分析規(guī)范制定基本原則清晰性制定的仿真分析規(guī)范應規(guī)定明確且無歧義的條款，以便讓不同水平的仿真工程師參考和使用，為此，仿真分析規(guī)范應遵循以下編制原則：所規(guī)定的范圍、內容應力求完整；內容應力求清楚和準確；規(guī)范內容應充分考慮最新技術水平；規(guī)范能被未參加標準或規(guī)范編制的專業(yè)人員所理解。統(tǒng)一性規(guī)范或系列規(guī)范（或一項規(guī)范的不同部分）內，規(guī)范的文體和術語應保持一致。系列規(guī)范的每項規(guī)范（或一項規(guī)范的不同部分）的結構及其章節(jié)的編號應盡可能相同；類似的條款應使用類似的措辭起來表述，相同的條款應使用相同的措辭來表述；每項規(guī)范或系列規(guī)范（或一項規(guī)范的不同部分）內，對于同一個概念應使用同一個術語，對于已定義的概念應避免使

53、用同義詞，每個選用的術語應盡可能只有唯一含義。一致性如果有相應的國家、行業(yè)等標準文件，起草仿真分析規(guī)范時應以其為基礎并盡可能與其保持一致。適用性規(guī)范的內容應當便于實施，并且易于被其他的標準規(guī)范或文件參考或引用。規(guī)范修訂與完善CAE 仿真分析規(guī)范的建立不是一蹴而就的，而是一個逐步發(fā)展的過程，可以從最基本、最有把握的學科和專業(yè)開始，這些專業(yè)和學科一般有較為豐富的試驗測試數(shù)據(jù)、計算分析數(shù)據(jù)、質量事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)，產(chǎn)品設計也趨于成熟，因此，對仿真分析業(yè)務內容把握更可靠，在此基礎上制定 CAE 規(guī)范，并用規(guī)范指導分析就更可信。CAE 仿真分析規(guī)范的建立也不是一成不變的，而是一個不斷完善的過程，隨著計算機和仿

54、真技術的發(fā)展，當制定的仿真分析規(guī)范不再適應新的技術要求時，需要找出原來規(guī)范的不足和缺陷，并對仿真分析規(guī)范進行修訂與完善。參考文獻崔俊芝.計算機輔助工程（CAE）的現(xiàn)在和未來.計算機輔助設計與制造J，2000（6）：3-7.丁渭平. 汽車 CAE 技術M.成都：西南交通大學出版社，2010.第二部分：仿真分析規(guī)范編制指南仿真分析規(guī)范是企業(yè)的仿真技術水平的重要體現(xiàn)，需要企業(yè)投入大量的人力物力進行制定和完成；但同時仿真分析規(guī)范具有強烈的行業(yè)和企業(yè)特點，規(guī)范制定的主體和主導權一定在企業(yè)自身。因此，本指南的目標并非為企業(yè)制定具體的仿真分析規(guī)范條款，而是為企業(yè)提供制定仿真分析規(guī)范的方法論。該方法論建立在仿

55、真分析行業(yè)國內外標桿企業(yè)規(guī)范建立及演進歷史研究基礎之上，可為企業(yè)建立完整的、有效的、先進的仿真分析規(guī)范提供指導。同時，仿真分析行業(yè)之下細分專業(yè)學科眾多，并無一個規(guī)范可適用于所有專業(yè)學科；即使同一學科，因采用不同仿真軟件計算，因需要分析的具體對象存在的差別，也不存在同一規(guī)范放之四海而皆準的可能。由此可知，本仿真分析規(guī)范編制指南的撰寫雖然已進行了大量的總結、歸納和提煉，但仍需要繼續(xù)進行長期研究、循環(huán)迭代和提升。本冊指南屬于仿真指南編制工作第一期工程，包括結構靜強度、結構模態(tài)、氣動、散熱、天線電磁等不同專業(yè)學科章節(jié)內容，并包含一篇仿真分析規(guī)范范例汽車碰撞仿真分析規(guī)范樣例。其它學科和專業(yè)，將在后續(xù)工作

56、中繼續(xù)補充完善。第一章：結構靜強度仿真分析規(guī)范指南目標編制原則：對編寫或制定標準/規(guī)范的目標進行描述。參考格式：為了規(guī)范 XXX 結構靜強度有限元分析過程，特制訂本規(guī)范。通過規(guī)范的制定，使得不同工程師在參考本文件進行XXX 結構靜強度有限元分析時，得出的有限元分析結果具有高度的一致性，并保證仿真分析結果具有較高的分析精度。范圍編制原則：對標準/規(guī)范的適用范圍進行明確。參考格式：本規(guī)范/標準規(guī)定了 XXX 結構靜強度有限元分析的分析依據(jù)、分析流程、分析要求、分析類型、建模原則、結果評估、模型修正、結果輸出、數(shù)據(jù)處理、報告編寫等內容。本規(guī)范/標準適用于應用XXX 有限元分析軟件進行 XXX 結構靜

57、強度和剛度分析。規(guī)范性引用文件編制原則：將標準中引用的文件進行描述。參考格式：下列文件對于本文件的應用是必不可少的。凡是注明日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本標準。GB/T31054-2014 機械產(chǎn)品計算機輔助工程有限元數(shù)值計算術語； GB/T33582-2017 機械產(chǎn)品結構有限元力學分析通用規(guī)則； GB3100-1993 國際單位制及應用；GB3101-1993 有關量、單位和符號的一般原則；ASME V&V 10-2006 Guide for Verification and Validation in Compu

58、tational Solid Mechanics； ASME V&V 10.1-2012 An Illustration of the Concepts of Verification and ValidationIn Computational Solid Mechanics。術語和定義編制原則：對仿真分析規(guī)范中使用的主要術語進行描述和定義。參考格式：規(guī)定仿真分析規(guī)范中使用的主要術語，這些術語應該符合當前主流的仿真分析要求，部分術語如下所示。結構靜力學分析（structura lstatican alysis）:在靜態(tài)或可近似靜態(tài)載荷作用下，不考慮時間參數(shù)影響的結構響應分析；有限元建模（fi

59、nite element modeling）：構建有限元模型的過程，包括幾何模型構建及處理、材料屬性定義、網(wǎng)格劃分、邊界（載荷）條件施加、求解參數(shù)設置等步驟；其它定義和術語參見本指南通則部分內容。通用規(guī)則坐標系對有限元建模采用的坐標系進行描述，坐標系由右手定則來確定，宜采用笛卡爾坐標系直角坐標系，必要時可選用柱坐標系或球坐標系。有限元分析建模時應定義全局坐標系，當模型載荷、約束或結果顯示需求與全局坐標系不一致時，可增加局部坐標系。單位制編制原則：規(guī)定仿真分析規(guī)范中使用的單位制，單位制應該統(tǒng)一且簡潔。一般情況下，工程上建議使用常用單位制，如 HYPERLINK l _bookmark146 附表

60、 1、 HYPERLINK l _bookmark147 附表 2。材料要素編制原則：對仿真計算中所用到的材料進行說明。金屬材料編制原則/參考格式：對分析中所涉及的金屬材料的要素進行說明。金屬材料一般需要考慮的要素包括：按各向同性材料考慮；材料進入屈服要考慮塑性；常用材料性能，包括密度、彈性模量、剪切模量、泊松比、屈服極限、極限強度和延伸率等；熱環(huán)境條件下應考慮材料線膨脹系數(shù)及溫度對材料性能的影響；注意材料熱處理狀態(tài)，及不同狀態(tài)下的材料性能。彈性性能金屬材料選擇各向同性材料（Isotropic），彈性性能應定義彈性模量 E 、剪切模量G 、泊松比v 。金屬材料參數(shù)應滿足公式（1）的約束條件。E