虛擬樣機(jī)技術(shù)在流體機(jī)械中的應(yīng)用

虛擬樣機(jī)技術(shù)在流體機(jī)械中的應(yīng)用第1頁(yè)，課件共14頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

2.虛擬樣機(jī)技術(shù)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

虛擬樣機(jī)技術(shù)于九十年代初開始發(fā)展，其研究和應(yīng)用迅速得到許多研究機(jī)構(gòu)及軟件供應(yīng)商的重視。虛擬樣機(jī)技術(shù)在一些較發(fā)達(dá)國(guó)家，如美國(guó)、德國(guó)、日本等已得到廣泛的應(yīng)用，應(yīng)用領(lǐng)域從汽車制造業(yè)、工程機(jī)械、航空航天業(yè)、造船業(yè)、機(jī)械電子工業(yè)、國(guó)防工業(yè)、通用機(jī)械到人機(jī)工程學(xué)、生物力學(xué)、醫(yī)學(xué)以及工程咨詢等很多方面。目前國(guó)外虛擬樣機(jī)相關(guān)技術(shù)的軟件化過程已經(jīng)完成，較有影響的有美國(guó)機(jī)械動(dòng)力公司（MechanicalDynamicsInc，MDI）的ADAMS，CADSI的DADS，德國(guó)航天局的SIMPACK，其它還有WorkingModel、FLOW3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、Nastran等等。

國(guó)內(nèi)虛擬樣機(jī)技術(shù)的應(yīng)用研究處于起步階段，一些大學(xué)和科研院所正在進(jìn)行這一方面的工作，主要是對(duì)虛擬樣機(jī)概念和結(jié)構(gòu)的研究，對(duì)虛擬樣機(jī)要求的相關(guān)技術(shù)如數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布交互仿真技術(shù)等已有一定的基礎(chǔ)。如將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)、武器裝備、機(jī)械系統(tǒng)等方面的研究，但整體上與國(guó)外相比還有很大差距。第2頁(yè)，課件共14頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.虛擬樣機(jī)技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)的核心是多體運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)建模理論及其技術(shù)實(shí)現(xiàn)，但其并非為單純的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，而是多種技術(shù)的綜合。虛擬樣機(jī)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)包括計(jì)算機(jī)輔助建模技術(shù)、有限元分析技術(shù)、優(yōu)化分析技術(shù)等，虛擬樣機(jī)技術(shù)，其基本組成框架如圖1所示。第3頁(yè)，課件共14頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型分析幾何建模CAD有限元分析FEA優(yōu)化分析技術(shù)控制系統(tǒng)建模驅(qū)動(dòng)元件建模圖1虛擬樣機(jī)技術(shù)的基本組成第4頁(yè)，課件共14頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月虛擬樣機(jī)技術(shù)在流體機(jī)械中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：

1、建立流體機(jī)械的虛擬樣機(jī)模型，進(jìn)行機(jī)械運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)仿真分析；

2、基于CFD技術(shù)的流場(chǎng)分析，掌握其內(nèi)部流場(chǎng)分布規(guī)律，從而改進(jìn)其性能和結(jié)構(gòu)；

3、建立流體機(jī)械的多場(chǎng)耦合模型，對(duì)其分析考察并準(zhǔn)確地表達(dá)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能，得出有意義的結(jié)論。二、虛擬樣機(jī)技術(shù)在流體機(jī)械中的應(yīng)用第5頁(yè)，課件共14頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1.機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析圖2模擬實(shí)際工況的葉片動(dòng)力學(xué)分析第6頁(yè)，課件共14頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1、利用Adams建立流體機(jī)械的“虛擬樣機(jī)”，在真實(shí)工作條件下真實(shí)地模擬機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)，并且快速分析比較各種設(shè)計(jì)，直到獲得最佳的設(shè)計(jì)方案，從而減少昂貴的物理樣機(jī)、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平，大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和開發(fā)成本。圖2為模擬實(shí)際工況對(duì)風(fēng)力發(fā)電裝置葉片轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)加速度及受力和葉片速度等項(xiàng)指標(biāo)的仿真分析。2、利用MSCNastran或ansys進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、動(dòng)力、隨機(jī)振動(dòng)、頻譜響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、非線性、轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)、參數(shù)及拓?fù)鋬?yōu)化、氣動(dòng)彈性等全面的仿真分析。圖3、圖4為壓縮機(jī)缸蓋螺栓應(yīng)力分析及某轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)分析。3、當(dāng)然還有其它仿真軟件，主要有：利用MSCDytran進(jìn)行高度非線性的動(dòng)態(tài)分析；利用MSCFatigue進(jìn)行高級(jí)疲勞分析等等。第7頁(yè)，課件共14頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月圖3壓縮機(jī)缸蓋螺栓擰緊時(shí)的應(yīng)力分析圖4某轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)分析第8頁(yè)，課件共14頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.基于CFD的流場(chǎng)分析

目前，利用計(jì)算流體力學(xué)（CFD）進(jìn)行數(shù)值模擬已經(jīng)成為研究流體機(jī)械內(nèi)部流動(dòng)狀況的重要手段。常用的流體分析軟件是Fluent、ansys等，對(duì)流體機(jī)械內(nèi)部溫度分布、流速分布、壓力分布等進(jìn)行模擬仿真，為產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和性能的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論依據(jù)。圖5、圖6為CFD分析的實(shí)例。

圖5某渦輪機(jī)內(nèi)部流場(chǎng)（溫度）的分析

圖6某流化床鍋爐內(nèi)部流場(chǎng)（濃度）的分析第9頁(yè)，課件共14頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3.多物理仿真分析

現(xiàn)代流體機(jī)械對(duì)部件的氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、傳熱設(shè)計(jì)提出了更高的目標(biāo)，因此必須針對(duì)流體機(jī)械部件特點(diǎn)，綜合采用氣動(dòng)、傳熱、結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度、控制等多學(xué)科耦合求解的方法，實(shí)現(xiàn)多科的綜合優(yōu)化，如圖7所示。

圖7流體機(jī)械的多學(xué)科交叉、耦合第10頁(yè)，課件共14頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月常用的多物理仿真軟件有simulationX、Dymola、COMSOLMultiphysics等,圖8為simulationX在船艦工程中的應(yīng)用實(shí)例。圖8多物理仿真軟件在船艦工程中的應(yīng)用第11頁(yè)，課件共14頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、當(dāng)前研究的熱點(diǎn)及未來發(fā)展方向

國(guó)內(nèi)在虛擬樣機(jī)技術(shù)領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了不少成績(jī)，主要有清華大學(xué)國(guó)家CIMS中心的鐵路機(jī)車車輛虛擬樣機(jī)系統(tǒng)；浙江大學(xué)基于多體系統(tǒng)的虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)求解器設(shè)計(jì)與開發(fā)；基于交互驅(qū)動(dòng)的虛擬樣機(jī)動(dòng)力學(xué)分析平臺(tái)開發(fā)；產(chǎn)品可裝配性檢查與裝配規(guī)劃軟件系統(tǒng)；虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析平臺(tái)開發(fā)；同濟(jì)大學(xué)基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的汽車開發(fā)設(shè)計(jì)與分析平臺(tái)；不少高校已開發(fā)出流體機(jī)械方面的數(shù)字化設(shè)計(jì)制造平臺(tái)等等。目前虛擬樣機(jī)研究的熱點(diǎn)為各種軟件聯(lián)合仿真、多物理仿真及基于虛擬樣機(jī)的各種軟件平臺(tái)的開發(fā)，這方面有很多論文可查。虛擬樣機(jī)未來的發(fā)展方向是多學(xué)科、多領(lǐng)域的協(xié)同仿真平臺(tái)的開發(fā)，其基本框架如圖9所示，是一個(gè)集成多學(xué)科、多領(lǐng)域知識(shí)的智能開發(fā)平臺(tái)。第12頁(yè)，課件共14頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月虛擬樣機(jī)強(qiáng)度剛度計(jì)算模態(tài)分析熱分析電磁兼容分析流場(chǎng)分析CFD可制造性分析