CAD参数化模型库管理解决方案

铁路行业CAD建模需求

      传统的CAD建模所构造的产品模型是几何图像（如点、线、面、体）的简单堆叠，仅仅描述了设计产品的可视化形式，而不包含设计者的设计思想，因此难以对产品模型进行改动，并生成新的产品实例模型。

       而对于铁路产品来说，大部分新产品都是改进型设计，尤其对于已经开展模块化和谱系化生产的企业来说，其大约70%的新产品的设计都是重复利用原有产品模型。因此，如何采用参数化建模技术来提高铁路产品建模设计效率，是铁路产品正向设计的研究重点之一。

安怀信CAD参数化模型库解决方案

       安怀信公司提供三维参数化CAD模型库咨询服务，基于用户已有的三维设计软件，为用户提供参数化CAD模型库建模的方式和咨询服务，指导用户进行模块化和参数化建模。同时，安怀信基于用户产品要求为用户搭建三维参数化模型库应用系统平台，使得用户在无需打开三维设计软件的情况下，通过修改系统界面设计参数即可完成产品设计和模型变更。

安怀信CAD参数化模型库案例                                                            
       

客户价值

• 加快产品设计速度：用户可基于模型库中的参数化模型，通过模块组合和设计参数变更快速生成产品设计模型，加快产品设计速度；
• 有助于方案选型：产品设计分为方案设计和详细设计两个阶段，方案设计阶段侧重于方案的快速生成，确定实现产品功能和性能所需要的设计参数，而三维参数化CAD模型库可以快速生成三维方案模型，有助于方案选型；
• 加快市场响应速度：对于快速投标项目，使用户快速生成设计方案，并快速对设计方案进行三维图形展示，占得投标先机；
• 有助于成本控制：企业的经济效益是首位的，成本控制至关重要，这就需要设计和生产中尽可能少的出现反复，将设计更改和定型尽量控制在设计前端，从而大大节约成本，为企业赢得效益；
• 有助于提升企业创新设计能力：通过参数化模型库的建立，加快了产品设计速度和效率，企业将有更多的时间和精力去研究新的产品，进而逐步提升企业的创新设计能力。

CAE参数化仿真模型库管理解决方案

铁路行业CAE仿真分析现状及需求

      对大多数铁路车辆仿真分析任务而言，有限元分析模型都是在车体产品的详细设计完成之后，依据三维实体设计模型结构在CAE有限元分析软件（或有限元前处理软件）中简化（比如“抽中面”、几何清理等）有限元实现的，在设计进行修改或变更时，有限元模型很难得到重复利用，需要重新进行有限元建模。并且，有些铁路产品设计还处于二维图纸设计状态（AutoCAD二维图纸），仿真部门需要依据二维图纸手工建成有相应的三维有限元分析模型，需要近一个月的时间，效率低下缓慢，且得到的模型更难重复利用。

      因此，如何快速、准确、高质量地进行有限元建模，以及如何提高有限元建模效率和重用性，一直铁路车辆是有限元仿真分析的研究重点之一。

安怀信CAE参数化模型库解决方案

      安怀信公司提供的CAE参数化模型库解决方案是PSDM（Parameters Simulation Data Manager）三维参数化仿真模型管理系统，其是基于企业已有的三维CAD设计软件，采用参数化和模块化的建模方式，搭建CAE仿真分析几何模型库，并基于用户已有的有限元分析软件（或有限元前处理软件）开发结构仿真分析流程模板，包括网格划分、材料、单元属性设置、载荷边界条件施加、工况设置、计算分析设置等，可快速生成有限元分析的前处理求解模型文件，提高有限元模型的建模效率和精度。

CAE参数化模型库系统应用案例

      基于PSDM系统，安怀信公司为中车集团某机车公司定制开发了25型车车体结构参数化仿真系统，创建和开发了25型车车体结构仿真分析几何模型库和仿真分析流程模板，可通过模块选配和参数变更快速生成变型产品25型车车体仿真分析几何模型，使原来需要1个月时间才能完成的仿真分析任务，缩短在5-10天之内，极大的提高了25型车车体有限元仿真分析建模效率。

25型车车体模型库创建

       根据25型车车体结构设计特点，基于CAD建模软件采用模块化和参数化相结合的技术，搭建25型车车体参数化有限元仿真分析几何模型库，通过模块选配和参数变更快速生成25型车车体结构仿真分析几何模型。

仿真分析流程模板

         仿真流程模板分为全自动建模过程和半自动建模过程两种模式，全自动建模过程将自动车体几何模型，并自动执有仿真流程模板的整个过程，包括几何清理、网格划分、材料、单元属性设置、载荷边界条件施加、工况设置、计算分析设置的等，自动输出前处理求解文件；半自动建模过程中，仿真流程模板的每个任务执行过程都可人工参与，有效保模型的精度和可靠性。

车体网格模型

仿真分析结果

系统价值

• 提高有限元分析效率:用户可基于参数化模型库中的参数化模型，通过参数变更即可快速生成相应的有限元仿真分析前处理几何模型，并基于定义好的仿真分析流程模板快速生成包含求解设置和工况条件的有限元网格模型，极大提高有限元建模效率，使原来需要一个月才能完成的任务在一周内完成。
• 保证有限元仿真分析精度:CAE参数化模型库集成了企业内部仿真部门经过验证的的规范和经验，其保证不同分析工程师得到的仿真结果是一样的，保证了仿真分析的精度。
• 提高有限元模型的重用性:参数化CAE模型库仿真流程模板基于抽象模型（虚拟模型）创建，可适用于不同的前处理几何模型，提高了CAE模型的重用性。
• 加快市场响应速度：对于快速投标项目，三维参数化CAE模型库可在原分析三分之一左右的时间内可完成相应产品的仿真分析，占得投标先机。
• 提高仿真部分在企业内部的地位：通过参数化模型库的建立，加快了仿真分析的效率和精度，提高了仿真部分在企业中的地位和作用。

• CAE结构静力学V&V验模解决方案

• 正向设计中的静力学仿真需求

  设计理念转变

  • 传统结构设计中主要采用保守设计方法设计，结构强度裕度较大，出现结构静力失效的问题也不突出，但保守设计已不能很好满足正向创新设计要求；
  • 正向创新设计要求，无论是从降低产品材料成本，还是从能源消耗经济性，又或者从产品的美观、易护性上，都对结构静力学性能提出了更加精益的要求，需要研发人员对产品的静力学性能研究达到更深入、更精确的要求，而不能只满足于结构的不失效。

  仿真与试验实现一体化

  • 改变仿真和试验两条平行线的状态，做到“仿真指导试验，试验确认仿真”的有效联合；
  • 通过仿真结果可以直接生成优化的试验方案，并符合试验人员的工作方式；
  • 试验结果可以直接被读取，实现自动数据插值转换，方便用于确认和修正仿真模型。

  高度智能的仿真模型修正方法

  • 可以快速对成百上千测点试验数据和仿真数据进行一致性分析，对仿真模型精度进行评估；
  • 通过适当的优化算法，对包含网格、载荷、材料、装配关系等一系列仿真参数进行自动/半自动修正，而不需要占用太多仿真分析人员人工时间；
  • 修正后的精确仿真模型应该具备与优化工具的接口，可直接高效应用于结构优化设计。

  与虚拟性能样机库集成

  • 静力学模型是企业虚拟性能样机库的重要组成部分，所有针对静力学模型的仿真、试验和V&V验证过程数据，都应该管理在虚拟性能样机库中，便于后期创新设计的复用。

  安怀信结构静力学V&V验模解决方案

  SimV&Ver Static是北京安怀信公司依照ASME V&V10（计算固体力学的验证和确认指南）标准要求，开发的一款结构静力学仿真模型验模工具，通过制定验模分析流程模板来指导用户完成仿真模型验证、确认及模型修正工作，在提高仿真分析精度的同时也提高验模的效率。SimV&Ver Static静力学验模工具包含以下模块：

  • CAST仿真试验结果一致性对比模块；
  • Updating仿真结果修正模块；
  • UQ不确定性量化分析模块；
  • C-SDM虚拟样机系统集成。

  SimV&Ver Static验模流程

  SimV&Ver Static静力学验模工具的工作流程如下：

  • 首先在一致性分析（CAST模块）模块中，读入需要修正的仿真模型，并根据仿真分析结果，在仿真结果文件上直接点选、创建试验测点，包括试验测点位置和测点类型（位移测点、应力测点等），并自动生成试验大纲，发布给试验人员。
  • 试验人员根据试验大纲进行试验，获得试验数据，传输回CAST模块；
  • CAST模块会自动读取和转换测点试验结果数据，并自动与仿真模型中相应单元/节点进行匹配，进行结果的一致性检查。如果仿真结果置信度足够高，则直接进入虚拟性能样机库，否则继续进入Updating修正模块。
  • Updating修正模块中，将会对仿真模型进行自动化模型自检、网格验证、求解器验证、参数敏感度分析、理想化假设验证等一系列自动验证工作，最终结果与试验结果再次进行一致性检查。置信度达到要求进入虚拟样机库，否则继续进行UQ不确定性量化分析。
  • UQ模块中，可以考虑输入参数的概率分布，及其导致的仿真结果概率分布和偏离，以概率方法确认仿真模型置信度区间是否可以接受，如果可以接受，则进入虚拟性能样机库。

    SimV&Ver Static在转向架仿真分析中的应用案例

    试验测点生成
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    仿真模型修正

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    生成虚拟样机模型

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    客户价值

    • 产品结构静力学特性被准确、清晰地仿真模拟，不再用保守设计，研发人员可以利用高置信度的静力学虚拟样机，进行高效准确的结构优化设计，大大降低产品成本和增强产品质量竞争力；
    • 实现了仿真和试验的一体化，达到了仿真指导试验、试验验证仿真的V&V流程目标；
    • 自动、快速的验模工具，同时集成了产品静力学模型验证的最佳实践知识，为企业进行新产品研发提供了标杆的仿真和验模模板；
    • 与C-SDM虚拟性能样机库结合，形成企业产品各层级的静力学虚拟样机，是企业的核心静力学性能大数据。

     

    CAE结构动力学V&V解决方案

    产品动力学性能设计现状及问题

    • 产品结构设计失效，绝大部分问题出在动力学设计缺陷上；
    • 动力学缺陷给产品带来的失效往往是破坏性的；
    • 相对于静力学仿真的成熟准确，动力学建模和仿真往往更加困难；
    • 静力学设计可以通过安全系数冗余来保证，但动力学设计却没有好的办法，只能通过准确的仿真；
    • 动力学试验往往需要大型试验设备，周期长成本高；
    • 振动试验与仿真结果的对比和修正非常困难，难以对动力学模型进行修正和优化。

    安怀信结构动力学V&V验模解决方案

          安怀信公司提供的结构动力学V&V验模软件是SimV&Ver Vibrant，其是由Vibrant Technology公司提供的一个动力学软件包家族系列，包含多个软件选项，其是基于Windows的试验后处理分析工具软件包，可以帮助用户观察、分析和存档机器和机械结构的动力学行为；并能对结构动力学性能进行快速优化，并利用物理试验数据，对动力学模型进行修正，提升动力学模型的性能预测精度。

    SimV&Ver Vibrant功能介绍

    ODS工作变形形状分析

          ODS（Operation Deflection Shape，工作变形形状）是一种观察机器结构在工作过程中是如何运动的最简单的方式，用于观察和分析机械或结构的振动和噪声问题，并通过调节光标来实现交互式扫描，驻留或静态动画显示。软件包括基于时域的和基于频域两种动画显示形式。

    VPH便携式动力学试验测试设备

          SimV&Ver Vibrant软件自带有便携式VPH振动测试硬件工具箱，工具箱可用于解决结构的实验模态、振动和噪声问题分析。

    • 具有4-32个可同时工作的数据采集通道，动画中显示工作变形或模态振型；
    • VPH工具箱也可以用于短期或者长期的机器健康监测和结构健康监测；
    • VPH便携式硬件模块包含SSD计算机、电源浪涌保护、无线或手机调制解调器、多通道同时采集系统、外部BNC连接器、外部USB&以太网连接器或其他网络连接选项。

       

    方便的3D试验模型建模方式

    软件创建3D模型具备以下三种方式：

    • 软件直接建模，模型可以是线模型（点&线），表面模型、变形表面模型、逼真的模型等；
    • 可以导入FEA&CAD模型；
    • 通过三维相机扫描、图片等导入逼真的模型，提供真实的对象。

      EMA/OMA试验模态分析

      软件提供三种试验模态分析方法，分别为EMA快速拟合模态分析、OMA工作模态分析及

      多参考模态分析三种模态分析类型。

      MIMO动力学传函建模与仿真

      MIMO适用于多点激励情况，利用多输入多输出矩阵计算多点激励情况下的系统响应。能够计算得到MIMO FRFs,多点或部分相干函数。

      FEA Model Updating 动力学有限元模型修正

      FEA Model Updating模块可以帮助用户建立FEA模型，或从外部导入FEA模型，并在模态试验前求解其模态，对FEA模型结果与试验结果直接进行对比，并通过调整FEA模型的参数对FEA模型进行修正，使之最接近于试验数据结果。

      声振耦合分析

      • 可以在同一个动画图形中通过显示振动和声学数据，来分析声学-振动问题，对声强、声压级（SPL）、声功率进行后处理与显示；
      • 声强可以使用2-4个通道的采集探头和一个多通道的采集系统来进行测量，每一个声强的测量结果都可以处理成垂直于声学网格或者表面，或者在每个网格点的三个方向（三个轴方向）；
      • 流过一个声学表面的声功率可以通过声强数据进行计算。声功率可以在声学表面以彩图进行显示。

    

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      虚拟样机数据管理解决方案

      仿真数据管理系统需求

                随着计算机技术和CAE仿真技术水平的不断提高，CAE仿真技术在铁路行业方面的在应用也越来越多，国内外的仿真界已经达成共识：没有经过验证的仿真模型没有任何价值，没有经过可信性评估的仿真系统也没有任何价值。工程实践也表明：要想让仿真系统真正具有生命力，必须对仿真系统进行可信性研究，仿真的可信性研究又常称为“验证与确认（Verification & Validation，简称V&V）”。同时，仿真技术同设计一样是一项知识密集型的活动，必须进行不断的积累、尝试、总结和修正，而这些过程是非常重要的智力资产，是宝贵的知识库，必须通过有效的管理手段对这些知识进行固化和规范，才能对后续的仿真能力和质量提升提供有效的帮助。因此，如何积累和管理虚拟样机仿真分析数据，提前对性能仿真和试验做出合理规划，并能在新产品设计过程中，利用高精度的虚拟样机及仿真规范对新设计进行精确快速的性能预测，是正向设计研发流程研究热点之一。

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      优势与价值

      建立企业产品仿真性能大数据：

              ㆍ企业产品体系的性能know-how，按照层级、学科、建模工具、置信度水平进行了全面管理；

              ㆍ性能大数据库是企业所有创新的基础。

      高精度仿真驱动设计

              ㆍ具备高置信度的模型才能指导优化设计；

              ㆍ形成企业仿真规范，指导所有仿真人员获得一致、可靠的仿真结果和性能预测。

      仿真与实验紧密集成

              ㆍ准确的仿真能够指导生成最有效的实验方案，从而大大降低实验成本和周期；

              ㆍ实验数据的采集有效验证仿真模型的置信度。

      性能仿真知识管理和重用

              ㆍ是唯一从仿真部门角度管理产品系统性能数据的工具，而不是从结构树或者单一仿真过程；

              ㆍ产品级仿真、部件级仿真、基础仿真数据重用。                                                                       <到此结束，感谢您的阅读！>