SimXpert

70MSCSimXpert新一代企业级多学科仿真分析与流程自动化平台一.VPD技术驱动企业创新同行业产品的激烈竞争、利润压力的挑战、消费者对产品要求的不断提升、产品设计的日趋复杂、产品市场与世界的同步和接轨，这些因素都迫使各行业的制造商不断改进设计手段，从而缩短产品开发周期，进一步节约开发成本，加速技术创新，提高产品质量。VPD技术是MSC公司针对制造行业在产品开发、产品制造、供应链管理、协同开发、市场竞争和用户要求等环节所面对的迫切而苛刻的要求，提出的切实可行、具有革命性的技术方案。VPD技术涉及多体系统动力学、计算结构动力学、传热、疲劳、流体、控制、计算方法与软件工程等学科。它利用计算机仿真技术建立与物理样机相对应的模型，通过对模型进行评估和测试，获取候选物理模型设计方案的特性，为设计和制造提供参数依据。虚拟样机环境可以集成不同学科的模型，利用仿真分析指导设计人员将设计思路转化为原型，发现设计中的问题。再通过对子系统的优化、集成和仿真分析还能得到样机的性能描述，从而提高样机模型开发的效费比，缩短新产品的研制周期。由于利用先进的VPD技术，可在产品设计阶段预测其动态性能，找出潜在的设计缺陷并获得最佳的设计方案，MSC公司的VPD技术已经广泛地应用于航空航天、汽车、船舶、电子、铁道、一般机械、土木建筑等行业。越来越多的企业依靠采用MSC公司的VPD技术，加速产品技术革新，缩短产品开发周期，减少对费钱、费时的物理试验的依赖，更加快速地响应市场，提高了企业的市场竞争力。二.企业级多学科仿真的需求与挑战顺畅的CAE流程是缩短设计周期、提升产品质量、加速创新和增强竞争力的关键。然而，现今的专业分析师普遍采用专门的单学科分析工具或通常意义上的多场求解工具独自工作。由于多学科集成与企业协作的缺乏，导致的信息丢失、分析效率低、不完备的数据转换和针对不同分析需要建立不同模型等问题，直接制约着仿真效率和性能。为了从根本上提升生产力水平和更精确地分析“真实世界”问题，制造商们必须重视协同的解决方案（即全新的、集成的CAE方案），革新多学科集成、CAD集成、仿真流程和企业协作等诸多方面。传统单学科分析工具在企业用户新的需求下遭遇到了功能上的瓶颈：♦不完全的耦合和复杂的数据转换工程师们一般都使用单学科点分析工具或通常意义上的多场求解工具。由于从事不同学科的工程师采用各自的分析工具和数据模型进行独立的分析计算，难于实现真正的一体化多学科仿真。在需要考虑学科之间的耦合作用进行多学科集成仿真的时候，就只能通过分析工具之间的数据接口进行“联合仿真”。这种联合仿真方式有两个主要缺点：学科之间的集成和耦合非常有限；大量的数据模型转换会影响到分析的精度和效率。工程师们将过多的时间花费在数据转换等没有附加值的工作上，大量的数据转换过程还极易导致信息丢失，最致命的缺陷是这种方法无法从根本上帮助工程师在分析中全面考虑各学科之间的耦合作用和影响。♦多重用户环境众多的单学科点分析工具也使得工程师们大为头疼。每种分析工具都有各自风格的操作界面和分析环境，形成了多重用户环境，而每种分析工具对于从事其它学科的技术人员而言又过于专业和复杂。例如，一名从事结构分析的、熟悉MSCPatran操作环境的工程师，要进行刚弹耦合的多学科分析，他需要再花费大量的时间和精力去掌握机构动力学分析工具Adams/View。这种现状既限制了不同领域工程师之间的协作和交流，又制约了仿真分析的效率，阻碍了仿真分析效益的提高。71♦不完善的数据管理这些相互之间没有联接的单学科点仿真工具形成了分析计算的“孤岛”，多重用户环境和不同数据格式的存在导致仿真缺乏关联性和一致性。企业无法有效地组织、管理和重用仿真数据及追溯数据谱系。♦有限的CAD与CAE集成传统的单学科点分析工具在导入CAD模型时都需要数据格式的转换，CAE工具与CAD之间缺乏互动，转换和导入CAD模型的效率低下，模型的精度还会有不同程度的损失。这势必影响设计与分析过程，致使设计流程不畅，妨碍设计人员和分析人员之间的协作，构筑起设计与分析之间难以逾越的高墙。♦知识积累与重用的缺失仿真分析的结果受到工程师经验、水平和所采用的分析流程的制约。即使给定相同的模型和计算条件，各个工程师的分析结果也可能大相径庭，降低了分析结果的置信度。因此，企业迫切地需要规范分析者的流程，加强工程师之间的交流。虽然企业中分析流程是具有共性的、重复性的，但是传统分析工具的最大弱点就在于，不能有效的积累与传播企业内部专家级工程师的实践分析经验，无法形成专家级的知识库，阻碍了知识的继承和仿真流程的重用。所以现今的大多数企业只能通过制定企业规范在分析流程上加以引导，却无法快速地把老工程师的经验传递给新手，无法共享知识，大量类似的分析工作需要重起炉灶。由于知识库的缺失，分析工程师的流动会给企业带来长远的负面影响。仿真分析结果的置信度受到不同分析流程的制约♦手动分析流程限制分析效率目前大多数仿真分析工作需要工程师逐步地手动进行，致使工程师的工作量太大，过于疲劳就很难提高分析效率。企业迫切期待能够实现分析流程的自动化。单点分析工具用户环境的多样和学科集成的不完全，CAD-CAE之间转化的复杂、互动的空白，重用分析流程和数据的困难，分析人员之间、设计人员与分析人员之间协作和交流的缺乏，都直接制约着提升仿真分析水平和VPD应用效益。VPD技术所遇到的全新需求和挑战，预示着一次革命性的突破即将到来。三.企业级多学科仿真分析平台特点解决以上需求的新一代企业级多学科仿真分析平台应该具备以下功能：♦消除传统意义上“多学科联合仿真”中模型数据的转换，多学科分析基于共同的数据模型；♦具有统一的用户环境，在同一平台下进行多学科分析，降低用户环境和界面的复杂程度，减少甚至消除用户熟悉不同环境所需的时间；♦充分兼容传统单点分析工具的分析模型和数据，保护客户的既有投资；♦架构开放，便于集成第三方软件或用户自由扩展；♦加强与CAD软件之间的集成与互动，进行无缝的数据转换，提高模型导入精度；♦促进分析人员之间、设计与分析之间的交流和协作；疏通设计——分析流程；方便应用设计人员的数据模型；♦定制仿真分析流程，制定企业仿真分析规范；♦仿真分析流程运行方式灵活，可重复性好，实现仿真分析的自动化；♦有效地组织和管理仿真数据和流程，即能与企业数据管理系统（如MSCSimManager）整合，从而建立企业知识库，提高企业知识共享和重用的水平。四.全新企业级多学科仿真分析平台SimXpert顺应企业多学科仿真的需求，MSC公司集四十余年VPD行业经验和精髓，经过数年打造和锤炼，于2006年9月推出全新力作SimXpert，帮助用户全面实现CAE的协同仿真。作为针对企业分析工程师量身定制的下一代多学科仿真平台，MSCSimXpert一经发布便因与众不同的功能而备受瞩目。72SimXpert帮助工程师在完整而统一的架构和界面环境下，基于共同的数据模型实现多学科联合仿真；它支持多种CAD软件，能直接访问模型或进行双向互动；与MSC早期针对设计人员定制的、嵌入CAD平台的分析工具SimDesigner无缝集成，完全兼容和支持SimDesigner的分析模型，使分析——设计之间的交流更顺畅；它具有先进的仿真流程定制功能，能够捕获、积累和重用知识，实现仿真流程自动化；它与MSC企业仿真管理平台SimManager完全集成，由SimManager进行仿真流程和数据的管理，加强了人员之间的协作。4.1统一的用户环境统一的用户环境统一的用户环境统一的用户环境统一的用户环境不同于传统单点分析工具造成的多重用户环境，MSCSimXpert致力于构建统一的用户环境和操作界面，使得不同学科的分析，如结构分析、机构动力学、传热、碰撞等都能够在同一完整的分析环境下完成，这无疑方便了用户，节省了学习不同软件所需的大量时间，降低了软件起步门槛。SimXpert的多学科分析环境，是通过集成多个学科各自对应的Workspace实现的。分析工程师在SimXpert中就可以完成仿真分析的全过程——即完成建模、求解、结果后处理、报告生成，这都在一个集成的Workspace环境中完成。通过内部集成的高级结构分析、高级机构动力学分析、高级热分析、高级碰撞分析、高级显式非线性分析等功能，分析工程师可以针对共同的分析模型，无需来回切换界面，在统一的用户界面方便地执行多种学科耦合分析，如热机耦合分析、刚弹耦合分析等。这种高效直观的界面操作风格使得分析工程师可以在更短的时间内实现更大型、更复杂真实问题的数值仿真和求解。用户可以在具有一致界面风格的Workspace之间切换以进行多学科分析SimXpert各个Workspace具有一致的界面风格，并集成了MSC的高级求解器，形成了完整的协同仿真架构。仿真模型所包含的数据，如载荷/边界条件、材料、初始条件、状态信息等可以在各Workspace之间进行无缝交换，实现真正的多学科联合仿真。目前SimXpert中集成的Workspace有：♦高级结构分析高级结构分析高级结构分析高级结构分析高级结构分析——StructuresWorkspace，它包含完整的线性、非线性有限元建模功能，如网格划分、编辑和变形，单元、材料、载荷/边界条件定义等。用户在StructureWorkspace里可以实现各类结构分析，包括线性、非线性、静力分析、模态分析、屈曲分析、频率响应、瞬态响应、接触分析、拓扑优化等。♦高级热分析高级热分析高级热分析高级热分析高级热分析——ThermalWorkspace，它提供完整的有限元热分析功能，如稳态/瞬态传热分析、热传导、自由/强迫对流分析、热辐射以及热机耦合分析等。。♦高级机构动力学分析高级机构动力学分析高级机构动力学分析高级机构动力学分析高级机构动力学分析——MotionWorkspace，它提供完整的、包含刚体和柔性体在内的多体动力学系统仿真功能。73用户可以通过MotionWorkspace建立机械系统的虚拟样机，进行静力学、准静力学、运动学和完整系统的动力学仿真，得到整个系统性能的数据和精确的载荷预报。♦高级碰撞分析高级碰撞分析高级碰撞分析高级碰撞分析高级碰撞分析——CrashWorkspace，是SimXpert的通用显式非线性分析环境，尤其适合汽车行业的汽车安全性分析。利用强大的建模功能和集成的高级显式非线性求解器LS-DYNA，用户可以分析跌落、碰撞等瞬态非线性问题，研究复杂有限元模型的防撞性和安全性问题，如假人模型的定位、安全带和气囊的展开等。♦高级显式非线性分析高级显式非线性分析高级显式非线性分析高级显式非线性分析高级显式非线性分析——MDExplicitWorkspace，是SimXpert另一个通用显式非线性分析环境，它依靠集成MDNastranSOL700求解器进行显式瞬态分析。♦高级仿真模板定制环境高级仿真模板定制环境高级仿真模板定制环境高级仿真模板定制环境高级仿真模板定制环境——TemplateBuilderWorkspace，是专门定制、发布仿真分析流程的Workspace。用户通过简单的拖拽式操作即可快速完成仿真模板的制作。通过编写Python脚本，用户还可以定制新的功能、生成复杂的作业流程。由于提供了SimManager接口，用户还可以与SimManager数据库交互，发布或取回模板。♦高级系统与控制仿真高级系统与控制仿真高级系统与控制仿真高级系统与控制仿真高级系统与控制仿真——Systems&ControlsWorkspace，它提供了强大的系统建模与控制仿真功能。它包含多领域应用库，集成了Simulink。由于以Easy5为运算内核，它可以导入、重用目前Easy5的模型、库、数据，对模型做机械、电气、液压、风动、热、气体动力、动力、汽车动力学等诸多方面的仿真分析。SimXpert具有开放的架构，允许用户集成第三方软件或自研软件，还可以通过定制功能创建用户定制的Workspace。在MSC公司未来发布的SimXpert版本中，还将进一步加入Aeroelasticity（气弹