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  • AIFEM——智能結構仿真軟件

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    AIFEM是由南京天洑軟件有限公司自研的一款智能化、全流程有限元分析軟件。AIFEM在軟件需求分析階段即開始融入工業智能化、數字孿生和數據驅動的元素,著力實現基于數值仿真計算、參數敏感性分析和數值試驗數據庫的產品數字化模型。

    面向工程應用,AIFEM具備模型修復和網格自動劃分功能,最大限度減輕工程師前處理工作量;具有豐富的單元類型和材料本構方程,方便進行固體力學、結構力學、傳熱和電磁計算分析;在多物理場耦合分析領域,提供顫振、陣風響應和靜氣彈等計算功能。幫助工業企業有效地建立設計、仿真和優化相結合的一體化流程,提高產品的研發效率。


    主要特色


    (1)多領域通用功能和專業精細分支有機結合,精簡技術需求粒度,面向工程實際,提供簡潔、高效的仿真分析和設計優化工具。

    (2)整理、歸納了有重要實踐指導意義的理論解、大量公開試驗數據和公認可靠的數值分析數據,對求解器進行充分的確認驗證,力求用戶對數據的精準度、可靠性有定量、深入的理解和把握。

    (3)深入調查一線工程師的使用需求和使用習慣,優化軟件使用流程、數據庫存儲和相關數據統計分析,著力消除工程師需要反復處理的重復性工作。


    功能概述


    (1)清晰的仿真流程

    AIFEM提供了從幾何導入、網格劃分、求解設定到后處理可視化的一整套完整清晰的仿真工作流程。所有流程均在一個圖形交互界面內完成,不需要頻繁切換。求解設置也遵循了設計仿真人員的工作習慣,從材料屬性定義、截面屬性定義、分析類型定義、載荷定義、邊界約束條件定義到計算求解設定再到計算過程監測一氣呵成。用戶只需要通過對必要參數的基本設置即可自動完成整個仿真過程,對設計仿真人員非常友好。

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    圖1 清晰的仿真流程

    (2)豐富的有限元分析功能

    AIFEM提供了工業設計和工程仿真中常用的有限元分析功能。包括靜力學分析、慣性釋放、模態分析、屈曲分析、諧響應分析、彈塑性分析、瞬態分析(時域法和模態法)等力學分析功能。同時AIFEM提供了穩態熱傳導分析(包括線性分析和非線性分析)、穩態熱輻射分析、瞬態線性熱傳導分析等熱分析功能。另外AIFEM可以處理包括顫振、陣風響應、靜氣彈和熱氣彈等多物理場耦合分析問題。并提供了基于簡單的光學方法和初始矩量法的計算電磁學功能。

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    圖2  豐富的有限元分析功能

    軟件同時支持導入市面上現有的三維模型的多種格式,以及通過商用軟件進行劃分好網格的有限元模型,使得仿真工作更加精細。極大地緩解后期由于網格畸變帶來的困擾。

    在自動劃分網格時,能通過曲率以及最小幾何尺寸來劃分網格進行疏密調整。同時軟件自帶網格質量檢查功能,例如:長寬比、翹曲、坍塌比、最小邊等。

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    圖3 強大的網格劃分功能

    AIFEM具備完備的前后處理功能,前處理模塊提供分析類型、網格劃分、截面屬性、材料屬性、接觸屬性、邊界條件、載荷施加和求解設定等功能,支持創建材料的同時保存到材料庫,方便用戶定義自己的材料庫。后處理模塊提供了豐富的包括云圖、圖表、結果對比等便捷的可視化功能。

    (3)快速智能有限元分析和實時仿真

    目前商用有限元分析軟件的仿真時間較長,AIFEM采用了人工智能的技術加速有限元分析計算,大大提高了有限元分析效率。對于特定的分析類型,通過有限元分析技術和人工智能技術的深度結合實現實時仿真,從而使AIFEM可以作為設計人員日常使用的智能仿真工具。

    (4)通用性和可擴展性

    AIFEM作為一款通用的有限元分析軟件,可以應用到航空航天、船舶海洋工程、能源動力以及汽車等諸多工業領域。軟件自帶的腳本語言支持客戶進行二次開發和定制化,具有較強的可擴展性。

    (5)友好的人機交互界面,跨平臺支持

    AIFEM提供了基于客戶端的圖形界面,支持CPU并行,可滿足復雜重量級的有限元分析要求。支持跨平臺即同時支持Windows和Linux操作系統。


    精度驗證


    (1)Delta機翼靜力學分析

    X方向為機翼展向,Y為流向,Z為機翼厚度方向。由于Delta機翼在X和Z方向的對稱性,只建立1/4幾何模型。

    機翼蒙皮采用四邊形殼單元;機翼前緣采用三角形殼單元;梁和肋采用四邊形受剪殼單元;梁、肋交線用桿單元。(*下折線圖左為前緣集中載荷,圖右為尾緣集中載荷)

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    拼圖6.jpg

    圖4 AIFEM計算結果與試驗數據對比

    (2)三維實體靜力學分析

    AIFEM有限元模型如下:

    三維長方形實體模型:(L,w,h)=(20,4,16);在長方形一端施加力矩:My=2.048e3;其余邊界固定;采用六面體單元。AIFEM計算結果與理論分析數據對比如下。通過理論分析方法計算出各個節點的位移以及單元中心處的應力;AIFEM的應力值為單元平均值。

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    圖5 AIFEM計算結果與理論分析數據對比

    (3)模態分析

    AIFEM有限元模型如下:三維平板:(L,w,h)=(20,20,1);四個邊界為鉸接;彈性模量:3.0e7,泊松比:0.3;采用四邊形單元。

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    圖6 AIFEM計算結果與理論分析數據對比

    AIFEM計算結果與理論分析數據對比如下:第1至3階模態振型如上圖所示;第1至3階模態固有頻率的理論分析數據與AIFEM不同網格的計算結果見下表。

    Mode
    THEORY
    AIFEM(粗網格)
    AIFEM(細網格)
    1
    0.9069
    0.9056
    0.9066
    2
    2.2672
    2.2634
    2.2663
    3
    4.5345
    4.5329
    4.5340

    (4) 屈曲分析

    AIFEM有限元模型如下:

    幾何外形:圓柱面;圓柱半徑、高度和厚度(R,H,T)=(80,50,2.5);高度方向兩個邊界沒有軸向位移;采用圓柱坐標系下的三角形單元。

    AIFEM計算結果如下:

    進行特征值分析,獲得前四階模態特征值和特征向量;前三階模態振型如下圖:

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    針對每個模態分別計算其對應的臨界載荷;AIFEM前四階模態臨界載荷數據與理論分析數據對比如圖所示。

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    圖7  AIFEM計算結果與理論分析數據對比

    (5) 螺旋槳諧響應分析

    AIFEM有限元模型:

    建立螺旋槳槳葉的簡化建模:槳葉和槳盤均取中弧面幾何形狀;非定常氣動載荷的頻率為133.3Hz;采用圓柱坐標下的三角形單元。

    圖12.png

    圖8 AIFEM計算網格

    進行特征分析,計算了槳葉18階模態;根據模態計算結果,計算槳葉對非定常氣動載荷的響應;槳葉變形位移和正應力分布云圖如下圖所示。

    拼圖14.png

    圖9 AIFEM計算結果



    應用案例


    (1)蝸殼靜力學分析

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    圖10 蝸殼靜力分析位移云圖

    (2)風扇模擬分析

    圖16.png

    圖11 風扇模擬分析位移云圖

    (3)變幅桿諧響應分析

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    圖12 變幅桿諧響應分析位移云圖

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    圖13 變幅桿諧響應分析位移-頻率圖

    (4)易拉罐屈曲分析

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    圖14 變幅桿諧響應分析位移云圖

    當前版本功能主要包括:靜力分析、模態分析、諧響應分析、屈曲分析、熱分析、譜分析、隨機振動分析、智能加速等。電磁計算和多物理場耦合分析功能也將陸續發布。

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