AIFEM——智能结构仿真软件

未标题-1.png

AIFEM由南京天洑软件有限公司自主研发的一款通用的、智能的、新一代有限元分析(FEM)软件。软件致力于实现通用FEM软件的国产化替代,协助设计师、CAE工程师等用户解决固体结构相关的静力学、动力学、振动、热力学等实际工程问题。同时,软件结合天洑特色的AI智能加速、数字孪生建模、智能优化等技术,提供快速且不失精度的有限元分析和设计优化功能,帮助工业企业有效地建立设计、仿真和优化相结合的一体化流程,提高产品的研发效率。


主要特色


(1)软件的核心是国产自主的通用有限元求解器, 它有与国外商软比肩的计算效率和精度。

(2)软件融合了具有天洑特色的AI技术。求解器与AI算法相结合,在保证精度的前提下,通过智能加速进一步提升计算效率;AIFEM也可以配合天洑其他产品,通过AI算法,构建数字孪生模型,进行实时仿真方面的应用。

(3)软件界面友好易用。软件提供了引导式的、前后处理和求解一体化用户交互界面,有实时反馈的设置向导,并提供了可扩展的材料库,进一步仿真分析各类操作的便捷性和易用性。

  (4)  AIFEM致力于解决实际工程问题。目前可进行零部件和装配体的静力和模态分析,并已经在一些重点军工企业、通信设备制造企业、新能源汽车企业、装备制造企业、核电企业等得到了应用落地。


功能简介


(1)一体化工作流程

面向工程应用,AIFEM提供了前后处理与求解的一体化用户界面,覆盖从几何导入、几何编辑、网格划分、分析设定、分析求解、查看结果的完整仿真分析流程。

软件提供交互型三维视口,支持千万网格显示,支持多视口显示。视口内嵌按功能分区的视口交互按钮,操作简单便捷。软件界面融合设定向导,可以给出实时的操作反馈以及数据检查和修改建议,友好易学,并且能兼容不同阶段的设计师和工程师的使用需求和习惯。

1-gui.jpg

图1 软件界面总览

(2)面向仿真的几何功能

软件支持通用的STEP和IGES几何文件格式的导入。在几何导入后,软件会自动计算并进行缝合、合缝、补面等几何拓扑修复操作,解决产品模型在不同软件之间传递、转换等引起的数据缺失问题。

2-repaire_missing_faces.gif

图2 拓扑修复:补面

几何编辑功能,支持特征去除、布尔运算、装配变换。

通过特征去除功能,用户可以精准快速的去除不影响分析的次要特征,比如小孔、倒角等,也可以融合碎面、短线等可能会产生局部过密的网格的几何特征。

3a-defeature_hole.gif

3b-defeature_blend.gif

(a) 去除孔洞(b)去除倒圆角

图3 特征去除

装配变换功能,是AIFEM的亮点功能之一。除了常规的五大变换操作(平移、旋转、镜像、缩放、阵列),软件还提供了针对零件装配的相切、对齐、同向,能够帮助用户快速、准确地完成零件装配。

4a-assemble_tangent.gif

4b-assemble_align.gif

(a) 相切装配(b) 对齐装配

图4 AIFEM特色的装配变换

(3)全自动网格划分功能

AIFEM支持全自动四面体网格划分。用户只要选择几何物体,软件会自动建议并填入网格划分尺寸和其他参数,用户可以一键生成网格,最大限度减轻工程师划分网格的工作量。

用户也能手动调整网格尺寸和曲率偏差来进行网格疏密调整,或更进一步使用局部网格加密功能。AIFEM提供的几何切分功能,可以自由切分线、面、体,辅助用户更有针对性地进行局部网格加密操作。

软件具有丰富的单元类型,用户根据实际需要,选择一阶或二阶单元进行分析。

5-tetra_mesh.png

图5 四面体网格

(4)便捷的材料设定

AIFEM提供两种材料设定:材料数据库和自定义材料。

材料数据库分为系统材料库和用户材料库。AIFEM的系统材料库,内置200余种国内外常用材料,可以一键使用。用户材料库则支持更专业的用户自由创建、管理、导入导出数据库,进行团队内材料库统一管理和分享。

对于已有材料参数或测试数据的材料,用户可以使用自定义材料功能,通过组合材料卡片的方式,快速地创建新材料。软件具有丰富的材料本构模型可供用户使用,目前支持弹性和弹塑性的力学行为定义。


6a-material_lib.png

6b-create_material.png

(a) 系统材料库

(b) 自定义材料

图6 两种材料设定方式

(5)面向工程应用的通用仿真能力

软件支持多零件的装配体分析、多分析步分析、非线性分析。非线性功能包含几何非线性和材料非线性,支持解决各种复杂的非线性问题如塑性、大变形、大位移、大旋转等。

AIFEM提供两种分析步,解决最常见的分析类型:静力分析步,支持线性或非线性静力学分析;模态分析步,可以指定计算前N阶模态,或在给定频率范围内的所有模态,模态计算数量不设上限。

AIFEM提供多种边界条件、载荷、约束、接触等满足工程应用的工况施加方式,同时提供辅助函数、输出请求等设定进一步辅助用户进行灵活设定。比较有特色的工况设定,比如旋转对称、旋转惯性力等,可以有针对性的、且高效的解决各类旋转机械的结构仿真问题。

所有分析设定可以导出为AIFEM自有的可读JSON格式,软件也接受JSON格式以及商业软件INP文件格式的导入。

软件支持CPU并行求解。

类别具体功能
分析方法通用静力、线性静力、模态
单元应力固体单元(一阶和二阶的四面体、楔体、六面体)
材料弹性、弹塑性
边界条件指定位移、对称、固定
载荷集中力、压力、重力、体积力、旋转惯性力
约束绑定
辅助函数时间幅值
输出请求场输出(位移、支反力、应力和应力不变量、各类应变等)

表1 AIFEM仿真能力清单

(6)丰富的后处理功能

软件提供多种后处理功能,包含物理场云图、物理场云图动画和模态结果清单。用户可以自由控制变形显示,而且有多种渲染模式可供选择。软件的多视口,也方便用户对比多次仿真的结果,辅助用户更好地找到影响设计的关键因素。软件支持时程动画和模态简谐振动动画的播放和录制。展示模态、频率、广义质量、有效质量、参与系数等信息的模态结果清单,可辅助用户辨认关键模态、确认模态结果是否完备。


应用案例


(1)抽尘泵离心叶轮强度分析

将叶轮在中心转轴处固定,并对整个转轮施加绕转轮中轴线的离心力载荷,模拟分析该叶轮在工作状态下(每分钟1万转)的变形和受力情况。

7a-rotor_geometry.png

7b-rotor_mesh.png

(a) 几何(b) 网格

图7 离心叶轮模型

8a-rotor_mises.png

8b-rotor_u.png

(a) 等效应力(b) 合位移

图8 离心叶轮的静力分析结果(形变放大倍数为500)

使用软件最大等效应力 [MPa]最大位移 [mm]
AIFEM35.330.01049
参考结果35.330.01049

表2 AIFEM的计算结果与参考结果的对比,偏差在千分之一内

(2)抽尘泵离心叶轮模态分析

分析抽尘泵离心叶轮的自由模态。AIFEM能准确抓取到频率接近零的前6阶刚体自由模态。排除掉这6阶刚体运动模态,下面展示的是前5阶非刚体运动的自由模态结果。

9a-rotor_1.gif

9b-rotor_2.gif

9c-rotor_3.gif

(a) 第1阶(b) 第2阶(c) 第3阶

9d-rotor_4.gif

9e-rotor_5.gif

(d) 第4阶(e) 第5阶

图9 离心叶轮的振型

使用软件
特征频率 [Hz]
第1阶第2阶第3阶第4阶第5阶
AIFEM3539.64448.04464.74645.24673.0
参考结果3539.64448.04464.74645.24673.0

表3 AIFEM计算的特征频率与参考结果的对比,偏差在千分之一内

(3)水轮机活动导叶静力分析

对导叶的固定环施加位移约束,并对导叶的正反面施加水流压力载荷,分析该导叶在额定、最大水头、升压三种工况下的变形和受力情况。

10a-vane_model.png

10b-vane_mesh.png
(a) 几何(b) 网格

图10 导叶模型

11a-vane_lc1.png

11b-vane_lc2.png

11c-vane_lc3.png

(a) 额定工况(b) 最大水头工况(c) 升压工况

图11 导叶在三种水流工况下的等效应力结果(形变放大倍数为500)

使用软件最大等效应力 [MPa]
额定工况最大水头工况升压工况
AIFEM48.3361.3072.50
参考结果48.3361.3072.50

表4 AIFEM计算的最大等效应力与参考结果的对比,偏差在千分之一内

(4) 水轮机顶盖强度分析

对顶盖底面施加压力载荷,采用1/4模型并施加旋转对称边界条件,分析该顶盖的变形情况。此分析考虑几何非线性。

12a-cover_model.png

12b-rotor_mesh.png
(a) 几何(b) 网格

图12 顶盖1/4模型

13a-cover_lc1.png

13b-cover_lc2.png

13c-cover_lc3.png

(a) 额定工况(b) 最大水头工况(c) 升压工况

图13 顶盖在三种水流工况下的最大对数主应变结果(形变放大倍数为300)

微信截图_20220728110751.png

表5 AIFEM计算的最大对数主应变与参考结果的对比,偏差在千分之一内