AIFEM——智能结构仿真软件

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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。AIFEM面向未来的工业仿真场景,立志引领仿真软件的发展潮流和方向。同时,软件致力于实现通用FEM软件的国产化替代,协助设计师、CAE工程师等用户解决结构相关的静力学、动力学、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)拥有完全自主可控的结构有限元求解器。通过对传统有限元算法进行代码重构与优化,大大提升了仿真效率,在仿真精度上也比肩国外主流商用软件。

(2)领先的AI算法与有限元融合技术。将具有预测性和高效性的自研AI算法嵌入有限元求解过程中,在精度可控的前提下,智能加速矩阵求解,进一步提升仿真效率。

(3)友好易用的向导式仿真交互界面。软件提供直观的、功能连贯的一体化操作界面,包括几何清理与修复、网格创建、材料赋予、分析工况创建、求解、结果查看等功能。

  (4)  丰富的细分行业与产品仿真解决方案。AIFEM始终致力于解决工业用户具体的、真实的困境与痛点,并在军工、通信、汽车、机械装备、新能源等多个行业取得了丰富的仿真经验和仿真数据,通过对行业产品仿真数据的沉淀和提炼,将其嵌入与固化到软件层面,形成AIFEM核心的行业产品解决方案。


功能简介


(1)一体化仿真工作流程

面向工程应用场景,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窗,支持千万级规模的网格显示,支持多视窗显示。视窗功能分区清晰,多视窗切换便捷。软件界面融合设定向导,能够给出实时的操作反馈、检查和建议,界面友好易用,面向多个工业仿真使用场景,能兼容设计师和工程师在不同阶段的使用需求和习惯。

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图1 软件界面总览

(2)面向仿真的几何功能

支持导入通用的几何文件格式,如STEP和IGES等。导入几何后,软件会自动搜索破损几何面,并进行缝合、合并、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。

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图2 拓扑修复:补面

软件包含几何编辑功能,支持特征清理、布尔运算、装配变换。

通过特征清理功能,用户可以精准快速的删除对结构影响甚微的次要特征,比如小孔、倒角等,也可以融合碎面、短线等微小特征,避免产生局部网格过差的情况。

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(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。该组功能包含平移、旋转、镜像、缩放、阵列五大变换操作,同时还提供了相切、对齐、同向等命令,能够帮助用户快速、准确地完成零件装配。

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(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支持高速高质量的全自动划分四面体网格。用户只需选中几何对象,软件会自动计算出合适的网格尺寸和质量控制参数,基于上述参数用户可以一键生成网格,最大限度地减轻使用者的前处理工作量。

同时,也支持用户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,配合几何切分功能,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,用户可以根据实际需要,选择一阶或二阶单元进行分析。

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图5 全自动四面体网格

(4)丰富的材料设定

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、导出材料数据,便于团队内部材料库统一管理和分享。

对于已有的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,同时支持随温度场变化的材料参数输入。


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(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提供两种分析步设置:静力分析步,支持线性和非线性静力学分析;模态分析步,可以给定计算的模态数量,或给定计算的频率范围,两者可以组合使用。

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,可以高效的、有针对性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
分析方法线性静力、非线性静力、模态
单元体单元(一阶和二阶的四面体、楔体、六面体)
材料弹性、弹塑性、且随温度变化设置
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,包含云图、动画、函数和模态结果清单等。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。界面的多视窗显示也方便用户对比仿真迭代结果,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。模态结果清单展示模态、频率、广义质量、有效质量、参与系数等信息,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。

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(a) 几何(b) 网格

图7 离心叶轮模型

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(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。

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(a) 第1阶(b) 第2阶(c) 第3阶

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(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。

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(a) 几何(b) 网格

图10 导叶模型

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(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。

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(a) 几何(b) 网格

图12 顶盖1/4模型

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(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)

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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