AIFEM——智能结构仿真软件

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AIFEM是由南京天洑软件有限公司自研的一款智能化、全流程有限元分析软件。AIFEM在软件需求分析阶段即开始融入工业智能化、数字孪生和数据驱动的元素,着力实现基于数值仿真计算、参数敏感性分析和数值试验数据库的产品数字化模型。

面向工程应用,AIFEM具备模型修复和网格自动划分功能,最大限度减轻工程师前处理工作量;具有丰富的单元类型和材料本构方程,方便进行固体力学、结构力学、传热和电磁计算分析;在多物理场耦合分析领域,提供颤振、阵风响应和静气弹等计算功能。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)多领域通用功能和专业精细分支有机结合,精简技术需求粒度,面向工程实际,提供简洁、高效的仿真分析和设计优化工具。

(2)整理、归纳了有重要实践指导意义的理论解、大量公开试验数据和公认可靠的数值分析数据,对求解器进行充分的确认验证,力求用户对数据的精准度、可靠性有定量、深入的理解和把握。

(3)深入调查一线工程师的使用需求和使用习惯,优化软件使用流程、数据库存储和相关数据统计分析,着力消除工程师需要反复处理的重复性工作。


功能概述


(1)清晰的仿真流程

AIFEM提供了从几何导入、网格划分、求解设定到后处理可视化的一整套完整清晰的仿真工作流程。所有流程均在一个图形交互界面内完成,不需要频繁切换。求解设置也遵循了设计仿真人员的工作习惯,从材料属性定义、截面属性定义、分析类型定义、载荷定义、边界约束条件定义到计算求解设定再到计算过程监测一气呵成。用户只需要通过对必要参数的基本设置即可自动完成整个仿真过程,对设计仿真人员非常友好。

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图1 清晰的仿真流程

(2)丰富的有限元分析功能

AIFEM提供了工业设计和工程仿真中常用的有限元分析功能。包括静力学分析、惯性释放、模态分析、屈曲分析、谐响应分析、弹塑性分析、瞬态分析(时域法和模态法)等力学分析功能。同时AIFEM提供了稳态热传导分析(包括线性分析和非线性分析)、稳态热辐射分析、瞬态线性热传导分析等热分析功能。另外AIFEM可以处理包括颤振、阵风响应、静气弹和热气弹等多物理场耦合分析问题。并提供了基于简单的光学方法和初始矩量法的计算电磁学功能。

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图2  丰富的有限元分析功能

软件同时支持导入市面上现有的三维模型的多种格式,以及通过商用软件进行划分好网格的有限元模型,使得仿真工作更加精细。极大地缓解后期由于网格畸变带来的困扰。

在自动划分网格时,能通过曲率以及最小几何尺寸来划分网格进行疏密调整。同时软件自带网格质量检查功能,例如:长宽比、翘曲、坍塌比、最小边等。

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图3 强大的网格划分功能

AIFEM具备完备的前后处理功能,前处理模块提供分析类型、网格划分、截面属性、材料属性、接触属性、边界条件、载荷施加和求解设定等功能,支持创建材料的同时保存到材料库,方便用户定义自己的材料库。后处理模块提供了丰富的包括云图、图表、结果对比等便捷的可视化功能。

(3)快速智能有限元分析和实时仿真

目前商用有限元分析软件的仿真时间较长,AIFEM采用了人工智能的技术加速有限元分析计算,大大提高了有限元分析效率。对于特定的分析类型,通过有限元分析技术和人工智能技术的深度结合实现实时仿真,从而使AIFEM可以作为设计人员日常使用的智能仿真工具。

(4)通用性和可扩展性

AIFEM作为一款通用的有限元分析软件,可以应用到航空航天、船舶海洋工程、能源动力以及汽车等诸多工业领域。软件自带的脚本语言支持客户进行二次开发和定制化,具有较强的可扩展性。

(5)友好的人机交互界面,跨平台支持

AIFEM提供了基于客户端的图形界面,支持CPU并行,可满足复杂重量级的有限元分析要求。支持跨平台即同时支持Windows和Linux操作系统。


精度验证


(1)Delta机翼静力学分析

X方向为机翼展向,Y为流向,Z为机翼厚度方向。由于Delta机翼在X和Z方向的对称性,只建立1/4几何模型。

机翼蒙皮采用四边形壳单元;机翼前缘采用三角形壳单元;梁和肋采用四边形受剪壳单元;梁、肋交线用杆单元。(*下折线图左为前缘集中载荷,图右为尾缘集中载荷)

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图4 AIFEM计算结果与试验数据对比

(2)三维实体静力学分析

AIFEM有限元模型如下:

三维长方形实体模型:(L,w,h)=(20,4,16);在长方形一端施加力矩:My=2.048e3;其余边界固定;采用六面体单元。AIFEM计算结果与理论分析数据对比如下。通过理论分析方法计算出各个节点的位移以及单元中心处的应力;AIFEM的应力值为单元平均值。

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图5 AIFEM计算结果与理论分析数据对比

(3)模态分析

AIFEM有限元模型如下:三维平板:(L,w,h)=(20,20,1);四个边界为铰接;弹性模量:3.0e7,泊松比:0.3;采用四边形单元。

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图6 AIFEM计算结果与理论分析数据对比

AIFEM计算结果与理论分析数据对比如下:第1至3阶模态振型如上图所示;第1至3阶模态固有频率的理论分析数据与AIFEM不同网格的计算结果见下表。

Mode
THEORY
AIFEM(粗网格)
AIFEM(细网格)
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:

几何外形:圆柱面;圆柱半径、高度和厚度(R,H,T)=(80,50,2.5);高度方向两个边界没有轴向位移;采用圆柱坐标系下的三角形单元。

AIFEM计算结果如下:

进行特征值分析,获得前四阶模态特征值和特征向量;前三阶模态振型如下图:

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针对每个模态分别计算其对应的临界载荷;AIFEM前四阶模态临界载荷数据与理论分析数据对比如图所示。

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图7  AIFEM计算结果与理论分析数据对比

(5) 螺旋桨谐响应分析

AIFEM有限元模型:

建立螺旋桨桨叶的简化建模:桨叶和桨盘均取中弧面几何形状;非定常气动载荷的频率为133.3Hz;采用圆柱坐标下的三角形单元。

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图8 AIFEM计算网格

进行特征分析,计算了桨叶18阶模态;根据模态计算结果,计算桨叶对非定常气动载荷的响应;桨叶变形位移和正应力分布云图如下图所示。

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图9 AIFEM计算结果



应用案例


(1)蜗壳静力学分析

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图10 蜗壳静力分析位移云图

(2)风扇模拟分析

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图11 风扇模拟分析位移云图

(3)变幅杆谐响应分析

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图12 变幅杆谐响应分析位移云图

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图13 变幅杆谐响应分析位移-频率图

(4)易拉罐屈曲分析

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图14 变幅杆谐响应分析位移云图

当前版本功能主要包括:静力分析、模态分析、谐响应分析、屈曲分析、热分析、谱分析、随机振动分析、智能加速等。电磁计算和多物理场耦合分析功能也将陆续发布。

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