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          AIFEM——智能結構仿真軟件

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          AIFEM由南京天洑軟件有限公司自主研發的一款通用的、智能的、新一代有限元分析(FEM)軟件。軟件致力于實現通用FEM軟件的國產化替代,協助設計師、CAE工程師等用戶解決固體結構相關的靜力學、動力學、振動、熱力學等實際工程問題。同時,軟件結合天洑特色的AI智能加速、數字孿生建模、智能優化等技術,提供快速且不失精度的有限元分析和設計優化功能,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)軟件的核心是國產自主的通用有限元求解器, 它有與國外商軟比肩的計算效率和精度。

          (2)軟件融合了具有天洑特色的AI技術。求解器與AI算法相結合,在保證精度的前提下,通過智能加速進一步提升計算效率;AIFEM也可以配合天洑其他產品,通過AI算法,構建數字孿生模型,進行實時仿真方面的應用。

          (3)軟件界面友好易用。軟件提供了引導式的、前后處理和求解一體化用戶交互界面,有實時反饋的設置向導,并提供了可擴展的材料庫,進一步仿真分析各類操作的便捷性和易用性。

            (4)  AIFEM致力于解決實際工程問題。目前可進行零部件和裝配體的靜力和模態分析,并已經在一些重點軍工企業、通信設備制造企業、新能源汽車企業、裝備制造企業、核電企業等得到了應用落地。


          功能簡介


          (1)一體化工作流程

          面向工程應用,AIFEM提供了前后處理與求解的一體化用戶界面,覆蓋從幾何導入、幾何編輯、網格劃分、分析設定、分析求解、查看結果的完整仿真分析流程。

          軟件提供交互型三維視口,支持千萬網格顯示,支持多視口顯示。視口內嵌按功能分區的視口交互按鈕,操作簡單便捷。軟件界面融合設定向導,可以給出實時的操作反饋以及數據檢查和修改建議,友好易學,并且能兼容不同階段的設計師和工程師的使用需求和習慣。

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          圖1 軟件界面總覽

          (2)面向仿真的幾何功能

          軟件支持通用的STEP和IGES幾何文件格式的導入。在幾何導入后,軟件會自動計算并進行縫合、合縫、補面等幾何拓撲修復操作,解決產品模型在不同軟件之間傳遞、轉換等引起的數據缺失問題。

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          圖2 拓撲修復:補面

          幾何編輯功能,支持特征去除、布爾運算、裝配變換。

          通過特征去除功能,用戶可以精準快速的去除不影響分析的次要特征,比如小孔、倒角等,也可以融合碎面、短線等可能會產生局部過密的網格的幾何特征。

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          (a) 去除孔洞(b)去除倒圓角

          圖3 特征去除

          裝配變換功能,是AIFEM的亮點功能之一。除了常規的五大變換操作(平移、旋轉、鏡像、縮放、陣列),軟件還提供了針對零件裝配的相切、對齊、同向,能夠幫助用戶快速、準確地完成零件裝配。

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          (a) 相切裝配(b) 對齊裝配

          圖4 AIFEM特色的裝配變換

          (3)全自動網格劃分功能

          AIFEM支持全自動四面體網格劃分。用戶只要選擇幾何物體,軟件會自動建議并填入網格劃分尺寸和其他參數,用戶可以一鍵生成網格,最大限度減輕工程師劃分網格的工作量。

          用戶也能手動調整網格尺寸和曲率偏差來進行網格疏密調整,或更進一步使用局部網格加密功能。AIFEM提供的幾何切分功能,可以自由切分線、面、體,輔助用戶更有針對性地進行局部網格加密操作。

          軟件具有豐富的單元類型,用戶根據實際需要,選擇一階或二階單元進行分析。

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          圖5 四面體網格

          (4)便捷的材料設定

          AIFEM提供兩種材料設定:材料數據庫和自定義材料。

          材料數據庫分為系統材料庫和用戶材料庫。AIFEM的系統材料庫,內置200余種國內外常用材料,可以一鍵使用。用戶材料庫則支持更專業的用戶自由創建、管理、導入導出數據庫,進行團隊內材料庫統一管理和分享。

          對于已有材料參數或測試數據的材料,用戶可以使用自定義材料功能,通過組合材料卡片的方式,快速地創建新材料。軟件具有豐富的材料本構模型可供用戶使用,目前支持彈性和彈塑性的力學行為定義。


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          (a) 系統材料庫

          (b) 自定義材料

          圖6 兩種材料設定方式

          (5)面向工程應用的通用仿真能力

          軟件支持多零件的裝配體分析、多分析步分析、非線性分析。非線性功能包含幾何非線性和材料非線性,支持解決各種復雜的非線性問題如塑性、大變形、大位移、大旋轉等。

          AIFEM提供兩種分析步,解決最常見的分析類型:靜力分析步,支持線性或非線性靜力學分析;模態分析步,可以指定計算前N階模態,或在給定頻率范圍內的所有模態,模態計算數量不設上限。

          AIFEM提供多種邊界條件、載荷、約束、接觸等滿足工程應用的工況施加方式,同時提供輔助函數、輸出請求等設定進一步輔助用戶進行靈活設定。比較有特色的工況設定,比如旋轉對稱、旋轉慣性力等,可以有針對性的、且高效的解決各類旋轉機械的結構仿真問題。

          所有分析設定可以導出為AIFEM自有的可讀JSON格式,軟件也接受JSON格式以及商業軟件INP文件格式的導入。

          軟件支持CPU并行求解。

          類別具體功能
          分析方法通用靜力、線性靜力、模態
          單元應力固體單元(一階和二階的四面體、楔體、六面體)
          材料彈性、彈塑性
          邊界條件指定位移、對稱、固定
          載荷集中力、壓力、重力、體積力、旋轉慣性力
          約束綁定
          輔助函數時間幅值
          輸出請求場輸出(位移、支反力、應力和應力不變量、各類應變等)

          表1 AIFEM仿真能力清單

          (6)豐富的后處理功能

          軟件提供多種后處理功能,包含物理場云圖、物理場云圖動畫和模態結果清單。用戶可以自由控制變形顯示,而且有多種渲染模式可供選擇。軟件的多視口,也方便用戶對比多次仿真的結果,輔助用戶更好地找到影響設計的關鍵因素。軟件支持時程動畫和模態簡諧振動動畫的播放和錄制。展示模態、頻率、廣義質量、有效質量、參與系數等信息的模態結果清單,可輔助用戶辨認關鍵模態、確認模態結果是否完備。


          應用案例


          (1)抽塵泵離心葉輪強度分析

          將葉輪在中心轉軸處固定,并對整個轉輪施加繞轉輪中軸線的離心力載荷,模擬分析該葉輪在工作狀態下(每分鐘1萬轉)的變形和受力情況。

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          7b-rotor_mesh.png

          (a) 幾何(b) 網格

          圖7 離心葉輪模型

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          (a) 等效應力(b) 合位移

          圖8 離心葉輪的靜力分析結果(形變放大倍數為500)

          使用軟件最大等效應力 [MPa]最大位移 [mm]
          AIFEM35.330.01049
          參考結果35.330.01049

          表2 AIFEM的計算結果與參考結果的對比,偏差在千分之一內

          (2)抽塵泵離心葉輪模態分析

          分析抽塵泵離心葉輪的自由模態。AIFEM能準確抓取到頻率接近零的前6階剛體自由模態。排除掉這6階剛體運動模態,下面展示的是前5階非剛體運動的自由模態結果。

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          9c-rotor_3.gif

          (a) 第1階(b) 第2階(c) 第3階

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          (d) 第4階(e) 第5階

          圖9 離心葉輪的振型

          使用軟件
          特征頻率 [Hz]
          第1階第2階第3階第4階第5階
          AIFEM3539.64448.04464.74645.24673.0
          參考結果3539.64448.04464.74645.24673.0

          表3 AIFEM計算的特征頻率與參考結果的對比,偏差在千分之一內

          (3)水輪機活動導葉靜力分析

          對導葉的固定環施加位移約束,并對導葉的正反面施加水流壓力載荷,分析該導葉在額定、最大水頭、升壓三種工況下的變形和受力情況。

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          10b-vane_mesh.png
          (a) 幾何(b) 網格

          圖10 導葉模型

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          11c-vane_lc3.png

          (a) 額定工況(b) 最大水頭工況(c) 升壓工況

          圖11 導葉在三種水流工況下的等效應力結果(形變放大倍數為500)

          使用軟件最大等效應力 [MPa]
          額定工況最大水頭工況升壓工況
          AIFEM48.3361.3072.50
          參考結果48.3361.3072.50

          表4 AIFEM計算的最大等效應力與參考結果的對比,偏差在千分之一內

          (4) 水輪機頂蓋強度分析

          對頂蓋底面施加壓力載荷,采用1/4模型并施加旋轉對稱邊界條件,分析該頂蓋的變形情況。此分析考慮幾何非線性。

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          (a) 幾何(b) 網格

          圖12 頂蓋1/4模型

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          13c-cover_lc3.png

          (a) 額定工況(b) 最大水頭工況(c) 升壓工況

          圖13 頂蓋在三種水流工況下的最大對數主應變結果(形變放大倍數為300)

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          表5 AIFEM計算的最大對數主應變與參考結果的對比,偏差在千分之一內


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