T-Solution虚拟技术解决方案（2）

庄云仲

2015年8月4日 17:43

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5 天线设计平台（ADF）

传统的设计方法中，容易出现以下的问题：

传统的方法效率低（费时、费成本）

现成的第三方软件仿真结果或者测量结果不能被利用

单个天线、阵列天线、天线布局之间不能实现数据共享和重复利用

现有仿真软件没有数据和工程管理功能

现有仿真软件没有设计功能

ADF是一个基于多算法环境的天线工作平台，用户可以根据自身的需求从中找到不同的建模工具，包括通用的和专用的模型，并且能够把这些模型的程序结构综合起来，作为组合方法来使用。

ADF有天线设计功能，包括一些口径面天线的设计和阵列天线的设计；ADF还包含专用的全波快速阵列天线分析方法，能够快速对大型阵列天线进行仿真验证。

ADF中对天线的分析与设计不仅包括天线在自由空间中的情况，还包括天线在安装平台上的情况，通过在同一环境中采用多个电磁建模工具来完成。实际使用中，用户可以从天线或天线阵的设计开始，直至验证它们在安装平台上的性能。

ADF具有项目管理和配置控制的功能，使其更适用于整个生产过程。当多人同时从事于一个项目时，就能保证信息的交换和数据的完整性，从而使工作更顺利，结果更可靠。

ADF可以对模块进行预配置，适合特殊应用（单天线设计模块，阵列天线模块，天线布局模块），这些模块都能通过一系列的附加功能进行扩展，组合成为一个更强大的系统。其他模块可以根据用户的要求来配置以满足特殊需求。

ADF的特点：

导入第三方软件计算或者测量得到的方向图，自定义方向图特性，导入并利用第三方软件仿真得到的天线等效模型，可以直接读入GRASP的模型，天线模型转换功能—实现数据共享和重复利用。

快速原型设计，只需要很少的计算机资源，详细设计采用全波方法，采用数据导航树实现数据和工程管理功能，基于服务器－客户端体系结构。

区别于一般的电磁仿真软件，ADF不是一个以代码为中心的设计工具，即它不仅仅涉及某一种仿真方法，而是一个集合了多种方法的工作平台。在整个设计过程中，ADF以应用为中心，着重于计算结果以及如何采用多种方法以最有效的途径获得该结果。ADF强大的面向对象的内核提供了一种全新的计算管理机制，为用户屏蔽所有计算细节，使用户不必分散精力去做数据转换，而能够更自由地集中精力在天线设计和建模仿真问题上。

一般的电磁仿真软件只关注单一的设计对象，ADF支持设计人员的整个设计流程。天线设计、天线阵列设计、天线在航天器等载体上的布局都可以一体化的考虑，在设计流程中可以运用模型转换的强大功能，充分高效地利用已有的结果。

6 流体软件（PowerFlow）

PowerFlow产品自从开发成功以来，在短短5年时间里，已经被丰田、本田、大众、奥迪等几乎所有著名汽车厂商选用作为主要流体计算工具，PowerFlow为这些厂商基本替代了绝大部分价格昂贵的风洞试验和散热、噪声试验，并且销售额每年在以40%的高速递增。

产品特点：

- 高速的流体计算功能

做整车的CAD流体分析时间小于5天；

优化时间小于1天。

- 无需修整的CAD模型

考虑完全的外部特征、底盘特征和内部特征；

所有设计细节完全考虑在内。

- 准确的计算精度

与风洞试验曲线的完全吻合。

- 同一个模型可用于多学科的优化

例如汽车的流体动力学优化、气动噪声优化、散热分析优化。

- 可对研发流程进行优化

主要应用：

- 汽车：气动阻力外形设计及优化、气动噪声和整车散热、发动机散热、除霜、刹车冷却；

- 高速铁道机车：气动阻力外形设计及优化、气动噪声和整车散热、发动机散热、刹车冷却；

- 建筑设计：虚拟风洞试验；

- 船舶武器设计：水下武器阻力外形设计及优化、水动噪声计算。

空气动力学

PowerFLOW是一个模拟工具，它能为空气动力学优化提供一个真实的数字风洞™求解。PowerFLOW进行内外空气动力学模拟的独特优势已经使得Exa成为该领域的领先者。它能对非常复杂的模型进行精确的空气动力学模拟，在全球占有统治地位。

PowerFLOW的主要特点求解快速、完全的几何细节和瞬态分析–已经使得流体力学模拟成为一种真正可用于生产设计的工具，改变了空气动力学开发的方式。例如，在汽车制造业，从PowerFLOW模拟中获得的理解已经产生了重要的设计优化，提高了燃油经济性（由于阻力系数低）和稳定性（由于升力系数低），同时也带来了其它方面的改善，例如提高了乘员的舒适性，降低了零件的成本等。

处理真实的模型，使设计迭代更容易…

模拟所使用的几何可以来自于CAD模型、造型概念工具或对真实物体的扫描，无需对几何进行简化或理想化。这大大减少了建立模拟模型所需要的时间。保留了所有的几何细节是它进行空气动力学研究的一个主要优势，因为小的几何细节常常会对汽车的空气动力学特性产生重要的影响。它通常只需要花费几天就可以创建一辆轿车的空气动力学模型，包括完整的车底和发动机舱内的细节——比创建一个同样的风洞模型所要求的时间要少得多（并能大大节省费用）。

另外，Exa的独特变形工具，PowerCLAY，允许您在原始模拟模型的基础上进行快速高质量的几何修改，因此允许通过实验设计和其它优化技术对设计空间进行彻底的调查研究，并确定汽车的优化形状。

Exa的PowerCLAY允许快速创建块，易于进行空气动力学设计优化

大量的数据

PowerFLOW模拟的真实数据是众多数据分析方法中是最容易明白的，它允许您显示模型周围所有点的流动特点。这就能使您找到空气动力学问题区，例如分离流区或者表面压力高的区域，可以看到车辆降低阻力和升力的完整图片。在实际的风洞中，由于试验数据采集的技术有限，这些信息大都不能得到。

PowerFLOW中可用的空气动力学分析技术包括：

- 表面压力图象和表面流线显示，以辨别出流动分离区，检查出不受欢迎的高压或低压区。

- 通过各个量，例如总压的等值面获得详细的流动结构，或者流动区域内任意位置切面上的流动特性。

- 动画：PowerFLOW的模拟都是非定常的，而且可以通过许多强大的动画技术来表现流动现象的瞬态发展。

- 对车进行瞬态阻力和升力分析，包括各个单个部件对总力的贡献。Exa独特的阻力发展图显示了汽车的各个区域沿着各个几何轴对阻力和升力的贡献。

Tatuus赛车的外部空气动力学模拟。合作工程使得PowerFLOW的数据更容易显示，使用PowerVIZ可以显示模型表面以及汽车尾流各个断面上的流态

数字风洞™

PowerFLOW包括一个全尺寸数字风洞–这是进行空气动力学模拟的一个综合模板，可以显著减少模拟设置所需要的时间。用户只需要导入模型的所有几何部件，定义高精度求解区，设置边界条件，并定义测量区即可，然后准备开始模拟，包括全自动的网格生成过程。

在汽车开发过程的初期，在概念和设计选择期间，许多Exa的客户都已经完全使用PowerFLOW的数字风洞开发来代替传统缩比例模型的风洞实验开发。

数字风洞也能进行完全的道路模拟，例如带有旋转车轮和移动地面的模拟(这是基于PowerFLOW开发的另一个优势，因为一般在缩比例风洞中不能进行这些开发)。

该数字过程的一个重要优势是能在开发的初期就使用具有所有细节的模型，包括发动机舱内和车身底部细节，进行各种模拟。在这种方式下，进行空气动力学开发的同时也考虑了冷却气流的要求——而传统的开发过程是在确定了汽车的外形之后再单独考虑冷却气流的要求，这就使得修改困难而且费用高。

验证

PowerFLOW能够精确捕捉汽车真实的空气动力学特性，这已经被我们客户提供的各种真实案例以及各种科研案例所证实。这些实例大部分都进行了广泛的试验研究——表面油流显示、表面压力测量以及流场中的速度和压力测量，而且都与PowerFLOW的模拟结果进行了广泛的对比。客户可以向Exa客服中心索要这些案例对比的完整文档。

气动声学

PowerFLOW是当今汽车工业用于气动声学模拟强而有力的CFD工具。我们的客户使用PowerFLOW模拟各种各样的气动声学现象，包括：

- 风噪声：车身表面的流体力学和声压波动。

- 振动：由于天窗和侧窗打开而产生的低频蜂鸣声。

主要优势

声学现象被定义为可压缩非定常问题，而只有PowerFLOW能够适用于这种应用：PowerFLOW基于格子-玻尔兹曼方法，本身就是可压缩非定常的。这允许PowerFLOW捕捉所有与汽车气动声学相关的关键流动现象。事实上，PowerFLOW不仅能够捕捉流体力学和声压波动，而且能够捕捉这些影响之间的耦合，这使得PowerFLOW成为该领域的一个独特工具。

PowerFLOW模拟总是非定常，时间精确的，因此它可以在流动域内，自动捕捉产生气动声学现象的压力波动，这仅是PowerFLOW模拟的一部分。PowerFLOW中使用的时间步长通常都非常小，因此能够捕捉到10KHZ及其以上的频率。

后视镜上的风噪声研究，模型A(左)比模型B（右）的气动尾流大得多空气动力学模拟/气动声学模拟能够快速识别出部件产生的风噪声区域通过调整模型可以大大改善乘员的舒适性

风噪声

风噪声问题一直是汽车客户满意度调查中抱怨最多的问题。随着现代汽车中其它噪声源，例如发动机噪声和滚动噪声的不断降低，风噪声问题的重要性愈加突出。

我们的客户可以使用PowerFLOW在车型开发初期探测到令人讨厌的风噪声声源，并改善它们。以前如果在风洞中进行这些实验将需要花费很长的时间。

使用PowerFLOW可以模拟的风噪声类型包括：

- 汽车侧窗、挡风玻璃和车顶周围的中高频宽频带波动。这些波动是由几何细节导致的流动分离而产生的，这些几何细节例如后视镜、A柱和风挡雨刮器。PowerFLOW能够预测汽车外部的气动声学噪声源。通过与统计能量分析（SEA）工具相结合，也可以计算这些不同频带的噪声源是如何传播到汽车内部的，并能识别和去除这些噪声源。

- 汽车车身底部区域中的低频波动。车身底部复杂的几何细节而造成的流动分离是产生乘员在中高速下受到的低频噪声的主要原因。PowerFLOW能够可靠地预测这些波动。这些波动可以作为结构分析工具中振动声学分析的输入，用于模拟噪声如何传播到车内。

- 啸声，嚎叫和咝咝声。这些不受欢迎的噪声出现在频率谱中的顶点，它们是由汽车上小几何细节周围的周期性气流分离产生的，几何细节如：车顶行李架，风挡雨刮器或者格栅细节。可以使用PowerFLOW模拟产生的频率谱来清楚地识别这些声音。

对后视镜风噪声的研究（续）。模型A(左)是初始模拟；模型B（右）是调整改进之后的模拟

振动

由于天窗和侧窗打开而产生的低频振动噪声是最令人苦恼的气动声学现象，出现在许多车的特定车速下。在天窗前缘或者侧窗开口处的周期性气流分离而导致的压力波动共振耦合后将会产生振动噪声。要用模拟工具捕捉这种现象，就必须要求流体力学和气动声学之间互相耦合——这正是PowerFLOW的强项之一。

使用一个具有详细细节的天窗开口几何模型，利用PowerFLOW在不同车速下进行内部模拟，来确定振动行为的起始、峰值和偏移速度。典型的附加措施，例如不同形状和尺寸的扰流板，或者更不常见的措施，例如天窗的各种尺寸和位置等，都很难甚至不可能通过实验来研究，但是却能在PowerFLOW中快速进行测试。

验证

验证案例从简单的学术研究案例到带有所有几何细节的全尺寸汽车，这些验证实例允许我们全面验证PowerFLOW中的气动声学能力。所有客户都可以从Exa客服中心索取有大量文件证明的关于风噪声和振动的代表性例子。

热管理

Exa的PowerFLOW®4.0版本现在能够为汽车行业和地面交通行业提供一个完全的热管理模拟能力。它能进行冷却气流模拟——流过汽车冷却模块的气流分析（空气侧和冷却侧）——热防护——计算发动机舱和车身底部区域中空气和部件表面的温度。

PowerFLOW的热管理能力：

- 扩展了温度范围：所有的热力学计算都被完全耦合到PowerFLOW中的动量计算中，例如密度和温度以与实际完全一致的方式被耦合。这就使得PowerFLOW能够处理汽车领域中的各种温度范围。

- PowerCOOL™：使用PowerCOOL可以模拟热交换器的冷却侧，例如散热器或中冷器。PowerCOOL模拟能够与PowerFLOW模拟完全集成、紧密耦合。

- PowerTHERM处理辐射和传导。在一个完全集成、紧密耦合的方式下进行PowerTHERM模拟——保证使用方便，精度高。

使用这些扩展功能，PowerFLOW能够查出并分析影响汽车热力学性能的关键流动情况——格栅开口太小不能提供足够的冷却气流，冷却剂温度超过了工作极限或者部件的温度高于使用材料的允许值。一旦发现这些问题，立刻模拟补救措施——用PowerCLAY创建一个更大的格栅开口，在PowerCASE中通过改变单个的位置参数将风扇移动到别的位置，或者增加或者移走一个隔热板，只需点击几下鼠标即可。

冷却气流

PowerFLOW进行冷却气流模拟的目标是确保有足够的气流流过冷却模块，保证冷却剂的温度分布在可接受的工作极限内，同时不消极地影响汽车的空气动力性能。在PowerFLOW中通常使用一个包含所有细节特征的冷却模块，而且其设置与我们客户所习惯的纯空气动力学模拟一样易于操作。实际上，现在几乎所有的客户都将带有冷却气流细节的模型放入作为格栅封闭的模型，进行各种空气动力学模拟，创建一个非真实的环境。使用PowerFLOW灵活的多孔介质能力来处理通过热交换器的气流，与PowerCOOL耦合来预测冷却剂的温度，作为PowerFLOW冷却气流模拟的关键输出之一。使用一个多参考坐标系（MRF）模型对风扇进行建模，将风扇的详细几何细节和工作环境考虑在内。

可以对所有车辆工作点冷却气流进行模拟——从最高车速到怠速。在怠速或者低速情况下，泄漏气流导致回流，使得热空气流回到散热器的前面。使用PowerFLOW可以精确判断出顶箱温度相应升高的位置，并进行修正。

热防护

预测汽车在各种工作条件下各部件的表面温度是PowerFLOW的另一个重要的热力学应用。这种预测热敏感部件温度的能力——例如发动机固定在排热系统部件附近——在设计初期进行预测可以避免后期昂贵的重新设计。

结合PowerCOOL可以正确预测从冷却模块排出空气的温度，通过与PowerTHERM双向耦合，可以处理辐射和传导的影响。PowerFLOW能够精确预测发动机舱内和车身底部区域中任何位置的空气和表面温度。

与空气动力学结合起来

实际上，汽车的热管理问题是与空气动力特性紧密结合在一起的：流过开口格栅的气流改变汽车的空气动力特性，反之亦然，车身底部的气流特性对部件表面温度有着重要的影响。在PowerFLOW中，保存了空气动力学和热管理之间的相互依赖关系，因为这两种流动状态可以用一个几何模型、一组物理特性来处理，实际上就是一种模拟。在当今的开发过程中，通常都不能充分回答多学科问题——例如，格栅开口增大是如何影响阻力和升力的？或者前端附加扰流板是如何影响顶箱的温度的？- 现在能在开发初期同时回答这些问题，避免在开发后期进行昂贵的重新设计。

验证

验证案例从简单的学术案例到带有真实CAD几何细节的全尺寸车，将这些验证案例结合起来能够完全确保我们正确建模，在PowerFLOW中进行热管理模拟。有一个代表性案例对冷却气流和热保护结果都进行了很好的验证，所有客户都可以从Exa的客服中心索要该案例。

7 高级三维裂纹扩展分析软件（ZenCrack）

一般认为3D裂纹的网格处理困难而且非常耗时，通常3D裂纹扩展行为的计算都只能局限于I型平面裂纹。Zencrack具有先进的3D非平面裂纹的网格处理技术和裂纹扩展分析能力，打破了传统技术的局限性，不仅可以处理I型裂纹而且可以处理各种混合型裂纹，可高效完成3D疲劳裂纹非平面扩展行为的模拟分析。

难点：

几何上的复杂性

缺陷常发生在几何上处理困难的部位

对初始裂纹的尺寸、构型和位置的准确描述

裂纹的非平面扩展

数值计算需要裂纹前缘的详细描述

Zencrack 利用“crack-block”技术在无裂纹的有限元网格上快速方便地生成3D裂纹网格，含裂纹的有限元网格提交给有限元分析软件（如Abaqus）进行断裂力学参数计算，接下来，如果需要的话可自动进行裂纹扩展的模拟。3D裂纹扩展模拟功能适用于各种形状裂纹前缘和混合型裂纹的非平面扩展问题。Zencrack具有先进的自适应网格处理技术，在裂纹扩展过程中，“crack-block”跟随裂纹前缘移动，自动更新裂纹网格来模拟裂纹扩展过程，并有相应技术保证裂纹前缘附近的网格不发生过度扭曲。

处理方法：

用 Crack-block 技术对裂纹区域建模

裂纹在3D网格中移动通过 Crack-block 移动来实现

用边界转移技术来减小网格扭曲

用网格松弛技术来减小裂纹区域以外的网格扭曲

表面映射技术保持任意外部曲面形状

用户自定义初始裂纹前缘

求解深裂纹问题的能力

8 3D快速FDTD电磁仿真软件（Empire）

EMPIRE是德国IMST公司开发的一款通用的3D电磁场仿真软件，它基于强大的3D时域有限差分方法（FDTD），该方法已经成为了射频（RF）器件设计的一个标准。它的应用范围从分析平面结构、互连和多端口多层封装，到波导、天线和电磁兼容（EMC）问题。因此EMPIRE覆盖了RF设计的所有3D场仿真领域。一次仿真计算就可以生成用户定义频段内的散射参数、辐射方向图和电磁场场值图。

EMPIRE内核是针对计算机系统的全内存带宽使用作过速度优化的，它采用单指令集多数据流（SIMD）技术和智能多级时间步（SMTS）技术，计算速度比普通FDTD算法快10－15倍，精确的结果只需要很少的内存开销和仿真时间就可获得。

2006年，8家软件公司被邀请参加2006 ACE Benchmark竞赛：竞赛问题来自ACE（Antenna Centre of Excellent）－微带贴片阵。结果EMPIRE采用P4 3.4GHz CPU，以总计算时间10分钟，消耗180M内存的杰出成绩获得第一，比其他软件快了10倍到几百倍不等。（EMPIRE最新版本仅需1.5分钟@2 x Xeon 5320 1.87 GHz）

产品特点：