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案例教學 | 流體仿真中SCDM軟件的基本工作流程

2019-02-26 16:11:22·  來源：仿真秀  作者：張楊，仿真秀專欄作者，高級流體工程師  
　
作者 |張楊 流體高級工程師 仿真秀專欄作者首發(fā) |安世亞太公眾號ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（簡稱 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和幾何處理軟件
作者 | 張楊 流體高級工程師 仿真秀專欄作者
首發(fā) |安世亞太公眾號 
 
ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（簡稱 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和幾何處理軟件。SCDM可以顯著地縮短產(chǎn)品設計周期，大幅提升CAE分析的模型處理質(zhì)量和效率，為用戶帶來全新的產(chǎn)品設計體驗。
 
SCDM提供給CAE分析工程師一種全新的CAD幾何模型的交互方式，可以對現(xiàn)有的模型進行動態(tài)的參數(shù)化調(diào)整，使得對基于特征建模的CAD系統(tǒng)不熟悉的產(chǎn)品研發(fā)工程師可以快速建立或者修改3D幾何模型，在產(chǎn)品的設計初期即可對產(chǎn)品性能進行仿真。
 
SCDM基于直接建模思想的集成工作環(huán)境使工程與設計人員能夠以最直觀的方式進行工作，可以輕松地對模型進行操作以解決實際工程問題。使用者不必承受模型再生失敗而帶來的成本困擾，無需考慮錯綜復雜如迷宮般的關(guān)聯(lián)關(guān)系。
 
SCDM作為ANSYS軟件體系中幾何建模工具的重要組成部分，適合于多種數(shù)據(jù)來源的CAD模型的快速修改、非參數(shù)化中性CAD模型的參數(shù)化，進而最大程度地支持設計優(yōu)化，同時其本身提供了操作簡潔直觀的幾何建模功能，適合于CAE仿真模型的快速建立。
SCDM集成于ANSYS Workbench平臺，可以直接在ANSYS Workbench平臺的工程窗口中直接啟動。
 
在CFD仿真中，流體工程師通常要按照“幾何-網(wǎng)格-求解-后處理”的順序開展工作，如下圖所示。幾何部分的工作可以被認為是仿真的第一步，也是連接CAD與CAE的橋梁。
 
從ANSYS 16.0版本開始，我們就強烈推薦各位工程師使用SCDM軟件來完成“幾何”環(huán)節(jié)的工作，因為SCDM在仿真前處理的各個方面都具備強大的功能，幫助我們高效準確的完成CAD-CAE的工作流程。
SCDM的基本工作流程如下圖所示： 
 
通常，我們可以將基于SCDM軟件的CFD前處理工作，簡單的分為5個部分：
★ 讀入模型
★ 處理模型
★ 流體區(qū)域
★ 仿真完善
★ 輸出幾何
 
（一）讀入模型
SCDM具備幾乎所有主流CAD格式的讀入接口，這就給我們的“仿真驅(qū)動設計（Simulation Driven Design）”目標提供了最基礎(chǔ)的技術(shù)支持，SCDM可以直接讀取ProE、UG、CATIA、Solidworks等軟件的零件（.prt）和裝配體（.asm）文件。（當然，對應的版本有一定限制，比如說低版本的SCDM不能讀取高版本的UG文件。）
 
同時，SCDM還能高效的讀入（與寫出）中立格式的CAD幾何，常見的格式有.stp、.igs、.x_t、.stl等。 
 
當然，SCDM還具備直接建模的能力，按照草圖?實體?變換?布爾運算的思路進行快速建模，無特征、無約束，非常適合概念設計與簡單模型生成（可用于測試求解器參數(shù)）。 
 
（二）處理模型
當仿真的模型是從SCDM直接建立的時候，通常不需要做模型的處理，這一個步驟也就被忽略掉了。
 
但絕大多數(shù)的情況下，企業(yè)中的仿真工程師與設計工程師都是分開的，設計工程師也通常也不會使用SCDM做完整的設計工作，大多數(shù)仍舊使用傳統(tǒng)的CAD建模軟件，這就對設計與仿真的連接提出了更為嚴格的要求，也是流體仿真工程師工作中的一個難點。
 
流體仿真處理模型的對象通常是固體（設計）區(qū)域，因為流體區(qū)域是通過布爾運算得到的（而不是設計出來的）。
 
通常意義上的流體仿真處理模型分兩步：修復模型和簡化模型。
 
1. 修復模型
修復模型的主要目的是獲得（多個）實體。各種格式的幾何文件導入到SCDM里面后，都會或多或少的出現(xiàn)幾何數(shù)據(jù)傳遞的錯誤，常見的幾何錯誤有：
★ 面缺失
★ 面縫隙
★ 面（線）錯誤
★ …… 
 
SCDM具備有專門的工具來處理這些問題：
第一類：自動化工具，主要包括“拼接、間距、缺失的表面”
● 拼接（Stich）：將多個面拼接成為一個（在結(jié)構(gòu)樹中）面
 
幾何數(shù)據(jù)在傳遞的過程中不可避免的會出現(xiàn)容差不一致的情況，這一類情況通常會導致實體幾何被拆散成多個面；當然，這些面的位置關(guān)系通常還是可以保證的，因此，對于此類問題，拼接是一個有效的操作，能夠快速將單個實體復原。
● 缺失的表面（Missing Faces）
 
如果數(shù)據(jù)傳遞的過程中出現(xiàn)了面缺失的情況，即使將多個面拼接成了一個面，也不會得到實體幾何，原因就是幾何不封閉、不水密，只能是一個大的面，而無法成為實體。
 
這個時候缺失的表面功能就派上用場了，他可以自動修復面缺失的情況，從而封閉幾何，得到實體。
● 間距（Gap） 
間距的功能與缺失的表面類似，從一個簡單的角度來理解，就是大的面用缺失的表面修復，小的面用間距修復。因此缺失的表面功能通常需要輸入最小值，而間距功能需要輸入最大值。
 
對于自動修復幾何的方法，通常按照以下規(guī)則：
1.首先使用拼接功能修復（高版本的軟件記得勾選”檢查重合”）
2.隨后檢查間距和缺失的表面，優(yōu)先修復數(shù)量少的問題
3.對于失敗的問題，進行手動修復
4.對于主要特征面缺失的情況，建議另外導入包含該面的其他文件
第二類：手動工具，主要包括“融合、拉動、填充等（針對非實體結(jié)構(gòu)的操作）”
當幾何的數(shù)據(jù)比較復雜（如大量的高階曲面等）時，往往會出現(xiàn)自動修復失敗或?qū)π迯偷拿嫘螤畈槐M滿意的情況，這個時候就需要進行手動修復。手動修復通常較為復雜，需要工程師具備較高的軟件熟知程度以及清晰的修復思路，本文限于篇幅暫不做介紹。
 
2. 簡化模型
修復模型結(jié)束之后，我們通常會得到（多個）實體，接下來就是簡化模型的工作。 
流體仿真的簡化原則通常按照以下的一般性要求來完成：
①簡化掉特別細小的特征
②簡化與主要流場區(qū)域不相關(guān)的小特征
③簡化尖角區(qū)域
④適當?shù)暮喕M縫區(qū)域
⑤處理流場內(nèi)部的薄壁擋板
⑥其他需要簡化（或幾何修改）的情況
通常意義上，簡化幾何的最終目的是：
★ 減小網(wǎng)格總數(shù)量
★ 避免出現(xiàn)網(wǎng)格質(zhì)量太差的區(qū)域
簡化模型時常用的SCDM功能：
 
● 填充 
 
填充是去除獨立額外特征的利器，但需要對實體上的面進行操作；填充的本質(zhì)是刪除掉選中的面，隨后對未選中的面進行延伸來封閉實體。
● 拉動 
 
當有一些特征不太容易使用填充去除的時候，拉動可能會更容易的產(chǎn)生希望的效果；當然，如果我們的目的不是去除特征，而是對幾何進行一些修改的時候（如增加縫隙的距離），拉動還是一個必要的操作。
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