CASES-仿真分析规范编制指南.pdf
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1、 仿真分析规范编制指南仿真分析规范编制指南 (V1.0V1.0 版版)中国数字仿真联盟 安世亚太科技股份有限公司 北京安怀信科技股份有限公司 二零二零年四月 ii 序 2018 年,中国数字仿真联盟(Chinese Alliance for Simulation-based Engineering and Science,CASES)在北京应需而生。联盟由国内从事数值仿真、数字化设计与制造、智能化技术及软件开发、新型材料成型、数字化工厂等相关行业的科研机构、高等院校、相关企业等单位组成。其宗旨是以国家相关产业政策为指导,以中国制造 2025、国家数字化、智能化发展相关政策为依托,以市场发展和产
2、业数字化转型需要为导向,在数字化及其相关领域,整合汇聚行业资源和力量,搭建产、学、研、用交流大平台,推动成员单位的研究开发、技术拓展、行业应用与产品创新水平的提升,促进联盟成员交流、发展与共赢。有效推进中国数字仿真各领域的协调、健康发展,增强中国在该领域的创新能力和核心竞争力。制定仿真分析规范编制指南是联盟的重要工作之一。指南的核心工作是在数值仿真中具体实现与收敛性有关的三个定义,即完备性、稳定性和一致性。完备性是指函数空间存在这样的极限,使得一些基本函数的集合逼近一个函数;稳定性是通过仿真得到物理问题的真实解答;一致性是指误差具有网格尺寸的量级,对于时间相关问题,误差将是时间步长和单元尺寸的
3、函数,并且时间和空间离散化的截断误差必须趋近于零。事实证明真正能让仿真指导设计的关键是要解决仿真的精确度和收敛性问题。在我国数值化仿真领域中,本指南的问世是具有里程碑意义的工作,它提供给仿真用户一套如何做好数值仿真技术的指导性文件。由于计算机仿真技术的发展,使我们能够瞬抚四海、纵揽古今、驰骋宇宙时空之间,而有限元等计算软件的作用正是使我们顺利到达彼岸的工具和桥梁。计算机仿真软件是仿真工程与科学研究的重要工具,如何应用计算机软件做好仿真工作,“工欲善其事,必先利其器”,仿真分析规范指南可以提供有益的帮助。本指南由中国数字仿真联盟提出并归口。由安世亚太科技股份有限公司和北京安怀信科技股份有限公司合
4、作编著。安世亚太科技股份公司高级副总裁、北京市综合仿真实验室主任田锋先生和北京安怀信科技股份有限公司总经理李焕先生撰写了编者按。在此,我代表中国数字化仿真联盟对他们带领两个团队为本指南问世做出的高水平工作和杰出贡献表示衷心的感谢!庄茁 中国数字仿真联盟理事长 2020 年 3 月 19 日 iii 编者按(一)“要么仿真,要么被打败!”这是仿真界的旧口号。那时候,仿真价值还很少人知道。“是否仿真已不是问题,怎么仿才是!”这是仿真界的新口号。仿真具有价值已经成为中国企业共识,但我们必须承认,中国企业的仿真应用效益远没达到引入时的初衷。中国企业仿真缺钙,主要是缺乏仿真标准、规范、人才这样的软实力,
5、而不是软件和硬件这样的硬能力。软实力中尤其以仿真标准为甚,这一点,中国多数企业还没有认识到,总是误认为建立仿真能力就是买软件,标准是附属品。我想,作为中国数字仿真联盟的一项重要工程,本项目的首要任务应该是纠正人们这一错误观念,然后才是如何建立仿真标准。本项目的成果侧重在后者,但前者却更重要,是后者发挥作用的前提。所以,我借本文来完成这一任务。在企业调研时,多家企业讲了同一个现象。我们把这个现象称为“大拿的困惑”:1)对同一个问题,使用同一款仿真软件,两个大拿做出来的结果不同!2)同一个大拿,用不同的软件,做出来的结果不同!3)用试验进行验证,发现这个两个仿真结果与试验都不同!面对这些“怪现象”
6、,如果没有合理解释,那企业最终得到结论肯定就是“仿真无法作为设计依据”。这基本上是对仿真判了死刑。这些怪现象的产生有体系性的原因,其中最重要的原因就是企业缺乏仿真标准。如果没有一份文件告诉我们仿真该怎么做,怎么做才是对的,我们何以指望仿真具有稳定结论?仿真是对真实世界的近似,有偏差是常态,无偏差是巧合。偏差并不是问题,弄清楚偏差多少才是关键。只要这种偏差是可度量的、稳定的和可预测的,偏差就不是误差,因为它并不会带来困惑,不会引起决策困难。仿真标准的目的、意义和价值正在于此!仿真标准的根本目的是“保障计算结果的一致性”。只要遵守同一个标准,对同一个问题,不同的人、不同的软件,仿真结论都是一致的。
7、标准所约定的未必是最优的,但其计算结果是可重现的。可被重现和追溯的结果才是可靠的。我们没必要追求仿真结果与试验结果完全相同,但只要仿真标准让我们获得的计算结果是稳定的,和试验的偏差始终如一,那这种有偏差的结果其实就是“精确解”,因为我们总可以依据这个稳定偏差来修正结果。因此,建立仿真标准,是企业做好仿真唯一正确的道路。但仿真标准是严重依赖于企业、专业和产品的,没有一个放之四海皆准的仿真标准。所以,本项目的目标并不是有人误解的那样我们要做一套仿真标准,而是想提供给企业一套如何做好本企业仿真标准的指南。我们认为,没有一个放之四海皆准的标准,但可以有一套放之四海皆准的仿真标准建设指南。这就是本项目的
8、预期成果。当然即便是指南,也不能一篇指南包打天下。针对不同的专业,仍然有不同的指南。所以,本项目将会是长期工程,因为仿真学科之下的专业实在不少。本次项目是第一期工程,完成了结构静强度、结构模态、气动、散热、天线电磁等仿真标准的编写指南,并包含一篇范例汽车碰撞仿真分析规范样例。希望本项目成果对读者有所帮助,这将是我们继续此项目的动力。田锋 安世亚太科技股份公司高级副总裁 北京市综合仿真实验室主任 数字孪生体实验室主任 2020 年 3 月 17 日 iv 编者按(二)“即使是巨匠,也必须在严格的规范中才能施展他的创造才能”,这句话指出了专家与规范之间的共生关系。我在 25 年前踏入 CAE 仿真
9、这个领域时,整个行业都在强调软件的出身,是否是 NASA 或者某个著名研究机构的御用软件,以此来判断软件分析结果是否精确有效。20 世纪 90 年代以来,随着并行计算机体系的成熟和高性能计算(HPC)技术的发展,CAE 行业掀起了网格加密热潮,各软件厂商相继推出了 8-16-32-64-128-256-1024 核甚至更高 CPU 的并行计算版本;用户的模型网格规模也开始从几十万、几百万到几千万甚至上亿的规模发展,似乎网格数就代表着模型的精确度。进入 21 世纪后,随着软件升级速度加剧及更多种 CAE 软件不断涌入中国,使得中国 CAE 技术得到了飞跃的发展,但由于仿真精度和一致性的问题始终没
10、有被解决,中国的 CAE 仿真也因此一直没有进入到企业的研发核心流程当中去,始终在作为一个辅助的验证手段被使用,我个人一直深深参与其中,也曾被各种风潮和宣传主导过想法,但事实证明真正能让仿真指导设计的关键还是首先得解决仿真精度和一致性的问题。2010 年,一直从事航空航天军工产品仿真咨询的我,偶然的机会参观了国内、外几家汽车企业,当我看到这些企业里上百人集中在一起从事仿真分析工作的场景时,被深深地震撼了。在大多军工企业里,仿真一直被认为是最高端、最复杂的工作,大都是由博士、硕士组成的小团队在从事,而汽车这种“平民化”的做法颠覆了我的认知,我知道一定有什么地方不对。为此,我花了几个月的时间去和所
11、有能找到的汽车行业的仿真专家,包括和国内外的专家去沟通、去交流,到底汽车行业与军工有什么不同,最后,我终于获得了答案,那就是仿真规范上的差异。汽车行业里的仿真规范不仅按照学科、车体部件分解种类繁多,而且还分为企业内部、合作伙伴以及供应商等不同的版本,是企业的最高核心机密技术之一。我们所看到的百人同时仿真的场景,正是因为有了这么一份神奇的仿真规范,使得我们一直认为最高大上,最飘忽不定的东西,变成了两周培训就可以开始工作的“流水线式”简单工种。2012 年我创立了安怀信,我们公司选择的方向是 V&V(Verification&Validation)仿真模型验证与确认,公司的初衷是通过开发仿真验模工
12、具软件,对仿真模型的精度进行验证,逐步获得精度较高的仿真模型和建模方法,并最终梳理出企业自己的仿真规范,帮助企业能够真正将 CAE 的价值发挥到最大。从事仿真验模工作 8 年来,从入门到逐步精通,以 2017 年安怀信被美国 ASME 的 V&V 年度会议邀请为分会场主席为标志,安怀信在仿真验证和规范创建这个领域逐步得到了世界最高水平的认可。近些年来,安怀信一方面在帮助越来越多的企业实现仿真模型的验证确认工作,另一方面也萌生了一个想法,就是怎样把我们的经验知识传递出去,让中国的企业都能够认识到仿真规范的重要性,并且有机会做出适合企业自己的仿真规范,为中国制造业的发展助力,也让中国不再满足于做一
13、个世界工厂的代工商,而是真正有设计能力的创造者。2019 年,这个想法终于在中国数字仿真联盟的推动下开始成型,同时与国内著名 CAE 咨询商安世亚太的田锋副总裁一拍即合,双方都认为此事对促进 CAE 事业在国内发展,以及促进中国制造业崛起都有推动作用,因此,在双方的共同努力下编制了这版仿真规范编制指南,即规范的规范。如能对我中华民族的崛起必须走制造业崛起之路起到一分助力,则是我们这些老 CAE 人之大幸!李焕 北京安怀信科技股份有限公司总经理 2020 年 3 月 17 日 v 前言 中国数字仿真联盟(Chinese Alliance for Simulation-based Engineer
14、ing and Science,简称“CASES”),由国内从事数字仿真、数字设计与制造、智能化技术及软件开发、新型材料微观与宏观成型、数字化工厂等相关行业的科研机构、高等院校、相关企业及学会和协会单位在自愿、平等、互利、合作、共赢的基础上组成,为非营利性机构。目前,中国正处于制造业转型升级时期,而仿真技术为中国制造业升级提供了创新利器。但是,由于种种原因,中国仿真技术应用水平与制造业先进国家还有很大差距,如企业缺乏仿真技术应用的人才梯队,缺乏仿真分析规范和仿真数据库等,致使仿真技术在中国的应用并不广泛和深入,仿真技术大都只是作为一种设计验证手段存在。“质量提升,标准先行”,仿真分析规范是企业
15、仿真技术水平的重要体现,要推进中国仿真技术的协调、健康发展,首当其冲要加强技术标准基础研究和制定工作,加强其在仿真领域或其他相关领域的认可和推广。而仿真联盟的宗旨是以中国制造、国家数字化、智能化发展相关政策为依托,整合汇聚行业资源和力量,有效推进中国数字仿真各领域的协调、健康发展,增强中国在仿真领域的创新能力和核心竞争力,其有义务和责任引领并推广数字仿真领域行业规范标准的制定工作。为此,仿真联盟在第一届第二次会议上进行了仿真规范的工作部署,并成立了“中国数字仿真联盟仿真规范编制小组”,其目标并不是为企业制定仿真分析规范,而是建立在对国内外行业标杆企业的仿真分析规范研究的基础上,通过制定“仿真分
16、析规范编制指南”的方式,为企业提供制定仿真分析规范的方法论,让企业能够知道如何才能建立一个完整的、有效的、先进的仿真分析规范。同时,由于仿真学科之下专业众多,不可能制定出一个放之四海皆准的仿真分析规范,也不可能一个规范适用于不同专业。因此,仿真分析规范编制指南工作是一个长期发展、循环迭代的工程,本册指南属于仿真分析规范指南编制工作第一期工程,其编制了结构静强度、结构模态、气动、散热、天线电磁等仿真规范编制指南,并编制一篇仿真分析规范范例汽车碰撞仿真分析规范样例,其它学科和专业的仿真分析规范指南,将在后续工作中逐步补充完善。本册仿真分析规范编制指南由中国数字仿真联盟提出并归口。本册仿真分析规范编
17、制指南由安世亚太科技股份有限公司和北京安怀信科技股份有限公司合作主编,北京新能源汽车技术创新中心有限公司,中国空空导弹研究院、北京超算科技有限公司、元计算(北京)科技服务有限公司、北京清力行科技有限公司、北京云道智造科技有限公司、北京宇泽创新科技有限公司、等参与编制和校对。本册仿真分析规范编制指南主要起草、编制及校对人员:田锋、李焕、陈奕荣、杨军永、喻强、杨振亚、李世阳、袁胜万、王永康、潘沙、张晓亮、王祥等。其中:通则部分内容,由李焕、杨军永、袁胜万、张晓亮等人编制和校对;结构静强度计算仿真分析规范指南,由李焕、杨军永、袁胜万、张晓亮等人编制和校对;结构模态计算仿真分析规范指南,由李焕、杨军永
18、、喻强、袁胜万等人编制和校对;气动计算仿真分析规范指南,由田锋、杨振亚、潘沙、杨军永等人编制和校对;散热计算仿真分析规范指南,由田锋、王永康、杨军永等人编制和校对;天线电磁计算仿真分析规范指南,由田锋、李世阳、杨军永等人编制和校对;汽车碰撞仿真分析规范样例,由李焕、陈奕荣、杨军永、王祥等人编制和校对。其他参与编制和校对人员包括:关清芳,钱华山,辛雨,杨小军,丁来军,杨建英,郑亮,高原,周永发,唐滨,李建周等。中国数字仿真联盟标准规范部 2020 年 3 月 19 日vi 目录目录 序序 .IIII 编者按(一)编者按(一).IIIIII 编者按(二)编者按(二).错误!未定义书签。前言前言 .
19、V V 目录目录 .VIVI 第一部分:通则第一部分:通则 .1 1 第一章:概述第一章:概述 .1 1 1 1 引言引言 .1 1 2 2 仿真分析规范指南目标仿真分析规范指南目标 .2 2 3 3 仿真分析规范制定方法仿真分析规范制定方法 .2 2 第二章:仿真分析规范内容第二章:仿真分析规范内容 .2 2 1 1 基础通用内容基础通用内容 .2 2 2 2 具体业务内容具体业务内容 .4 4 第三章:仿真分析规范制定流程和原则第三章:仿真分析规范制定流程和原则 .1010 1 1 规范编制团队建立规范编制团队建立 .1010 2 2 仿真分析规范制定基本原则仿真分析规范制定基本原则 .1
20、111 3 3 规范修订与完善规范修订与完善 .1111 参考文献参考文献 .1111 第二部分:仿真分析规范编制指南第二部分:仿真分析规范编制指南 .1212 第一章:结构静强度仿真分析规范指南第一章:结构静强度仿真分析规范指南 .1313 1 1 目标目标 .1313 2 2 范围范围 .1313 3 3 规范性引用文件规范性引用文件 .1313 4 4 术语和定义术语和定义 .1313 5 5 通用规则通用规则 .1313 6 6 工作流程工作流程 .1717 7 7 前处理建模前处理建模 .1717 8 8 求解设置求解设置 .2222 9 9 结果后处理结果后处理 .2222 101
21、0 结果评估结果评估 .2323 1111 模型修正模型修正 .2323 1212 计算报告计算报告 .2424 第二章:结构模态仿真分析规范指南第二章:结构模态仿真分析规范指南 .2525 1 1 目标目标 .2525 2 2 范围范围 .2525 3 3 规范性引用文件规范性引用文件 .2525 4 4 术语和定义术语和定义 .2525 vii 5 5 通用规则通用规则 .2626 6 6 工作流程工作流程 .2828 7 7 前处理建模前处理建模 .2828 8 8 求解设置求解设置 .3232 9 9 结果后处理结果后处理 .3232 1010 结果评估结果评估 .3333 1111
22、模型修正模型修正 .3333 1212 计算报告计算报告 .3434 第三章:气动计算仿真分析规范指南第三章:气动计算仿真分析规范指南 .3636 1 1 目标目标 .3636 2 2 范围范围 .3636 3 3 规范性引用文件规范性引用文件 .3636 4 4 术语和定义术语和定义 .3636 5 5 通用规则通用规则 .3737 6 6 交付物交付物 .3737 7 7 工作流程工作流程 .3737 8 8 前处理建模前处理建模 .3838 9 9 提交求解提交求解 .3939 1010 结果后处理结果后处理 .3939 1111 结果评估结果评估 .4040 1212 模型修正模型修正
23、 .4040 1313 计算报告计算报告 .4040 第四章:散热计算仿真分析规范指南第四章:散热计算仿真分析规范指南 .4141 1 1 目标目标 .4141 2 2 范围范围 .4141 3 3 规范性引用文件规范性引用文件 .4141 4 4 术语和定义术语和定义 .4141 5 5 通用规则通用规则 .4242 6 6 交付物交付物 .4444 7 7 工作流程工作流程 .4444 8 8 前处理建模前处理建模 .4444 9 9 提交求解提交求解 .4646 1010 结果后处理结果后处理 .4747 1111 结果评估结果评估 .4747 1212 模型修正模型修正 .4747 1
24、313 计算报告计算报告 .4848 第五章:天线电磁计算仿真分析规范指南第五章:天线电磁计算仿真分析规范指南 .5050 1 1 目标目标 .5050 2 2 范围范围 .5050 viii 3 3 规范性引用文件规范性引用文件 .5050 4 4 术语和定义术语和定义 .5050 5 5 通用规则通用规则 .5151 6 6 交付物交付物 .5353 7 7 工作流程工作流程 .5454 8 8 前处理建模前处理建模 .5454 9 9 求解设置与提交求解求解设置与提交求解 .5757 1010 结果后处理结果后处理 .5858 1111 结果评估结果评估 .5858 1212 模型修正模
25、型修正 .5858 1313 计算报告计算报告 .5959 第六章:汽车碰撞仿真分析规范样例第六章:汽车碰撞仿真分析规范样例 .6060 1 1 目标目标 .6060 2 2 范围范围 .6060 3 3 规范性引用文件规范性引用文件 .6060 4 4 术语和定义术语和定义 .6060 5 5 通用规则通用规则 .6060 6 6 交付物交付物 .6565 7 7 工作流程工作流程 .6666 8 8 整车模型建立整车模型建立 .6868 9 9 碰撞模型建立碰撞模型建立 .8181 1010 初始条件及边界条件初始条件及边界条件 .8181 1111 求解设置求解设置 .8181 1212
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