同步CFD下一代航空产品设计的重要工具似的

同步CFD：下一代航空产品设计的重要工具

与其它行业一样，航空产品的制造商也希望降低产品的成本，以应对来自市场和经济方面的压力。但由于受到航空产品复杂性和安规问题的影响，所以不可能对这些产品使用廉价的材料。所以，产品成本降低（或者时间成本降低）必须在其它方面实现。由于航空产品也在追求少花钱多办事，所以例如“精益生产工程”等内容也被加入到生产效率的范畴中。

基于软件的仿真分析被证明是制造商的救命稻草，可以让制造商在短时间内提供高品质和低成本的产品。从机械结构到PCB 板的几乎产品设计每一个方面都具有各自的仿真工具，以帮助工程师完成基本的产品布局。勿容置疑，仿真分析已经成为当今提高产品设计效率的一个重要手段。

流体动力学是研究系统内气体，流体或热流动的学科，这个领域已经拥有成熟的仿真技术。计算流体动力学是一种新技术，它已经成为航空产品结构，阀门元件和座舱通风管道设计研发的基石。在CFD 的技术领域出现了很多衍生产品，包括为MCAD 用户度身定制的易用工具，使他们能够在产品设计过程中进行产品流动分析。Mentor Graphics 的MAD 是流动分析解决方案的领先供应商。

建模，仿真和MCAD

建模和仿真过程被广泛地用于航空产品业的结构设计中。这些工具是设计大尺寸系统和结构必不可少的工具，并且有助于工程师在提升产品品质的同时，缩短产品研发时间。这些MCAD 工具也有助于在不牺牲产品强度和可靠性的情况下，减少产品过度冗余设计出现的可能，减少重量和成本。工程师可以快速地验证许多产品设计概念，为最终设计出可靠的产品提供可能。

在飞机设计过程中非常重要的一个步骤就是进行流体流动分析，在这个阶段会研究包括机身，机翼，发动机舱和推力室等在亚音速和超音速流动条件下空气动力学结构的情况。这是CFD一个非常典型的应用，但应用场合还有很多方面。如今的工程师也会进行一些板级和子系统的流动分析，这些子系统可能是引擎入口和出口系统，阀门和通风管道等。几乎所有飞机上与流体接触或存在热量传递的零部件都可以进行流动分析。

采用 MCAD 软件进行流动分析，可以帮助工程师节省研发成本，时间和减轻航空产品的重量。此外，也可以减少产品过度冗余设计出现的可能和规避设计缺陷。

做一些财务计算

航空产品设计建模和仿真的技术原理通俗易懂。但这仅仅是一部分。成本问题。无论经济如何发生波动，获得工程研发软硬件工具是获益的基本条件：它们有助于节省产品研发时间和成本。这不是航空业独有的问题，但由于这个行业生产的是世界上最复杂的产品，所以这个问题显得比较紧迫。因此，许多航空业公司必须处理好很长的产品研发周期和高工程研发费用的问题。

航空系统和零部件生产商一直在寻求一些新的和改进设计的在建筑业飞速发展的今天工具，因为他们具有减少样机研发成本的目标。MCAD 和CFD 工具都可以大幅度减少对物理样机的需求。

仿真和建模的目的是尽可能早的在产品设计阶段确定重要的产品设计方案。如果产品的复杂性比较高，通过这种方式获得的好处也会更多。绝大多数与航空业相关的产品都具有高或者很高的复杂性。尾翼系统包含了超过100,000 个零部件。根据最终产品的复杂性，整个产品研发过程横跨数周或数年。随着每一天时间的流逝，研发的成本也逐渐增加。图1 显示了在为用户提供技术咨询；不同产品复杂性情况下，时间和样机成本的关系。非常明显，这仅仅是制作样机的时间，而非整个项目研发的时间。

图 1 制作物理样机的成本来源：Aberdeen Group study

从图 1 中我们得出结论，物理样机耗费了大量的费用。勿容置疑，许多行业领先的公司都尽可能的采用虚拟样机替代物理样机。这也得到许多实用主义市场研究者的验证。

有一份 2007 年的报告对190 家企业的重要绩效进行了比较和评估，绩效主要是基于成本，收入目标和规定时间内完成的产品等。通过这些标准研究机构将这些企业划分为3 个类别，并且根据使用的仿真和建模情况进行排序。所得到的结果引人深思：行业领先企业对虚拟样机的依赖性最高，而行业最差企业使用超过40%的物理模型。

表格 1 归纳了行业领先和行业最差公司的获益差距。后者平均每个项目使用1.1 个物理模型，表格1 反映了其相关的时间和成本。

表格 1：仿真分析帮助节省成本。这个图表反应了频繁使用仿真分析软件的企业和主要基于物理样机测试企业在仿真分析方面的获益。来源：Aberdeen Group Study

流体分析：主题和变化

在以往，CFD 是提供给受过专业培训的流体分析专家所使用的，并且很少有基于CAD 设计的CFD 分析工具。基于CFD 的技术是相当晦涩难以理解，并且传统的CFD 工具要求分析专家在求解收敛之前进行格划分和求解设置。

现在，诸如Mentor Graphics 等公司已经将CFD 分析改进为更强大的工具，可以使其在产品设计过程中使用。因此，无论是大企业还是小公司都可以从CFD 分析中获益。结构设计工程师可以使用它们现有的工程技术进行热流分析。有一些CFD 软件可以采用MCAD 的数据，其原理是在两种软件之间建立一种格式转换工具，并进行模型简化。

同步 CFD 是一种新的CFD 技术，但其基本原理与CFD 相一致。同步CFD 通过让设计师直接在MCAD环境中进行产品分析和优化，从而简化了CFD 分析的过程，与传统的CFD 相比可以节省75%的分析时间。同步CFD 被嵌入至一些ProENGINEER/Wildfire 和CATIA 等主流的CAD 软件中。在MCAD 软件中具有同步CFD 的分析和显示菜单，就如同MCAD 软件具有CFD 分析的功能。事实上，CFD 流动分析变成了MCAD 软件的一个插件。

流体流动分析突破性解决方案的好处已经远远超出了纯粹技术特点的意义。由于同步CFD 软件不像传统CFD 软件晦涩难懂和不易使用，所以同步CFD 软件可以使工程师进行许多建模和分析工作。因为详细地分析设计逐渐趋于快速评估设计和产品高品质，以便最终的产品可以快速地投入市场。这些都属于商业利益，现在绝大多数的企业都非常在乎它。

设计工具之间的具有逐渐趋于一体应用的趋势。如今，一些设计阀门和机壳的工程师可以快速的评估设计产品内部的热流特性。这也成为快速设计可靠航空产品的一种方法。

同步 CFD：使工程师也能轻松使用CFD 进行项目分析

同步 CFD 是为结构工程师度身定制的；使工程师能将CFD推动获得积极进展 分析作为MCAD 设计的一部分。Mentor Graphics 的FloEFD 是这种创新性技术的一个很好典范。其定位就是使大量的设计工程师，而非CFD 专家能使用。

FloEFD 以易操作性著称，其用户界面被整合到MCAD 应用环境中。一个强大的分析智能向导可以指导用户进行项目分析的设置。由于同步CFD 的实体模型随时可以进行改变，并且不需要重新设置分析参数，边界条件和材料特性，所以会使多种方案评估变得异常简单。所有的这些FloEFD 优点都会加快项目分析，有助于在产品设计早期的方案评估。

实时的自动收敛监控功能可以帮助结构工程师很好地了解流体流动状况，并且不存在数值计算发散的问题。当分析模型中的流态由层流改变为湍流时，同步CFD 会自动识别和处理。

同步 CFD 软件可以新建或使用现有的3D CAD 模型。并且具有自动填充实体内部小空穴的功能。流动分析是基于格所进行的。格划分需要丰富的经验和技巧，这也是CFD 专家和普通工程师之间的一个重要区别。同步CFD 具有自动进行格划分的功能。事实上，FloEFD 会通过创建自适应格来减少格数目，从而确保在模型复杂区域有足够的格数目，如图2 所示。

图 2 使用矩形自适应格，同步CFD 软件FloEFD 可以自动调整格疏密程度

为什么同步CFD 缩短产品研发时间和为企业带来利益

图 3 显示了传统的CFD 软件的使用流程，首先是建立几何模型，之后从用户的MCAD 系统中输出。然后几何模型被输入至用户的CFD 工具中进行简化，格划分，求解和后处理，最后将结果反馈给产品设计团队。这些工作通常由专家分析团队或者外包顾问来完成，所以产品设计团队必须精确的告知他们所想要的结果和需求。然而，由于时间问题，等CFD 分析的结果反馈给设计团队时往往已经被延误。任何几何模型被改变之后，都需要重新进行分析。传统CFD 的缺点就是人力，时间和花费比较大。

图 3 显示在产品设计过程中传统和前端CFD 软件需要从MCAD 软件和第三方软件直接进行模型转换。

与此不同，同步CFD 软件被直接嵌入至MCAD 软件中。

前端 CFD 通过在MCAD 和CFD 之间增加一个接口来解决这个问题。这个接口通常可以对输入的模型进行简化；然而实际的CFD 分析还是在MCAD 系统之外进行，所以用户需要学习一种新的软件，从而增加用户的学习曲线和产品进入市场的时间。此外，反复从MCAD 软件中输出模型和CFD 软件中读入模型也会耗费很多时间。

同步 CFD 的工作方式与它们不同。CFD 软件被嵌入至MCAD 中，所以整个分析过程是在用户所熟悉的界面中完成。嵌入MCAD 的CFD 软件优点不止于此，多种方案评估可以直接在MCAD 进行，所以方案设计与分析总是同步进行。

图 4 非常清楚的显示了为什么同步CFD 软件不同于传统和前段CFD。通过展开CFD 软件的工作流程，我们可以看到在完成一个项目设计之前需要有很多设计步骤。无论是传统还是前端CFD 都要求进行模型的转换和简化才能进行分析。如果设计方案有变更，之前所提到的步骤需要再次进行。通常CFD 方法要求几何流体区域是密闭的。传统和前端CFD 有一个创建“Create Cavity”的步骤。

图 4 显示了传统和前端CFD 完成项目分析需要很多步骤。同步CFD 软件被嵌入至MCAD 环境中。

工程师可以在更短的时间内完成更多的项目分析

大多数的传统CFD 在进行格划分时，必须基于实体才能进行格划分，所以即便是流体流动区域也需要构建一个实体。当CFD 仿真分析流体流动的问题时，对于传统和前端CFD 软件必须通过MCAD 软件在流动区域创建一个实体。这些工作通常在MCAD 软件中完成，流体区域可以通过固体区域和整体区域的布尔操作得到，之后将模型交换至第三方CFD 软件中进行格划分和求解。

与传统和前端CFD 相比，同步 CFD 的工作模式有很大不同。进行分析的模型是原始的MCAD 模型。所以，并不存在模型相互转换的问题。因此，同步 CFD 既不存在模型交换，也不存在创建流动区域的问题，并且可以实现自动的格划分。格划分的步骤必不可少，但是所需要的时间仅仅是几分钟而已。这些同步CFD 的优点都可以帮助用户节省工作时间，允许工程师进行更多的方案尝试，从而提高产品的可靠性和降低产品成本。

图中没有显示同步 CFD 所具有的一个最重要的优点。作为结构工程师可以自己进行CFD 分析，他们可以在很短的时间内在他们MCAD 软件中学习如何进行方案设计分析，由于不存在模型简化的步骤，所以节省了大量的时间。

CFD 流动分析正在帮助设计下一代的飞机

MCAD 建模是航空业标准的工作流程，现在同步CFD 软件也将给航空企业带来诸多好处。在航空产品研发的过程中，涉及到流体流动建模和仿真的应用有数百个之多，其中包括：

· 引擎入口，旁通和排气系统

· 风道，歧管，过滤器，阀门，喷嘴和泵

· 各种水利系统

· 燃油系统和油箱

· 电子设备冷却系统

· 热交换器和散热器

· 燃油和空气过滤系统

· 乘客座舱通风和热管理

· 环境控制系统

· 防结冰系统

· 排放物控制和减噪系统

· 导弹和火箭内外的空气动力学和热交换

· 薄膜冷却和动力加热系统

· 制动和推力反向系统

· 结构表面亚音速和超音速流动

· 整个飞机的空气动力学

· 例如机翼，机身，发动机舱，推力室，外部天线和风挡刮水器等零部件的空气动力学

现实中工程师如何使用CFD 进行分析

本文前面章节中多次强调仿真分析可以比建立物理模型测试有更多的优点，其中最重要的就是节省研发时间和花费。现在我们来看一些现实中证明CFD 高效率的实例，这些实例往往都有研发周期短，品质要求高，成本要求低的特点。

Bell Helicopter 改进油箱设计和节省油箱成本

要求

Bell Helicopter 是一家为许多商业和军事客户设计直升机的企业。对军事客户设计的直升机需要具有防御功能，以便在各种环境中保护直升机和内部人员。Bell Helicopter 需要一种非常经济的评估方法，用以得到可靠的分析结果指导直升机的设计。

Bell 的工程师被要求重新考虑和优化直升机的一个子系统，这个系统将氮气注入到直升机的油箱中，以取代氧气作为燃料的消耗。这样即便油箱被导弹击中，也不会有爆炸的危险。假设直升机处于敌人的火力之下，需要尽可能快的驶离现场，所以注入的氮气必须迅速填充满油箱。

在直升机起飞驶离现场之前，飞行员必须等待多长时间？什么时候他或她完全有信心油箱中的气体不会危及飞机的安全？这是一个时间问题，更是一个争分夺秒的问题。

通常，这类问题可以通过实际的物理测试得到答案。但测试方法昂贵，并且耗时很长。Bell 公司自身的特点会使测试的费用成倍增加，主要是因为直升机的通风系统是由欧洲的分包商负责，其它涉及的公司员工必须携带昂贵的设备到欧洲进行相关的测试工作。

解决方法

负责进行评估工作的工程师选择Mentor Graphics 的同步CFD 软件FloEFD 对直升机油箱内部的气体流动特性进行分析。她参考了Bell 评估的详细工作步骤和实际的油箱形状。她从Bell 整合产品团队处获得了初始条件，并且将其作为实体模型的边界条件。在FloEFD 完成格划分之后（图5），她对油箱进行了详细了分析，以获得油箱分析的格独立解。油箱外部的温度对于油箱的状况有非常重要地影响。划分的格必须能够精确的捕捉到流体流动方面的细小特征。

图 5 Bell 工程师使用FloEFD 软件划分格。格质量影响油箱内流体流动的分析结那末压力机在停工寄存时也需要留意寄存在干燥透风条件好的环境中果。

局部的格加密有助于获得精确的分析结果。

在格划分和定义完成之后，工程师对模型进行求解并且生成后处理可视化图片（图6）。FloEFD 也可以生成一个氧气浓度随时间变化的图表。

图 6 通过FloEFD 生成了直升机油箱内气体流动的迹线。分析结果表明在油箱的某几个区域没有足够的开孔

结果

由仿真结果得到的氧气浓度等值面图表明油箱的某些区域没有足够的气体进口。相应的这个潜在的设计风险被以比实验测试低很多的代价进行证实和解决。其中的一个解决方案就是增加一个辅助的气体因此我我们可以帮助到更多的用户做好以下这几种方便再分配喷嘴。如果到了模型测试阶段再发现这个问题，需要解决问题的花费是相当大的，并且有可能延误项目的研发。

在没有专业CFD 分析专家介入的情况下，FloEFD 可以使工程师评估和改进方案设计。及时和精确的FloEFD 分析节省了研发后期设计方案更改的费用。此外，工程师可以解决方案设计中的问题，从而节省了分析专家的人力和时间。

仿真软件可以给出使用者最需要的答案

仿真软件的价值已经被多次证明。仿真软件的价值体现的一个重要方面可以概括如下：产品错误设计的花费会随着产品研发的推进，而呈现几何级数的增加。这个事实说明，无论是集成电路还是航空设备子系统的问题，仿真分析都可以减少出现产品设计错误的风险。

设计错误的出现是人们草率和错误交流所产生的。在工程师完成产品设计之前，他可以自己发现产品设计缺陷并进行解决，解决问题的成本可能只有几分钟而已。可能他有很多产品设计需要改进的信息，但所要做的工作可能就是简单敲几下键盘。即便某些设计错误进入到生效阶段，纠正错误的成本相对而言还是比较底。

如果工程师没有注意到这些设计错误，并且在样机阶段才意识到这些错误。这时候纠正这些错误的代价非常巨大。样机需要被修改，甚至可能被废弃。一个原本几美元就可以解决的问题，现在可能需要花费10倍的费用，并且还没考虑项目延期的损失。

如果产品设计错误由于某些原因进入到生成阶段，那么纠正错误的成本又要在之前的纠正成本上乘以10。已经生产的产品需要被废弃或花大价钱修改。现在，原本需要几美元解决的问题，可能需要几百美元来解决。此外，特别是某些产品为了快速进入市场抢占市场份额时，产品研发延期的损失也非常巨大。如果一个产品错过了产品进入市场的黄金窗口，整个产品的市场份额可能被大幅削减。

最后，无法想象的是这些产品设计错误鬼使神差一般的随着产品到用户的手里。此时，纠正的花费又是之前花费的10倍。有可能需要对缺陷产品进行召回，由此对公司的声誉造成无法估量的影响。如果一个产品设计问题被延续到最终的产品阶段，可以确定不是出于利润的考虑就是公司自身的问题。

从产品初步设计到最终产品，纠正产品设计错误的花费成几何级数增长。

产品进入市场之后进行的纠正花费可能是产品初步液压系统设置两种压力设计时的数千倍。

仿真分析可以帮助工程师避免这些成倍的花费，主要是仿真软件可以在正确的时间帮助工程师做出正确的产品设计决策。仿真分析的目标就是避免在产品研发最初阶段出现设计错误，同时也监控样机和产品阶段是否会出现产品设计错误。仿真分析提供了一个深度了解产品性能的工具。在产品设计的初期使用仿真分析软件意味着尽可能早的得到产品性能的重要信息，并且这些信息对于之后的产品设计非常重要。(end)