从航空航天到千行百业,CAE仿真不再神秘
责任编辑:Destern     时间:2023-11-20     来源:转载于:云道智造
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分类: 学术交流
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  从北京到东京,乘坐波音787,2300余公里,3小时30分钟。

  航空工业的发展缩短了世界的距离。

  当你注视着一架巨型喷气式飞机从头顶飞过,是否有思考过这样一个问题:是什么支撑这架金属材质的庞然大物悬浮在空中?

 答案是数学。

  1738年,瑞士数学家丹尼尔·伯努利(Daniel Bernoulli)在专著《流体力学》(Hydrodynamica)中提出了“伯努利原理”,简单来说,即流体的压力会随着速度的增加而减小。如今,这个原理常被用来解释为什么飞机能够飞起来——机翼上方的特殊凸起,让流经弯曲上表面的空气流速比流经平坦下表面的空气流速更快,上下的压力差所产生的升力让飞机能够起飞。


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  尽管伯努利原理并不能完全解释“飞机为什么能飞起来”这个世纪难题,但风洞实验等海量数据都证实了这个数学原理和飞机设计之间的紧密关系。

  在航空航天领域,风洞实验(wind tunnel test)是飞行器设计的关键一环,即用人工制造的气流来模拟飞行器周围的气体分布及流动情况。这是一项非常烧钱的实验,有“风洞一响,黄金万两”的说法。波音公司在研发波音767时,进行了77次风洞实验;而在研发波音787时,实验的数字降低到了11次,大幅降低了研制成本,缩短了研发周期。这依靠的又是什么呢?

  答案是仿真。

  19世纪上半叶,由法国力学家纳维、爱尔兰数学家斯托克斯等人建立的流体力学模型Navier-Stokes方程,后来发展为计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD),让工程师可以使用计算机仿真来取代风洞物理实验。


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  仿真(Simulation),通俗来讲就是虚拟实验,工业领域常用仿真代指以CAE(Computer Aided Engineering,计算机辅助工程)软件为核心的数值模拟技术。用计算机仿真模拟来替代真实的物理实验,特别是大型、复杂的实验,可以大幅降低试错成本,提高研发设计效率。

  仿真技术与制造工程的结合,就始于航空航天领域。1966年,为解决航空航天工业对结构分析的迫切需求,美国国家航空航天局(NASA)主持开发了世界上第一款大型应用有限元程序Nastran。这是CAE仿真软件的起点。

  飞机设计是一项复杂的高技术工程,涉及流体力学、结构力学、材料、传热学等几乎所有重要的专业领域。随着计算机技术的发展,仿真技术在航空航天领域的应用逐渐成熟,用于指导产品的设计、制造和验证环节。大到整机的飞行分析,小到每一个零部件的制造,都可以通过仿真技术来降本增效,提升企业的核心竞争力。

  如今,历经六十多年的发展,仿真技术的应用已不局限于航空航天领域,正在赋能千行百业,造福千家万户。

  当你驾驶着爱车飞奔在高速公路,有没有想过这种安全、美观、舒适的体验从何而来?

  与飞机制造一样,汽车研制过程中也涉及空气动力学、结构力学、噪声、热力学等多个物理领域的复杂问题。随着行业竞争日趋激烈,汽车正在向新能源、纯电动、自动驾驶等领域发展,仿真技术在汽车的轻量化设计、气动优化设计、电气化发展等方面发挥越来越大的作用。


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  当你使用手机联络、工作、娱乐,高速运转的设备带来的发热问题是否让你困扰?

  这也是无数电子设备制造商正在攻克的难题。如今,电子设备朝着小体积、大功率、多功能的方向发展,随之而来的是高热流密度带来的散热问题。因此,在手机、电脑、机箱等电子设备的研发过程中,热仿真成为必不可少的一环


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  当你沉迷于种菜、养殖等小游戏,是否想过虚拟养殖技术早已在现实中得到应用?

  现代化畜牧养殖业朝着规模化、标准化、精准化方向发展,对厂房建设、环境监控提出了更高要求。利用仿真技术可以模拟各种畜牧养殖场景,比如模拟饲料、水源、疾病等对畜禽生长的影响,模拟不同温度、湿度对厂房设计、日常运营的影响等,从而提高畜禽的生长发育水平,有效降低产业成本。


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  仿真,用数字世界的无限次试错,成就物理世界的一次成功。

  无论是航空航天、轨道交通、电子信息等高端工业领域,还是农业工具、生活用品制造乃至畜牧养殖,仿真技术的影响已扩大到国民经济的各个领域。以仿真软件为代表的工业软件,已成为智能制造领域的关键核心技术,也是目前典型的“卡脖子”领域。

  当前,工业软件正在经历技术变革期。互联网与工业渗透结合,“分布式”成为大势所趋。仿真软件正在从集中走向分布,越来越多面向行业的仿真软件如雨后春笋般出现。未来,还将产生海量面向设备、产品、模型的仿真APP。仿真技术将实现普惠应用,赋能每一个行业,每一个企业,每一个工程师。


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  翻看历史,航空制造业是孕育工业软件的摇篮,二者相伴一起高飞,造就了当今世界航空领域美国波音和欧洲空客的两极争霸,以及一大批欧美工业软件巨头的诞生。

  中国大飞机和自主工业软件将飞向何方?

  可喜的是,就在5月28日,中国大飞机C919圆满完成全球首次商业载客飞行。浩瀚蓝天中,除了A(Airbus,空客)和B(Boeing,波音),终于有了C(Comac,中国商飞)的身影。相信已经起飞的中国大飞机,一定会带着自主工业软件一起翱翔。


来源:转载于:云道智造


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