流体仿真中SCDM软件的基本工作流程

ANSYS SpaceClaim Direct Modeler （简称 SCDM） 是基于直接建模思想的新一代 3D 建模和几何处理软件。SCDM 可以显著地缩短产品设计周期，大幅提升CAE 分析 的模型处理质量和效率，为用户带来全新的产品设计体验。 SCDM 提供给 CAE 分析工程师一种全新的 CAD 几何模型的交互方式， 可以对现有 的模型进行动态的参数化调整，使得对基于特征建模的 CAD 系统不熟悉的产品 研发工程师可以快速建立或者修改 3D 几何模型，在产品的设计初期即可对产品 性能进行仿真。 SCDM基于直接建模思想的集成工作环境使工程与设计人员能够以最直观的方式 进行工作， 可以轻松地对模型进行操作以解决实际工程问题。使用者不必承受模 型再生失败而带来的成本困扰，无需考虑错综复杂如迷宫般的关联关系。 SCDM 作为 ANSYS 软件体系中几何建模工具的重要组成部分， 适合于多种数据来 源的 CAD 模型的快速修改、非参数化中性 CAD 模型的参数化，进而最大程度地 支持设计优化，同时其本身提供了操作简洁直观的几何建模功能，适合于CAE 仿真模型的快速建立。 SCDM 集成于 ANSYS Workbench 平台，可以直接在 ANSYS Workbench平台的工程 窗口中直接启动。 在 CFD 仿真中，流体工程师通常要按照“几何-网格-求解-后处理”的顺序开展工 作，如下图所示。几何部分的工作可以被认为是仿真的第一步，也是连接CAD 与 CAE 的桥梁。 从 ANSYS 16.0 版本开始， 我们就强烈推荐各位工程师使用 SCDM 软件来完成 “几 何”环节的工作，因为SCDM 在仿真前处理的各个方面都具备强大的功能，帮助 我们高效准确的完成 CAD-CAE 的工作流程。 SCDM 的基本工作流程如下图所示： 通常，我们可以将基于 SCDM 软件的 CFD 前处理工作，简单的分为 5 个部分： ★读入模型 ★处理模型 ★流体区域 ★仿真完善 ★输出几何 （一）读入模型 SCDM 具备几乎所有主流 CAD 格式的读入接口，这就给我们的“仿真驱动设计 （Simulation Driven Design ） ”目标提供了最基础的技术支持，SCDM 可以直接读 取 ProE、UG、CATIA、Solidworks 等软件的零件（.prt）和装配体（.asm）文件。 （当然，对应的版本有一定限制，比如说低版本的 SCDM 不能读取高版本的 UG 文件。 ） 同时，SCDM 还能高效的读入（与写出）中立格式的CAD 几何，常见的格式 有.stp、.igs、.x_t、.stl 等。 当然，SCDM 还具备直接建模的能力，按照草图实体变换布尔运算的思路 进行快速建模，无特征、无约束，非常适合概念设计与简单模型生成（可用于测 试求解器参数） 。 （二）处理模型 当仿真的模型是从 SCDM 直接建立的时候，通常不需要做模型的处理，这一个步 骤也就被忽略掉了。 但绝大多数的情况下，企业中的仿真工程师与设计工程师都是分开的，设计工程 师也通常也不会使用 SCDM 做完整的设计工作，大多数仍旧使用传统的 CAD 建 模软件， 这就对设计与仿真的连接提出了更为严格的要求，也是流体仿真工程师 工作中的一个难点。 流体仿真处理模型的对象通常是固体（设计）区域，因为流体区域是通过布尔运 算得到的（而不是设计出来的） 。 通常意义上的流体仿真处理模型分两步：修复模型和简化模型。 1. 1. 修复模型修复模型 修复模型的主要目的是获得（多个）实体。各种格式的几何文件导入到SCDM 里 面后，都会或多或少的出现几何数据传递的错误，常见的几何错误有： ★面缺失 ★面缝隙 ★面（线）错误 ★…… SCDM 具备有专门的工具来处理这些问题： 第一类：自动化工具，主要包括“拼接、间距、缺失的表面” ●拼接（Stich） ：将多个面拼接成为一个（在结构树中）面 几何数据在传递的过程中不可避免的会出现容差不一致的情况， 这一类情况通常 会导致实体几何被拆散成多个面； 当然， 这些面的位置关系通常还是可以保证的， 因此，对于此类问题，拼接是一个有效的操作，能够快速将单个实体复原。 ●缺失的表面（Missing Faces） 如果数据传递的过程中出现了面缺失的情况，即使将多个面拼接成了一个面，也 不会得到实体几何，原因就是几何不封闭、不水密，只能是一个大的面，而无法 成为实体。 这个时候缺失的表面功能就派上用场了，他可以自动修复面缺失的情况，从而封 闭几何，得到实体。 ●间距（Gap） 间距的功能与缺失的表面类似，从一个简单的角度来理解，就是大的面用缺失的 表面修复，小的面用间距修复。因此缺失的表面功能通常需要输入最小值，而间 距功能需要输入最大值。 对于自动修复几何的方法，通常按照以下规则： 1.首先使用拼接功能修复（高版本的软件记得勾选”检查重合” ） 2.随后检查间距和缺失的表面，优先修复数量少的问题 3.对于失败的问题，进行手动修复 4.对于主要特征面缺失的情况，建议另外导入包含该面的其他文件 第二类：手动工具，主要包括“融合、拉动、填充等（针对非实体结构的操作） ” 当几何的数据比较复杂（如大量的高阶曲面等）时，往往会出现自动修复失败或 对修复的面形状不尽满意的情况，这个时候就需要进行手动修复。手动修复通常 较为复杂， 需要工程师具备较高的软件熟知程度以及清晰的修复思路，本文限于 篇幅暂不做介绍。 2. 2. 简化模型简化模型 修复模型结束之后， 我们通常会得到 （多个） 实体， 接下来就是简化模型的工作。 流体仿真的简化原则通常按照以下的一般性要求来完成： ①简化掉特别细小的特征 ②简化与主要流场区域不相关的小特征 ③简化尖角区域 ④适当的简化狭缝区域 ⑤处理流场内部的薄壁挡板 ⑥其他需要简化（或几何修改）的情况 通常意义上，简化几何的最终目的是： ★减小网格总数量 ★避免出现网格质量太差的区域 简化模型时常用的 SCDM 功能： ●填充 填充是去除独立额外特征的利器，但需要对实体上的面进行操作；填充的本质是 删除掉选中的面，随后对未选中的面进行延伸来封闭实体。 ●拉动 当有一些特征不太容易使用填充去除的时候， 拉动可能会更容易的产生希望的效 果；当然，如果我们的目的不是去除特征，而是对几何进行一些修改的时候（如 增加缝隙的距离） ，拉动还是一个必要的操作。 ●合并表面 实体的表面上会有很多特征边，如果这些边之间的夹角很尖锐，那么往往会降低 网格的质量，合并表面可以去除掉这些尖锐的特征；当然，也有改变面形状的风 险，这些可以通过测量功能进行定性的判断。 ●移动、对齐、组合等 其他的工具也有使用的时机，这和几何调整的需求是分不开的，限于篇幅暂不展 开介绍。 简化几何，最为重要的就是目的明确，我们必须要先清楚几何改变以后的样子， 这样才能选择合适的工具，高效的达成目标。 简化模型的时机：简化模型的时机： 简化模型通常对固体操作，但需要十分清楚哪些固体区域是需要化简的（如不与 流体区域接触的位置，实际上是不需要简化的） ，否则工作量会大幅增加，且很 多操作无效。 也可先提取流体区域，再对流体区域（实体几何模型）进行简化，这