本文作者：Yannick Baux，Cadence產(chǎn)品研發(fā)總監(jiān)

汽車行業(yè)一直使用 CFD 工具來(lái)設(shè)計(jì)和優(yōu)化車輛的各個(gè)方面，從外部空氣動(dòng)力學(xué)到降噪，再到熱管理、內(nèi)部燃燒等等。大多數(shù)情況下，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，所有上述內(nèi)容被結(jié)合在一起，稱為虛擬原型，以便將車輛作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。然而，各種應(yīng)用背后的物理原理往往大不相同，這就意味著需要為每個(gè)特定的應(yīng)用采用專門(mén)的技術(shù)。因此，設(shè)計(jì)師、科學(xué)家或工程師經(jīng)常使用大量不同的 CAE 代碼和軟件工具，這些工具都有不同的界面（GUI）、數(shù)據(jù)設(shè)置、結(jié)構(gòu)和格式，且每種工具都專注于自身特定的學(xué)科，之間沒(méi)有聯(lián)系或聯(lián)系不緊密。對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)，非常有必要為用于多學(xué)科設(shè)計(jì)和優(yōu)化循環(huán)的整個(gè) CAE 工作流程提供一種更全面、更有效率的工作方法。

這就是 Cadence OMNIS軟件的用武之地：這是一個(gè)端到端的 CAE 環(huán)境，提供了專門(mén)的工具來(lái)快速有效地解決仿真過(guò)程的每一步——

OMNIS 為從設(shè)計(jì)到結(jié)果分析在內(nèi)的整個(gè) CAE 工作流程提供了全局性的方法，用戶可以通過(guò)一個(gè)超流暢的用戶界面開(kāi)始工作，或通過(guò) Python API 自動(dòng)控制，甚至還可以由優(yōu)化模塊控制。其統(tǒng)一的用戶界面減輕了用戶的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，一致的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)避免了緩慢的文件轉(zhuǎn)換和惱人的損壞錯(cuò)誤。獨(dú)特的 OMNIS 框架使各種工具能夠在一個(gè)工作流程中相互溝通，同時(shí)內(nèi)置的多種求解器允許用戶使用廣泛的技術(shù)來(lái)解決任何流體/聲學(xué)流問(wèn)題，并且靈活性高，支持通過(guò) API 導(dǎo)入內(nèi)部開(kāi)發(fā)的或開(kāi)源的求解器和工具。

圖1：OMNIS的廣泛應(yīng)用

本文將介紹 OMNIS 如何憑借其廣泛的 CFD 技術(shù)，解決汽車設(shè)計(jì)中最復(fù)雜的流體流挑戰(zhàn)，同時(shí)在一個(gè)精簡(jiǎn)、易于使用的協(xié)作工作流程中減少工程設(shè)計(jì)和求解時(shí)間。

圖 1 的例子介紹了各種應(yīng)用，如：引擎蓋下的熱管理、外部空氣動(dòng)力學(xué)、動(dòng)力系統(tǒng)、聲學(xué)和引擎蓋下的部件，如渦輪增壓器。所面臨的挑戰(zhàn)是：大相徑庭的物理學(xué)原理，不同的部門(mén)參與，以及設(shè)計(jì)周期的嚴(yán)格限制。對(duì)此，OMNIS 提供的解決方法是——

軟件仿真準(zhǔn)備

要想成功設(shè)置軟件仿真，首先要為仿真準(zhǔn)備幾何模型。除了直接在 OMNIS 中創(chuàng)建設(shè)計(jì)外，還可以直接打開(kāi)主流的文件格式（例如 ACIS、IGES、STEP、STL、Parasolid、CATIA、Pro/ENGINEER 或 SolidEdge），導(dǎo)入外部幾何圖形。

在 OMNIS 中，幾何圖形在整個(gè)軟件仿真過(guò)程中都保持不變，確保了模塊之間的無(wú)損傳輸和分析的一致性。為了確保初始設(shè)計(jì)的可靠性達(dá)到最佳水平，OMNIS 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)直接指向 CAD 數(shù)據(jù)。所有材料、物理和數(shù)字屬性都與 CAD 模型實(shí)體相聯(lián)系。相同的 CAD 命名和層次結(jié)構(gòu)將保證仿真設(shè)置的一致性，并將自動(dòng)工作流程中的用戶工作量降到最低。

生產(chǎn)級(jí)的幾何圖形可能包含間隙、干擾、緊固件和非常小的物件。這些物件對(duì)于制造來(lái)說(shuō)往往是必要的，但對(duì)于仿真來(lái)說(shuō)卻增加了不必要的復(fù)雜性。為了以自動(dòng)化程度最高的方式為軟件仿真準(zhǔn)備幾何圖形，必須使用編輯設(shè)計(jì)工具。

圖2：創(chuàng)新的 AutoSeal 功能優(yōu)于所有其他標(biāo)準(zhǔn)的編輯和修復(fù)幾何工具。

特別地，填補(bǔ)拓?fù)淇缀涂p隙是主要的耗時(shí)操作之一，如車門(mén)和乘客艙之間的縫隙，或拆除連接渦輪增壓器渦殼兩部分的螺釘后留下的孔。在這方面，創(chuàng)新的 AutoSeal 功能優(yōu)于所有其他標(biāo)準(zhǔn)的編輯和修復(fù)幾何工具。

現(xiàn)在，用戶可以一鍵修復(fù)非水密性的不平整的任意幾何體，將工程時(shí)間從幾天縮短到幾個(gè)小時(shí)：

一個(gè)熟練的工程師以前通常需要用一整周的時(shí)間來(lái)填補(bǔ)一個(gè)車艙空間的所有孔；現(xiàn)在，借助 AutoSeal，整個(gè)過(guò)程耗費(fèi)的時(shí)間已經(jīng)縮短到了一個(gè)小時(shí)左右。

Honda（本田公司）

預(yù)處理

目前，沒(méi)有哪一種單一的網(wǎng)格生成技術(shù)可以滿足所有應(yīng)用的要求，在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)也是如此；因?yàn)樵O(shè)計(jì)的大小、形狀、復(fù)雜性和相關(guān)的物理學(xué)原理都不盡相同。解決方案必然來(lái)自于結(jié)合使用各種網(wǎng)格生成技術(shù)。

OMNIS 的網(wǎng)格生成策略有兩個(gè)方面：一是將所有的網(wǎng)格技術(shù)提升到最佳狀態(tài)，然后是在計(jì)算領(lǐng)域內(nèi)結(jié)合使用最合適的技術(shù)。非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格生成為處理幾何體的復(fù)雜性提供了更多的靈活性；同時(shí)，OMNIS/Hexpress 用戶可以選擇帶有懸掛節(jié)點(diǎn)的全六面體網(wǎng)格，或混合元素共形網(wǎng)格，“不太整潔”的幾何體容限體積到表面的方法，或表面到體積的方法，膨脹、變形或擠壓邊界層膨脹技術(shù)，等等。

例如，Honda的工程師負(fù)責(zé)執(zhí)行和分析引擎蓋下的 CFD 氣動(dòng)熱計(jì)算：散熱器風(fēng)扇、發(fā)動(dòng)機(jī)艙/外圍設(shè)備周圍的流體、排氣系統(tǒng)等——

我們的預(yù)處理階段曾經(jīng)十分耗時(shí)且繁瑣。在切換到 OMNIS/Hexpress 后，成功地將 CPU 時(shí)間縮減到過(guò)去的三分之一，工程時(shí)間縮短到每個(gè)網(wǎng)格 30 分鐘，取代原先的幾周時(shí)間。

Honda（本田公司）

圖3：Honda工程師負(fù)責(zé)執(zhí)行和分析引擎蓋下的 CFD 氣動(dòng)熱計(jì)算，借助OMNIS/Hexpress，成功地將 CPU 時(shí)間縮減到過(guò)去的三分之一。

多年來(lái)，業(yè)內(nèi)一直致力于實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化的多模塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成，因?yàn)樗哂凶吭降木W(wǎng)格質(zhì)量，并且單元數(shù)量更少。在這一領(lǐng)域，AutoGrid5 是推進(jìn)器、能源和發(fā)動(dòng)機(jī)行業(yè)中無(wú)可爭(zhēng)議的全球標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)其基于向?qū)У膶Ｓ霉ぷ髁鞒蹋梢灾笇?dǎo)用戶在幾分鐘內(nèi)為廣泛的渦輪機(jī)械應(yīng)用生成 100M 以上的高質(zhì)量單元。

OMNIS 將葉片部分的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與渦流部分的全六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合，使流體求解器以每百萬(wàn)節(jié)點(diǎn)、每個(gè)內(nèi)核 30 分鐘至 2 小時(shí)的速度完成收斂（圖 4）。

圖4：OMNIS 將葉片部分的高質(zhì)量結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與渦流部分的全六面體非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合。

使用十幾個(gè)內(nèi)核，在 3-4 個(gè)工作條件下新設(shè)計(jì)的氣動(dòng)分析可以在 2 小時(shí)內(nèi)完成！與標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)求解器相比，這個(gè)結(jié)果令人印象深刻，因?yàn)楹笳咝枰徽斓臅r(shí)間才能完成。

Ford（福特公司）

廣泛的求解器技術(shù)

現(xiàn)在，人們會(huì)使用多個(gè)求解器來(lái)解決復(fù)雜的工程仿真任務(wù)。這種方法被廣泛用于多物理學(xué)仿真，其中為特定物理學(xué)特性而設(shè)計(jì)的求解器被結(jié)合起來(lái)，用于分析不同物理現(xiàn)象對(duì)所分析幾何體整體行為的影響以及它們的相互作用。覆蓋從流體-結(jié)構(gòu)相互作用仿真到航空聲學(xué)分析和各種復(fù)雜的流動(dòng)物理學(xué)，如多相和多物種流，以及與優(yōu)化框架的聯(lián)系。OMNIS 通過(guò) OMNIS/Turbo、OMNIS/Open、FINE/Marine、FINE/Acoustics 和 FINE/FSI-Oofelie 提供了一系列強(qiáng)大的求解器，還提供了一個(gè)用于連接外部工具、開(kāi)源工具和求解器的 Python API。

例如，汽車外部空氣動(dòng)力學(xué)的主要焦點(diǎn)是預(yù)測(cè)阻力和升力的準(zhǔn)確性，阻力和升力用于衡量設(shè)計(jì)性能。雖然這些仿真通常任務(wù)繁重，但數(shù)值算法必須是有效的、經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的，仿真工作流程必須是穩(wěn)健的、獨(dú)立于用戶的。為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，OMNIS/Open 為汽車空氣動(dòng)力學(xué)模板提供了最佳的網(wǎng)格、數(shù)值和物理設(shè)置，預(yù)設(shè)了最大的速度和穩(wěn)健性，并且?guī)缀鯚o(wú)需用戶干預(yù)。

OMNIS/Turbo 的結(jié)構(gòu)化方法對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械周邊設(shè)備（如渦輪增壓器或水泵）來(lái)說(shuō)十分有益，這也是上文所提到的；與市場(chǎng)上的其他技術(shù)相比，其速度和精度都有明顯的優(yōu)勢(shì)，速度提高了 10 倍到 20 倍！當(dāng)利用 HPC 將 CPU 和 GPU 結(jié)合起來(lái)時(shí)，速度優(yōu)勢(shì)會(huì)更進(jìn)一步提高。在離心式壓縮機(jī)上，可以獲得 3 到 5 倍的速度提升。

另一方面，由于移動(dòng)部件和體與體接觸 (body-to-body contact)，傳統(tǒng)流動(dòng)求解器無(wú)法勝任齒輪箱潤(rùn)滑分析。OMNIS/LB 能夠在中觀尺度上處理復(fù)雜的幾何形狀，而無(wú)需耗費(fèi)精力設(shè)置和微調(diào)網(wǎng)格。該解決方案提供了 LES 級(jí)的表示，可以捕捉復(fù)雜的現(xiàn)象，如飛濺、滴落、晃動(dòng)等。

得益于開(kāi)放的架構(gòu)，OMNIS 還支持基于強(qiáng)大的求解器插件 API 集成內(nèi)部求解器。C/C++、Python 或 Fortran API 提供了所有的構(gòu)建塊，然后將它們組合在一起，與外部求解器耦合，使其獲得上述所有能力。

設(shè)計(jì)探索

運(yùn)行單一方案往往只是軟件仿真過(guò)程的第一步。在大多數(shù)情況下，工程師希望研究備選設(shè)計(jì)方案并比較其結(jié)果。OMNIS 提供多種選擇來(lái)改變?cè)O(shè)計(jì)。得益于OMNIS 雙向 CAD 網(wǎng)關(guān)(匝道器)， 可以從 CAD 系統(tǒng)中參數(shù)化導(dǎo)入設(shè)計(jì)，或者用 OMNIS Agile 旋轉(zhuǎn)機(jī)械參數(shù)化葉片建模器生成，甚至可以用 OMNIS 變形工具從原始幾何形狀中變形而來(lái)，如下圖所示：

圖5：OMNIS/Morphing中的渦輪增壓器渦流。左圖為膨脹點(diǎn)或變形曲線驅(qū)動(dòng)，右圖為變形的幾何形狀。