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智能设计与联合仿真案例

模板运行前提​

当前算盘环境已购买装备智能设计工具箱，且该工具箱可正常使用

业务背景

航舶螺旋桨的功用是将船舶主机发出的功率转变为船舶前进（或后退）的动力。推动船舶前进的各种机构统称为船舶推进器。船舶推进器有螺旋桨、喷水推进器、平旋推进器、明轮和Z形推进器等。其中，螺旋桨的结构简单，重量轻，效率高，工作可靠，是目前船舶应用最广泛的推进器。螺旋桨是一种反作用式推进装置，螺旋桨旋转时，桨向后（或向前）推水并受到水的反作用力而产生向前（或向后）的推力。螺旋桨是由桨叶和桨毂两部分组成，桨叶是螺旋桨产生推力的构件，通常有三叶和四叶。桨毂是桨叶与桨轴的连接构件。有些螺旋桨还安装有导流罩（流线型桨帽），使螺旋桨尾部的线形光顺，降低螺旋桨工作阻力。研究船舶螺旋桨的受力情况对提升螺旋桨推进功率、减少振动并改善空泡现象具有重要意义。
本案例计算某轮船螺旋浆受到流道的轴向压力载荷和转速载荷共同作用下的受力特征。轴向压力和转速由Amesim系统仿真给出，然后传递给Ansys Workbench进行有限元动力学分析，得到螺旋浆应力大小及应力分布结果，为后续的结构安全性评估提供依据。

仿真操作步骤

2.1 Amesim系统仿真​

  1. 模型组成

amesim模型为轮船模型，仿真为轮船螺旋桨由初始转速提升到期望转速再保持的过程，控制器接收给定的期望螺旋浆转速信号，下发控制信号给发动机，发动机通过传动轴与螺旋浆连接，螺旋浆转动为轮船提供前进推力，驱动轮船运动。 amesim完整模型如下图，模型主要由四部分组成：

  • 发动机模型（包含曲轴、动态气缸压力发生器等元件模型）
  • 传动轴模型（包含惯性负载、弹簧、阻尼器等元件模型）
  • 轮船模型（包含螺旋浆、船舶元件模型）
  • 控制器模型（包含信号发生器、PID控制器、滤波器等元件模型）

  1. 模型参数设置
    1. 模型输入参数：模型运行时间（60s，默认即可），螺旋浆属性参数（直径、叶片数、叶片面积比，默认即可），螺旋桨初始转速参数（默认即可），期望的螺旋浆转速参数（分两个阶段，提速阶段和稳定阶段，用户自定义，最好大于40），PID控制器参数（选填，默认即可）。
    2. 模型输出参数：螺旋浆的转速、螺旋浆输出的轴向推力。

2.2 Ansys Workbench动力学仿真​

  1. 简化工程问题

忽略转轴、轴承和装配件对螺旋浆转动的刚度、阻尼和摩擦等影响

  1. 建立Workbench分析流程

采用Mechanical的Transient Structural模块分析（静态分析会提示约束不足计算报错），在螺旋浆柱面施加转动副，并添加转速载荷和压力载荷即可。
几何模型：
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  1. Mechanical分析设置

    1. 螺旋浆选材采用常用的Q235钢，常用力学属性如下所示： | 材料名称

      弹性模量（MPa）泊松比密度（kg/m^3）屈服强度
      （MPa）      		抗拉强度
      （MPa）
      Q2352.1e50.37850235375~500

    2. 转动副和载荷设置

    3. 求解

  1. 参数标记

为了后续接入算盘，在此模型选取部分参数进行标记。输入参数考虑转速和压力载荷的大小，输出参数考虑整个过程中的最大位移和最大等效应力。

基于算盘实现联合仿真

Amesim项目文件：
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Workbench项目文件：
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3.1 联合仿真后面板​

  1. 组件功能说明
    1. Amesim/Workbench仿真接口：用于上传仿真工程文件并提供参数解析、运行仿真任务等功能
    2. 数据转换组件，将Amesim仿真接口的输出数据转化为Workbench仿真接口的输入，比如数组取平均值、单位转换等。
    3. 云图数据提取：读取回传算盘的场数据文件，解析场数据文件和标量数据。
    4. 三维场景：用于渲染三维模型；显示文本用于显示最大位移和最大等效应力的数值
  2. 模板操作说明 详细过程可参考仿真接口组件说明文档，上传文件后解析参数，并选择相应的输入输出参数 详细过程可参考数据转换组件说明文档，对Amesim仿真接口的输出做一定处理 详细过程可参考仿真接口组件说明文档，上传文件后解析参数，并选择相应的输入输出参数
    1. Amesim仿真接口
    2. 数据转换组件
    3. Workbench仿真接口
    4. 在Amesim仿真接口组件点击运行，等待计算完成，在前面板查看结果

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基于联合仿真的MDO应用​

在联合仿真数字样机完成后，结合MDO工具集可对数字样机的输入输出参数进行敏感性、相关性、参数优化分析等。
下图是DoE联合仿真后面板

  1. 组件功能说明（与联合仿真模板同名组件功能不再赘述）
    1. sim2mdo完成对多个仿真接口参数的收集以及workbench仿真接口的输出处理
    2. DoE集成组件用于对参数进行筛选以及DoE算法的定义和流程触发
    3. 数据库写入复合组件用于保存DoE过程中生成的仿真输入和输出参数
    4. 实时结果跟踪复合组件用于通过设计表、平行坐标图等实时展示DoE过程中的仿真输入和输出参数
  2. 模板操作流程
    1. 前3个步骤与联合仿真流程类似，完成仿真模型的参数标记以及数据转换组件的配置
    2. 打开DoE组件的界面，完成组件的相关配置，点击▶按钮即可完成DoE模板的运行
      1. 选择DoE算法
      2. 配置参数的设计空间
      3. 设置并发数（可选）
      4. 定义此次分析的案例名称
      5. 点击▶按钮开始运行

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3.3 三维展示​

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-->paraview加载显示 该示例文件网格尺寸为15mm

import pyansys fname = "ds.dat" # Read ansys archive file archive = pyansys.Archive(fname) grid = archive._parse_vtk(force_linear=True) grid.save('rotate.vtu', binary=False)

如果将网格尺寸（或者几何设计参数）作为Workbench模型参数，在计算过程中会与初始上传的模型VTU文件不一致，导致渲染异常。所以目前接入三维组件无法实现对仿真模型的变更，这对智能设计场景可能是个比较大的功能缺失。

  1. 三维组件是否可以将VTU文件也作为流数据接收
  2. 驱动本身需要支持实时生成VTU文件

附件

算盘模板包，导入与应用开发频道后，若环境支持装备智能设计与联合仿真架构，模板可以直接运行使用
amesim_fluent.zip