OMNIS - 应对当今和未来的多物理场仿真挑战 - Automotive Focus

汽车行业在设计和优化车辆的每个部分时都使用 CFD 工具，从外部空气动力学到降噪、热管理、内燃机等。在设计过程中，通常会结合上述所有内容来创建所谓的虚拟原型，以优化车辆作为一个系统。然而，每个应用程序的物理环境通常非常不同，每个应用程序都需要专门的技术。因此，设计师、科学家和工程师经常使用大量不同的 CAE 代码和软件工具，它们具有不同的界面 (GUI)、数据设置、结构和格式，每个都有特定的领域。因此，它们之间的联系要么不存在或坏了。对于这些用户，必须对整个 CAE 工作流程采取更全局的方法，并实现复杂的设计和优化循环。

这就是 Cadence Omnis 的用武之地：一个端到端的 CAE 环境，带有专门构建的工具，可以快速有效地解决仿真过程的每个步骤。Omnis 为从设计到结果分析的整个 CAE 工作流程提供了一种全局方法，可以由用户通过高度复杂的用户界面进行操作，也可以使用 Python API 自动控制，甚至可以由优化模块控制。统一的用户界面简化了用户的学习过程，一致的数据结构避免了文件转换延迟和严重的损坏错误。独特的 Omnis 框架允许工具在单个工作流中进行通信，多个求解器可以访问广泛的技术来解决任何流体/声学问题，并且通过 API 您还可以灵活地插入内部或开源求解器和工具。

在本文中，Omnis 凭借其广泛的 CFD 技术解决了汽车设计中最复杂的流体流动挑战，同时在完全简化的易于使用的协作工作流程中缩短了工程和分析时间。我将向您展示它是如何缩短的. 图 1 中的示例说明了各种问题，包括引擎盖下热管理、外部空气动力学、动力总成、声学和引擎盖下组件（如涡轮增压器）。每个问题都有不同的挑战。

物理处理不同，涉及不同部门，吞吐时间受到严格限制。Omnis 做到了这一切。

模拟准备

设置成功的模拟从准备用于模拟的几何模型开始。除了直接在 Omnis 中创建设计外，Omnis 还可以直接打开流行的文件格式，如 ACIS、IGES、STEP、STL、Parasolid、CATIA、Pro/ENGINEER 或 SolidEdge 以导入外部几何图形。

Omnis 在模拟过程中保存几何图形，以确保模块之间的无损传输和分析一致性。Omnis 数据结构直接指向 CAD 数据，以实现最大的初始设计可靠性。所有材料、物理和数值属性都链接到 CAD 模型实体。相同的 CAD 命名和层次结构可确保仿真设置的一致性，并最大限度地减少自动化工作流程中的用户输入。

制造级几何体可能包含间隙、干涉、紧固件和非常小的特征。这些机制对于制造来说是必需的，但会为模拟带来不必要的复杂性。因此，需要编辑设计工具以尽可能自动化的方式准备用于仿真的几何图形。

一项特别耗时的工作是密封拓扑孔和缝隙，例如汽车车门和乘客舱之间的缝隙，或者在拆除连接涡轮增压器蜗壳两部分的螺栓后留下的孔。在这方面，革命性的 AutoSeal 超越了其他标准的编辑和修复几何工具。

现在只需单击一下即可修复任何非水密、非共形几何体，从而将工程时间从数天缩短为数小时。例如，本田报告说，过去，熟练的工程师通常需要整整一周的时间来堵住机舱空间中的每个孔。但是使用 AutoSeal，整个过程缩短到一个多小时。

预处理

网格划分技术在大小、形状、复杂性和要解决的问题类型方面差异很大，现在或在可预见的未来，不太可能有一种单一的网格划分技术可以满足所有应用程序的需求。因此，将结合网格生成技术来解决。Omnis 的网格划分策略有两个方面：最大化所有网格划分技术并结合计算域内最合适的技术。非结构化网格生成更适合复杂的几何形状。在灵活性方面，Omnis/Hexpress 用户可以选择带有悬挂节点的全六面体网格，或混合元素共形网格，用于“不太干净”几何体的 V2S 方法，或 S2V 方法，inflation，你可以例如，选择通过变形或挤压插入边界层。例如，本田工程师正在分析引擎盖下的 CFD 空气动力学和热力仪表：散热器风扇、发动机舱和外围设备周围的气流、排气系统等。预处理阶段过去既耗时又繁琐。切换到 Omnis/Hexpress 后，我们能够将 CPU 使用率提高三倍，并将工程时间从数周缩短至 30 分钟/网格。

“本田工程师正在对引擎盖进行空气动力学和热力计算。他们的预处理阶段过去既耗时又繁琐。改用 Omnis/Hexpress 后 3 我们能够将其翻倍，将我们的工程时间从数周减少到 30 分钟/网。”

就出色的网格质量和减少的单元数而言，全自动生成多块结构化网格长期以来一直是一个目标。AutoGrid5 在推进、能源和发动机行业的这一领域得到全球认可。基于向导、特定于应用程序的工作流程使用户能够在几分钟内生成超过 1 亿个高质量单元格，只需单击几下即可解决广泛的涡轮机械应用程序。

结合机翼中的高质量结构化网格和蜗壳中的全六面体非结构化网格，Omnis 通常可以在 30 分钟到每百万节点每个核心 2 小时内收敛流动求解器（图 5）。福特证明，可以使用 12 个内核在 2 小时内在 3-4 种操作条件下对新设计进行空气动力学分析。考虑到使用标准商业求解器完成此任务需要一整天，这是一个令人惊讶的结果。

  “福特声称它可以在 2 小时内使用 12 个内核在 3-4 种操作条件下对新设计进行空气动力学分析。与 Solver 相比，结果非常好。”

多功能求解器技术

现在通常使用多个求解器来解决复杂的工程仿真任务。这种广泛用于多物理场仿真的方法结合了为特定物理场设计的求解器，以分析不同的物理场如何影响所分析几何体的整体行为并与之相互作用。从流固耦合仿真到气动声学分析，再到各种复杂的流动物理学，例如多相流和多组分流，以及与优化框架的连接。Omnis 提供强大的求解器，例如 Omnis/Turbo、Omnis/Open、FINE/Marine、FINE/Acoustics、FINE/FSI-Oofelie，以及用于外部开源工具和求解器的 Python API。

例如，在汽车外板的空气动力学中，一个关键点是如何准确预测影响设计性能的阻力和升力。这些模拟通常很繁重，但数值算法必须高效且经过验证，并且模拟工作流程必须稳健且独立于用户。为了实现这些目标，Omnis/Open 提供了优化的网格、预设的数值和物理设置以实现最大速度和稳健性，并为汽车空气动力学提供了模板。

涡轮增压器和水泵等旋转机械外围设备可以极大地受益于上一节介绍的 Omnis/Turbo 的结构化网格方法，与市场上的其他技术相比，成本高出 10 到 10 倍，速度和精度提高 20 倍。利用结合了 CPU 和 GPU 的 HPC 的强大功能，进一步提高了速度优势。离心式压缩机提供额外的 3-5 倍加速。

另一方面，齿轮箱润滑分析具有传统流动求解器无法处理的运动部件和车身接触。Omnis/LB 可以在细观尺度上处理复杂的形状，而无需设置和微调网格。该解决方案提供 LES 级表示，可以捕获复杂的现象，例如飞溅、掉落和晃动。

Omnis 还具有开放式架构，允许基于强大的 Solver Plugin API 集成内部求解器。C/C++、Python 或 Fortran API 提供所有构建块并将它们组合起来以连接外部求解器并让您访问上述所有功能。

追求设计

运行单个场景通常只是模拟过程的第一步。工程师经常想考虑设计备选方案并比较结果。Omnis 提供多种更改设计的选项。它们可以通过 Omnis Interactive CAD Gateway 从 CAD 系统参数化导入，由 Omnis Agile（旋转机械的参数化叶片建模器）生成，或者通过 OMNIS 变形工具从它们的原始形状转换，如图 8 所示。我可以。

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