加速汽车CFD仿真：流程优化与效率提升的新策略

—TeamCenter & Simcenter STAR-CCM+的完美结合

全球汽车行业正面临着变革，电气化，自动化，移动共享和数据连通正在发生。大众率先进行战略部署，制定了清晰的电动化战略。并正在一步步向称霸全球电动车市场进军。欧洲其他车企也纷纷宣布电动化计划。传统车面临着能源转变的威胁，新能源车面临着新技术的挑战和沉淀。汽车行业正经历着蜕变。

11月18日至22日在美国内华达州拉斯维加斯举行的西门子工业软件FY20 Converge大会上同样关注汽车行业的发展。软件对汽车行业的发展越发重要。如何利用软件推进汽车的研发。西门子工业软件Converge期间的展览会上展示了不同仿真平台拥有的先进技术及不同平台工具间的集成，结合其柔性的NX建模技术和测试设备，用端到端的数字线程连接各属性模块的性能仿真，实现汽车不同系统之间的相互通信，进而提高研发质量和效率，帮助汽车行业进行更深入，更快速的研发。这恰是本次会议的主题。

一个汽车CFD仿真案例分享

下面就FY20 Converge期间学到的一个汽车CFD仿真的成功应用案例进行分享。

北美汽车巨头GM早在两年多前就开始寻求更快速更经济的汽车CFD仿真流程。试图在CFD分析上运用单一工具平台实现从CAD模型导入到结果输出的快速流程，同时又能满足设计变更后，CFD结果的快速响应。以此来节约数模的前处理，求解，后处理分别在不同工具间进行传输交换的时间以及设计变更带来的重复工作。

西门子工业软件Simcenter STAR-CCM+ 是完全集成化的单一CFD仿真工具平台。可以快速建立标准自动化的仿真工作流程。这套流程将设计的变更提到网格生成之前，只需将改变后的数模在Parts导入时进行替代即可，后续的网格生成，求解计算和后处理在原有模板的基础上进行一键更新。

GM原有的CAD设计软件用的是西门子的NX，仿真数据和过程管理用的是Teanmcenter，而STAR-CCM+又被西门子收购，并入其Simcenter仿真平台下。是否可以联合CAD，TC和CFD分析一起建立完整的仿真管理流程，替代其之前分散的，效率不高的流程。2016年开始，即STAR-CCM+并购之初，GM和西门子工业软件就布署基于CAD设计工具NX，数据管理工具TeamCenter和流体力学分析工具STAR-CCM+针对不同模块属性仿真应用方向的Campaigns。

典型的成功是热管理的Soak工况仿真由原来的7周时间减少到7天。缩短了85%的仿真时间，同时减少了90%的工程资源。GM利用Teamcenter可视化工具组织、审查和挑选CFD分析的CAD几何，然后将目标CAD结构层传输到SimcenterSTAR-CCM+，保留其完整的结构树及命名，同时连同数模的材料属性一同传递，用于CFD分析的物性识别和边界属性设置等。利用稳健的，可重复性啮合的网格技术有效处理大规模复杂的装配体。运用Co-simulation联合仿真技术有效评估瞬态热载的计算策略。最终实现工程创新。

除了VTM仿真之外，GM还成功地将SimcenterSTAR-CCM+应用于发动机舱前端进气分析（涉及格栅开口进风量与冷却模块散热平衡），燃油箱的晃动分析（为燃油的晃动疲劳及噪声提供流体载荷），刹车盘冷却分析（在整车环境下分析刹车制动过程中的最大温度及温度分布），空调箱除霜除雾，乘员舱热舒适性分析，进排气系统的流动传热分析等。

具体解决方案

西门子工业软件汽车CFD仿真流程管理的整体解决方案是基于NX （CAD设计），Teamcenter（仿真数据与过程管理）和STAR-CCM+（流体分析软件）不同的工具平台间实现汽车CFD仿真过程的集成与自动化。整个仿真流程的杠杆是通过Teamcenter下的工具SimulationTools中的ForSimulation流程切换接口（简称TC for Simulation）来实现汽车CAD模型数据从NX读取并自动导入到STAR-CCM+进行CFD计算，并将计算结果导出，反馈给TC 进行查看和评估。具体实现途径如下：

1)   以CAE Manager角色登录Teamcenter为例。需设置TC for Simulation环境，这里是TC forSTAR-CCM+的环境。此环境下能够允许STAR-CCM+打开NX CAD或其本身的.sim 文件（即STAR-CCM+open CAD or sim）。具体的设置包含STAR-CCM+启动路径的环境变量及相应的启动脚本。

2)   在TC for Simulation中加载STAR-CCM+对应的模板计算文件（Template.sim）。这里的模板计算文件实质上是在STAR-CCM+中建立的应用于某一计算目标的sim文件。如汽车外流场仿真的基准sim文件，机舱热管理的基准sim文件等。

3)   运用自动化脚本如open_xt.java 挑选出需要进行CFD计算的CAD数模，并自动将其导入STAR-CCM+。

4)   在STAR-CCM+已有的模板文件（Template .sim）中根据导入的CAD几何名称，自动更新网格，进行新CAD的CFD求解计算；

5)   STAR-CCM+计算结束后，会将需要的结果导出STAR-View可视化文件（.sce）;

6)   在TC环境下启用另一个TC for Simulation工具调用STAR-View的结果文件，进行结果分析及报告评估。

整个仿真流程的管理通过从CAD汽车三维模型建立开始到最终CFD仿真计算结果，即流动、热等性能可度量的各种物理量。实现从START—to—End的工具集成及自动化，并在TC中进行归档，管理和追踪。

下面就CFD 软件SimcenterSTAR-CCM+单一平台工具下的模板文件建立进行解析。

在Parts的结构树下，根据需要可分成不同的组件，以下图示例。Voids为从Teamcenter导入的.plmxml格式的装配体总成。Fluids是针对Voids下的零部件进行域的组织提取后，生成的各个流体域（包含主流体域，芯体域，管道内流域等）。Misc.是辅助组件，用来存放各种体加密框，计算域边界等辅助域的零部件。Separators这些是人工边界，用于不同网格类型，不同坐标系，不同物理模型等流体域的分离。比如空滤进气口，排气管道入口和尾管出口等，前后轮的旋转交界面等。Solids结构树下是各个需要考虑的固体零部件。

Operations下的操作可根据域的组织需要和流体的生成，灵活设置各种Operations的操作。示例如下：

Operations的流程一旦执行，即可生成需要的流体域，网格，接触关系等。在Continua节点下只需建立流体和固体两类物理模型，固体根据材料的不同可选择Muti-Part的方式。

流体域的建立可参考如下图的方式，可以用一个默认的边界对应很多的parts，如有特殊边界类型的可手动进行建立并匹配到对应的parts上。这样Region结构树下简单明了，完全根据边界类型及条件需要进行设置。

后处理建议在计算执行之前进行，根据分析目标的要求建立各种标量图，矢量图及图表等。

以上模板的建立是基于手动的方式进行的，但在建立的过程中，一些重复的操作可采用Java脚本进行驱动。

也可借助VSim实现整个自动化设置的过程，但这需要用户很好地定义Excel输入表格。模型的复杂程度决定着输入Excel表格定义的难易程度。目前VSim底层的程序脚本已封装，现已嵌入SimcenterSTAR-CCM+中作为一个单独的插件存在。用户只需定义好输入的Excel表格及准备好CAD模型文件目录即可进行图形界面操作，如下Video所示，可快速实现流程的建立。

以上仿真过程实现了自动化，智能化，大大缩短了由于不同工具平台间的数据互换和同一工具平台下手动流程操作的时间，提高了效率，实现创新。

寄语：

汽车行业的阵痛未必都是坏事。在市场冷静的情况下，可以更好地修炼内功，整合部门资源，更多的部门之间的协同仿真和多学科平台建设，实现系统级的综合性能工程预测。欢迎选择与西门子工业软件合作，一起为汽车性能工程预测，仿真计算流程探求最深入更快速的解决方案。

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