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三维仿真       

从三维CFD到一维系统仿真

      大家好!借此机会,跟大家聊一下我自己学习AMESim的心路历程和一些浅见。很多学习系统级建模仿真的同学都和我有类似的经历,当然也有很多同学由于种种原因实现了“从入门到放弃”。


     相信大多数研究生甚至本科生同学都接触过三维CFD软件,比如久负盛名的Fluent等。无论是流体计算还是磁场分析,各类云图一出,就像二郎神开了天眼,能看到许多看不到的场景和细节。记得在本科时一位流体老师曾演示过一个CFD动画:均温的房间里通入暖风,云图上便显示了气流矢量图和房间内温度场的动画,原本看不到的东西变得如此清晰、原本枯燥的流体力学变得如此直观,简直不要太神奇!从那时起,我便迷上了各类三维CFD仿真工具,这对我日后的学习和工作产生了重要影响。

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学习Amesim的心路历程——从三维CFD到一维系统仿真

2020-3-1 11:52 上传

三维CFD仿真云图

     后来在工作中,由于项目所需我被迫接触了“Amesim”这个闻所未闻的软件。做为一名玩转三维CFD的老手,却要“降维”去搞一维仿真,此时的我就像屈尊下嫁的小媳妇,内心是极为抗拒的。但不情愿归不情愿,毕竟企业花大价钱购买了软件(PS:Amesim相当昂贵),领导说干啥咱就干啥吧。

      随着学习的不断深入,我对系统仿真的认知逐渐发生了变化,因为我隐隐发觉之前工作中遇到的“坎”有了解决方案。最初工作时我主要负责阀、换热器等零部件的设计优化,所以使用三维CFD工具更直观形象。但是总不能将自己局限在这些小部件上,迟早要提升自己的技术段位和设计层次。当把视野扩展到系统层面时,很多问题就发生了变化。


      以下面这个典型汽车空调系统为例,虽然原理上很简单,但它既有冷却液回路又有循环相变的制冷剂回路、既有动力部件又有各种阀,各回路和子系统之间高度耦合、相互影响,除此之外控制系统还要实时调节和干预系统各个部件之间的循环,系统运行还要受到发动机工况变化、汽车行驶速度变化、外界环境变化等诸多因素的影响,因此要把它们协调匹配好可不是一件容易的事!

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学习Amesim的心路历程——从三维CFD到一维系统仿真

2020-3-1 11:52 上传

典型汽车空调系统

      在系统级设计层面,我有这样的一个感受:一堆普通的零部件可以整合成优秀的系统,同样一堆优秀的零部件也可能整合成一个完全无用的系统。相信大家也可以体会到其中的重点,那就是“整合”。谁来整合?怎么整合?部件的边界如何确定?控制系统如何设计?这些都是要考虑的问题。同事和供应商们基于三维CFD辛辛苦苦完成了零部件的设计、优化和制造,作为分系统设计师的你却整合成垃圾系统被客户骂,岂不是很没有脸面?

      以前的设计主要靠参考别人的,随着技术水平和自主化程度的提高,正向设计是必然的趋势。当我们从普通设计员或者零部件仿真工程师向更高层级的系统级设计师转变时,会发现原来顺手的工具不顺手了,复杂的系统集成需要新的仿真平台予以支撑,才能让我们在纷繁复杂的影响因素下找到最佳匹配方案。

      此时,应当热烈欢迎Amesim闪亮登场!在Amesim中搭建模型十分便捷,类似于乐高积木。基于已经成功验证的数万个子模型,我们可以轻松且迅速地搭建起一套系统级模型并对其仿真分析。与三维CFD仿真工具需要花大量时间建模和计算不同,Amesim的建模和计算往往占用时间很少,而大量时间都用来权衡和分析整个系统,这也是我们做系统级建模仿真的目的和价值所在。

     下面两图是Amesim中典型的系统仿真模型,都只需十多个元件拖在一起相互连接,就可以对整个系统进行全面的量化分析了。左侧的冷却系统模型,除了可以查看每个部件的各类详细计算参数,还可以在压焓图中看相变循环的工况点是否合适,从而很容易分析出系统匹配是否合适(要知道在三维软件里面计算相变的闭式循环简直是个灾难,零部件间的匹配关系更是难以得到);右侧的液压系统模型,不仅可以得到各处压力流量等的动态响应,而且可以很方便地分析系统能耗,以便对整个系统做进一步改进和优化,实现节能减排的目的。



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