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仿真分析规范编制指南仿真分析规范编制指南 （V1.0V1.0 版版）中国数字仿真联盟 安世亚太科技股份有限公司 北京安怀信科技股份有限公司 二零二零年四月 ii 序 2018 年，中国数字仿真联盟(Chinese Alliance for Simulation-based Engineering and Science,CASES)在北京应需而生。联盟由国内从事数值仿真、数字化设计与制造、智能化技术及软件开发、新型材料成型、数字化工厂等相关行业的科研机构、高等院校、相关企业等单位组成。其宗旨是以国家相关产业政策为指导，以中国制造 2025、国家数字化、智能化发展相关政策为依托，以市场发展和产业数字化转型需要为导向，在数字化及其相关领域，整合汇聚行业资源和力量，搭建产、学、研、用交流大平台，推动成员单位的研究开发、技术拓展、行业应用与产品创新水平的提升，促进联盟成员交流、发展与共赢。有效推进中国数字仿真各领域的协调、健康发展，增强中国在该领域的创新能力和核心竞争力。制定仿真分析规范编制指南是联盟的重要工作之一。指南的核心工作是在数值仿真中具体实现与收敛性有关的三个定义，即完备性、稳定性和一致性。完备性是指函数空间存在这样的极限，使得一些基本函数的集合逼近一个函数；稳定性是通过仿真得到物理问题的真实解答；一致性是指误差具有网格尺寸的量级，对于时间相关问题，误差将是时间步长和单元尺寸的函数，并且时间和空间离散化的截断误差必须趋近于零。事实证明真正能让仿真指导设计的关键是要解决仿真的精确度和收敛性问题。在我国数值化仿真领域中，本指南的问世是具有里程碑意义的工作，它提供给仿真用户一套如何做好数值仿真技术的指导性文件。由于计算机仿真技术的发展，使我们能够瞬抚四海、纵揽古今、驰骋宇宙时空之间，而有限元等计算软件的作用正是使我们顺利到达彼岸的工具和桥梁。计算机仿真软件是仿真工程与科学研究的重要工具，如何应用计算机软件做好仿真工作，“工欲善其事，必先利其器”，仿真分析规范指南可以提供有益的帮助。本指南由中国数字仿真联盟提出并归口。由安世亚太科技股份有限公司和北京安怀信科技股份有限公司合作编著。安世亚太科技股份公司高级副总裁、北京市综合仿真实验室主任田锋先生和北京安怀信科技股份有限公司总经理李焕先生撰写了编者按。在此，我代表中国数字化仿真联盟对他们带领两个团队为本指南问世做出的高水平工作和杰出贡献表示衷心的感谢！庄茁 中国数字仿真联盟理事长 2020 年 3 月 19 日 iii 编者按（一）“要么仿真，要么被打败！”这是仿真界的旧口号。那时候，仿真价值还很少人知道。“是否仿真已不是问题，怎么仿才是！”这是仿真界的新口号。仿真具有价值已经成为中国企业共识，但我们必须承认，中国企业的仿真应用效益远没达到引入时的初衷。中国企业仿真缺钙，主要是缺乏仿真标准、规范、人才这样的软实力，而不是软件和硬件这样的硬能力。软实力中尤其以仿真标准为甚，这一点，中国多数企业还没有认识到，总是误认为建立仿真能力就是买软件，标准是附属品。我想，作为中国数字仿真联盟的一项重要工程，本项目的首要任务应该是纠正人们这一错误观念，然后才是如何建立仿真标准。本项目的成果侧重在后者，但前者却更重要，是后者发挥作用的前提。所以，我借本文来完成这一任务。在企业调研时，多家企业讲了同一个现象。我们把这个现象称为“大拿的困惑”：1)对同一个问题，使用同一款仿真软件，两个大拿做出来的结果不同！2)同一个大拿，用不同的软件，做出来的结果不同！3)用试验进行验证，发现这个两个仿真结果与试验都不同！面对这些“怪现象”，如果没有合理解释，那企业最终得到结论肯定就是“仿真无法作为设计依据”。这基本上是对仿真判了死刑。这些怪现象的产生有体系性的原因，其中最重要的原因就是企业缺乏仿真标准。如果没有一份文件告诉我们仿真该怎么做，怎么做才是对的，我们何以指望仿真具有稳定结论？仿真是对真实世界的近似，有偏差是常态，无偏差是巧合。偏差并不是问题，弄清楚偏差多少才是关键。只要这种偏差是可度量的、稳定的和可预测的，偏差就不是误差，因为它并不会带来困惑，不会引起决策困难。仿真标准的目的、意义和价值正在于此！仿真标准的根本目的是“保障计算结果的一致性”。只要遵守同一个标准，对同一个问题，不同的人、不同的软件，仿真结论都是一致的。标准所约定的未必是最优的，但其计算结果是可重现的。可被重现和追溯的结果才是可靠的。我们没必要追求仿真结果与试验结果完全相同，但只要仿真标准让我们获得的计算结果是稳定的，和试验的偏差始终如一，那这种有偏差的结果其实就是“精确解”，因为我们总可以依据这个稳定偏差来修正结果。因此，建立仿真标准，是企业做好仿真唯一正确的道路。但仿真标准是严重依赖于企业、专业和产品的，没有一个放之四海皆准的仿真标准。所以，本项目的目标并不是有人误解的那样我们要做一套仿真标准，而是想提供给企业一套如何做好本企业仿真标准的指南。我们认为，没有一个放之四海皆准的标准，但可以有一套放之四海皆准的仿真标准建设指南。这就是本项目的预期成果。当然即便是指南，也不能一篇指南包打天下。针对不同的专业，仍然有不同的指南。所以，本项目将会是长期工程，因为仿真学科之下的专业实在不少。本次项目是第一期工程，完成了结构静强度、结构模态、气动、散热、天线电磁等仿真标准的编写指南，并包含一篇范例汽车碰撞仿真分析规范样例。希望本项目成果对读者有所帮助，这将是我们继续此项目的动力。田锋 安世亚太科技股份公司高级副总裁 北京市综合仿真实验室主任 数字孪生体实验室主任 2020 年 3 月 17 日 iv 编者按（二）“即使是巨匠，也必须在严格的规范中才能施展他的创造才能”，这句话指出了专家与规范之间的共生关系。我在 25 年前踏入 CAE 仿真这个领域时，整个行业都在强调软件的出身，是否是 NASA 或者某个著名研究机构的御用软件，以此来判断软件分析结果是否精确有效。20 世纪 90 年代以来，随着并行计算机体系的成熟和高性能计算（HPC）技术的发展，CAE 行业掀起了网格加密热潮，各软件厂商相继推出了 8-16-32-64-128-256-1024 核甚至更高 CPU 的并行计算版本；用户的模型网格规模也开始从几十万、几百万到几千万甚至上亿的规模发展，似乎网格数就代表着模型的精确度。进入 21 世纪后，随着软件升级速度加剧及更多种 CAE 软件不断涌入中国，使得中国 CAE 技术得到了飞跃的发展，但由于仿真精度和一致性的问题始终没有被解决，中国的 CAE 仿真也因此一直没有进入到企业的研发核心流程当中去，始终在作为一个辅助的验证手段被使用，我个人一直深深参与其中，也曾被各种风潮和宣传主导过想法，但事实证明真正能让仿真指导设计的关键还是首先得解决仿真精度和一致性的问题。2010 年，一直从事航空航天军工产品仿真咨询的我，偶然的机会参观了国内、外几家汽车企业，当我看到这些企业里上百人集中在一起从事仿真分析工作的场景时，被深深地震撼了。在大多军工企业里，仿真一直被认为是最高端、最复杂的工作，大都是由博士、硕士组成的小团队在从事，而汽车这种“平民化”的做法颠覆了我的认知，我知道一定有什么地方不对。为此，我花了几个月的时间去和所有能找到的汽车行业的仿真专家，包括和国内外的专家去沟通、去交流，到底汽车行业与军工有什么不同，最后，我终于获得了答案，那就是仿真规范上的差异。汽车行业里的仿真规范不仅按照学科、车体部件分解种类繁多，而且还分为企业内部、合作伙伴以及供应商等不同的版本，是企业的最高核心机密技术之一。我们所看到的百人同时仿真的场景，正是因为有了这么一份神奇的仿真规范，使得我们一直认为最高大上，最飘忽不定的东西，变成了两周培训就可以开始工作的“流水线式”简单工种。2012 年我创立了安怀信，我们公司选择的方向是 V&V（Verification&Validation）仿真模型验证与确认，公司的初衷是通过开发仿真验模工具软件，对仿真模型的精度进行验证，逐步获得精度较高的仿真模型和建模方法，并最终梳理出企业自己的仿真规范，帮助企业能够真正将 CAE 的价值发挥到最大。从事仿真验模工作 8 年来，从入门到逐步精通，以 2017 年安怀信被美国 ASME 的 V&V 年度会议邀请为分会场主席为标志，安怀信在仿真验证和规范创建这个领域逐步得到了世界最高水平的认可。近些年来，安怀信一方面在帮助越来越多的企业实现仿真模型的验证确认工作，另一方面也萌生了一个想法，就是怎样把我们的经验知识传递出去，让中国的企业都能够认识到仿真规范的重要性，并且有机会做出适合企业自己的仿真规范，为中国制造业的发展助力，也让中国不再满足于做一个世界工厂的代工商，而是真正有设计能力的创造者。2019 年，这个想法终于在中国数字仿真联盟的推动下开始成型，同时与国内著名 CAE 咨询商安世亚太的田锋副总裁一拍即合，双方都认为此事对促进 CAE 事业在国内发展，以及促进中国制造业崛起都有推动作用，因此，在双方的共同努力下编制了这版仿真规范编制指南，即规范的规范。如能对我中华民族的崛起必须走制造业崛起之路起到一分助力，则是我们这些老 CAE 人之大幸！李焕 北京安怀信科技股份有限公司总经理 2020 年 3 月 17 日 v 前言 中国数字仿真联盟（Chinese Alliance for Simulation-based Engineering and Science，简称“CASES”），由国内从事数字仿真、数字设计与制造、智能化技术及软件开发、新型材料微观与宏观成型、数字化工厂等相关行业的科研机构、高等院校、相关企业及学会和协会单位在自愿、平等、互利、合作、共赢的基础上组成，为非营利性机构。目前，中国正处于制造业转型升级时期，而仿真技术为中国制造业升级提供了创新利器。但是，由于种种原因，中国仿真技术应用水平与制造业先进国家还有很大差距，如企业缺乏仿真技术应用的人才梯队，缺乏仿真分析规范和仿真数据库等，致使仿真技术在中国的应用并不广泛和深入，仿真技术大都只是作为一种设计验证手段存在。“质量提升，标准先行”，仿真分析规范是企业仿真技术水平的重要体现，要推进中国仿真技术的协调、健康发展，首当其冲要加强技术标准基础研究和制定工作，加强其在仿真领域或其他相关领域的认可和推广。而仿真联盟的宗旨是以中国制造、国家数字化、智能化发展相关政策为依托，整合汇聚行业资源和力量，有效推进中国数字仿真各领域的协调、健康发展，增强中国在仿真领域的创新能力和核心竞争力，其有义务和责任引领并推广数字仿真领域行业规范标准的制定工作。为此，仿真联盟在第一届第二次会议上进行了仿真规范的工作部署，并成立了“中国数字仿真联盟仿真规范编制小组”，其目标并不是为企业制定仿真分析规范，而是建立在对国内外行业标杆企业的仿真分析规范研究的基础上，通过制定“仿真分析规范编制指南”的方式，为企业提供制定仿真分析规范的方法论，让企业能够知道如何才能建立一个完整的、有效的、先进的仿真分析规范。同时，由于仿真学科之下专业众多，不可能制定出一个放之四海皆准的仿真分析规范，也不可能一个规范适用于不同专业。因此，仿真分析规范编制指南工作是一个长期发展、循环迭代的工程，本册指南属于仿真分析规范指南编制工作第一期工程，其编制了结构静强度、结构模态、气动、散热、天线电磁等仿真规范编制指南，并编制一篇仿真分析规范范例汽车碰撞仿真分析规范样例，其它学科和专业的仿真分析规范指南，将在后续工作中逐步补充完善。本册仿真分析规范编制指南由中国数字仿真联盟提出并归口。本册仿真分析规范编制指南由安世亚太科技股份有限公司和北京安怀信科技股份有限公司合作主编，北京新能源汽车技术创新中心有限公司，中国空空导弹研究院、北京超算科技有限公司、元计算(北京)科技服务有限公司、北京清力行科技有限公司、北京云道智造科技有限公司、北京宇泽创新科技有限公司、等参与编制和校对。本册仿真分析规范编制指南主要起草、编制及校对人员：田锋、李焕、陈奕荣、杨军永、喻强、杨振亚、李世阳、袁胜万、王永康、潘沙、张晓亮、王祥等。其中：通则部分内容，由李焕、杨军永、袁胜万、张晓亮等人编制和校对；结构静强度计算仿真分析规范指南，由李焕、杨军永、袁胜万、张晓亮等人编制和校对；结构模态计算仿真分析规范指南，由李焕、杨军永、喻强、袁胜万等人编制和校对；气动计算仿真分析规范指南，由田锋、杨振亚、潘沙、杨军永等人编制和校对；散热计算仿真分析规范指南，由田锋、王永康、杨军永等人编制和校对；天线电磁计算仿真分析规范指南，由田锋、李世阳、杨军永等人编制和校对；汽车碰撞仿真分析规范样例，由李焕、陈奕荣、杨军永、王祥等人编制和校对。其他参与编制和校对人员包括：关清芳，钱华山，辛雨，杨小军，丁来军，杨建英，郑亮，高原，周永发，唐滨，李建周等。中国数字仿真联盟标准规范部 2020 年 3 月 19 日vi 目录目录 序序 .IIII 编者按（一）编者按（一）.IIIIII 编者按（二）编者按（二）.错误!未定义书签。前言前言 .V V 目录目录 .VIVI 第一部分：通则第一部分：通则 .1 1 第一章：概述第一章：概述 .1 1 1 1 引言引言 .1 1 2 2 仿真分析规范指南目标仿真分析规范指南目标 .2 2 3 3 仿真分析规范制定方法仿真分析规范制定方法 .2 2 第二章：仿真分析规范内容第二章：仿真分析规范内容 .2 2 1 1 基础通用内容基础通用内容 .2 2 2 2 具体业务内容具体业务内容 .4 4 第三章：仿真分析规范制定流程和原则第三章：仿真分析规范制定流程和原则 .1010 1 1 规范编制团队建立规范编制团队建立 .1010 2 2 仿真分析规范制定基本原则仿真分析规范制定基本原则 .1111 3 3 规范修订与完善规范修订与完善 .1111 参考文献参考文献 .1111 第二部分：仿真分析规范编制指南第二部分：仿真分析规范编制指南 .1212 第一章：结构静强度仿真分析规范指南第一章：结构静强度仿真分析规范指南 .1313 1 1 目标目标 .1313 2 2 范围范围 .1313 3 3 规范性引用文件规范性引用文件 .1313 4 4 术语和定义术语和定义 .1313 5 5 通用规则通用规则 .1313 6 6 工作流程工作流程 .1717 7 7 前处理建模前处理建模 .1717 8 8 求解设置求解设置 .2222 9 9 结果后处理结果后处理 .2222 1010 结果评估结果评估 .2323 1111 模型修正模型修正 .2323 1212 计算报告计算报告 .2424 第二章：结构模态仿真分析规范指南第二章：结构模态仿真分析规范指南 .2525 1 1 目标目标 .2525 2 2 范围范围 .2525 3 3 规范性引用文件规范性引用文件 .2525 4 4 术语和定义术语和定义 .2525 vii 5 5 通用规则通用规则 .2626 6 6 工作流程工作流程 .2828 7 7 前处理建模前处理建模 .2828 8 8 求解设置求解设置 .3232 9 9 结果后处理结果后处理 .3232 1010 结果评估结果评估 .3333 1111 模型修正模型修正 .3333 1212 计算报告计算报告 .3434 第三章：气动计算仿真分析规范指南第三章：气动计算仿真分析规范指南 .3636 1 1 目标目标 .3636 2 2 范围范围 .3636 3 3 规范性引用文件规范性引用文件 .3636 4 4 术语和定义术语和定义 .3636 5 5 通用规则通用规则 .3737 6 6 交付物交付物 .3737 7 7 工作流程工作流程 .3737 8 8 前处理建模前处理建模 .3838 9 9 提交求解提交求解 .3939 1010 结果后处理结果后处理 .3939 1111 结果评估结果评估 .4040 1212 模型修正模型修正 .4040 1313 计算报告计算报告 .4040 第四章：散热计算仿真分析规范指南第四章：散热计算仿真分析规范指南 .4141 1 1 目标目标 .4141 2 2 范围范围 .4141 3 3 规范性引用文件规范性引用文件 .4141 4 4 术语和定义术语和定义 .4141 5 5 通用规则通用规则 .4242 6 6 交付物交付物 .4444 7 7 工作流程工作流程 .4444 8 8 前处理建模前处理建模 .4444 9 9 提交求解提交求解 .4646 1010 结果后处理结果后处理 .4747 1111 结果评估结果评估 .4747 1212 模型修正模型修正 .4747 1313 计算报告计算报告 .4848 第五章：天线电磁计算仿真分析规范指南第五章：天线电磁计算仿真分析规范指南 .5050 1 1 目标目标 .5050 2 2 范围范围 .5050 viii 3 3 规范性引用文件规范性引用文件 .5050 4 4 术语和定义术语和定义 .5050 5 5 通用规则通用规则 .5151 6 6 交付物交付物 .5353 7 7 工作流程工作流程 .5454 8 8 前处理建模前处理建模 .5454 9 9 求解设置与提交求解求解设置与提交求解 .5757 1010 结果后处理结果后处理 .5858 1111 结果评估结果评估 .5858 1212 模型修正模型修正 .5858 1313 计算报告计算报告 .5959 第六章：汽车碰撞仿真分析规范样例第六章：汽车碰撞仿真分析规范样例 .6060 1 1 目标目标 .6060 2 2 范围范围 .6060 3 3 规范性引用文件规范性引用文件 .6060 4 4 术语和定义术语和定义 .6060 5 5 通用规则通用规则 .6060 6 6 交付物交付物 .6565 7 7 工作流程工作流程 .6666 8 8 整车模型建立整车模型建立 .6868 9 9 碰撞模型建立碰撞模型建立 .8181 1010 初始条件及边界条件初始条件及边界条件 .8181 1111 求解设置求解设置 .8181 1212 结果后处理分析结果后处理分析 .8383 1313 计算报告计算报告 .8484 第三部分：后序第三部分：后序 .8585 附录附录 A A 参考性附表参考性附表 .8686 附录附录 B B 参考性附图参考性附图 .9090 第 1 页 第一部分：通则第一部分：通则 第一章：概述第一章：概述 1 引言 CAE 的英文全称为“Computer Aided Engineering”，中文意为“计算机辅助工程”，是指以计算数学、计算力学及相关工程科学为基础的针对复杂工程或产品进行数学建模、计算分析、行为模拟与优化设计的计算机信息处理技术。其中，“相关工程科学”涉及机械、电子、建筑、交通、气象、地质、海洋、生物、医药等极为广阔的应用领域，由此形成了众多的 CAE 技术应用分支。而计算数学与计算力学则渗透于各个应用分支，为具体工程问题的建模与求解提供相应的数学工具，从而构成相关 CAE 软件的核心计算方法。CAE 是一个很广的概念，从字面上讲可以包括工程和制造业信息化的所有方面。但是，传统的 CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能和安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性【1】。可见，CAE 是一项综合性的应用技术，它以解决具体工程问题为出发点，借助于计算机信息处理手段，集成应用计算数学、计算力学等“单元”技术，形成系统化的技术解决方案以支持复杂工程或产品的优化设计【2】。CAE 的理论基础起源于 20 世纪 40 年代，国外在 20 世纪 50 年代末 60 年代初开始入大量人力和物力开发具有强大功能的有限元分析程序；在 20 世纪 7080 年代 CAE 软件得到了蓬勃发展，尤其至 20世纪 90 年代以来，CAE 开发商开对软件的功能、性能、可用性和可靠性以及运行环境的适应性等方面进行了改进，使得 CAE 仿真的功能和计算精度都有很大提高，各种基于产品数字建模的 CAE 工具应运而生，现已成为工程和产品结构分析中(如航空、航天、机械、土木结构等领域）必不可少的数值计算工具，在帮助企业缩短产品设计周期，降低产品设计成本方面起到了重要的作用。而我国 CAE 软件的形成和应用从 20 世纪 70 年代开始的。近 40 多年来，我国在 CAE 理论研究和软件自主开发方面的努力始终没有停止过，也有一些拥有自主知识产权的软件系统脱颖而出。20 世纪 90年代以来，开放力度加大，大批国外软件涌入中国市场，加速了 CAE 技术在我国的推广，提高了我国装备制造业的设计水平。与此同时，我国自主开发的软件受到严峻挑战，特别是盗版的国外软件，对我国自主开发的 CAE 软件打击很大，甚至一些优秀的软件基本退出了国内 CAE 市场。作为工业大国，中国不可能长期依赖引进国外的技术和产品，培植自己的 CAE 软件产业，以应用为牵引，提升工业设计软件和仿真分析软件的应用水平，缩短设计周期，提高产品竞争力和企业核心竞争能力，推动国产 CAE 软件在工业企业的应用普及，成为当务之急。同时，随着 CAE 仿真分析工作在企业的开展，大量的工程师参与到 CAE 仿真分析工作中去，不同的分析工程师在分析过程中，由于自身掌握的相关专业知识、软件掌握能力以及对产品本身的理解程度，往往在模型简化、网格划分、边界条件的处理上各不相同，具有较大的随意性，这就造成了不同的分析人员对于同一问题分析结果有一定差异，从而导致产品设计者对于分析结果的怀疑，在这种情况下要对此分析结果反复校核，浪费大量人力物力。为了更好的发挥 CAE 仿真分析在企业研发过程中的作用，需要建立仿真分析规范对产品设计的各个阶段进行规范指导。最近几年，这方面的规范建立在国外非常流行，国内各家汽车供应商也都进行了仿真分析规范的实施，并取得了很好的应用成果，对企业的研发带来了很大的益处。基于以上原因，重视新产品研发的企业迫切需要建立自己的 CAE 仿真分析规范，用来解决目前 CAE 仿真存在的各种问题。通过 CAE 仿真分析规范的建立，一方面可以用以指导、规范仿真分析工作；另一方面可以形成自身的知识积累，便于其他分析人员快速进入到规范的工作流程中，使企业的 CAE 仿真工作高效、快捷、准确的进行，为产品研发提供强有力的保障。第 2 页 2 仿真分析规范指南目标 仿真分析规范是基于企业的产品特点，总结以往的仿真分析经验、参照试验数据、借鉴其它行业的相关标准，以理论为指导，制定出的一套规范化作业流程。由于仿真分析规范具有强烈的行业和企业特点，需要企业投入大量的人力物力进行制定和完成，制定的主导权一定在企业自身。因此，仿真分析规范指南的目标不是为企业制定仿真分析规范，而是建立在对国内外行业标杆企业的仿真分析规范了解的基础上，为企业提供制定仿真分析规范的方法论，让企业能够知道如何才能建立一个完整的、有效的、先进的仿真分析规范。3 仿真分析规范制定方法 通常，企业会以研发的主要产品为研究对象，建立相应的仿真分析规范，用以规范企业的仿真分析过程。仿真分析规范的建立与 CAD 设计和试验密切相关，一般 CAE 仿真分析规范建立的步骤如下：a)明确产品的性能要求，一个产品具有不同种类的性能要求，首先确定哪些性能指标需要进行仿真分析验证；b)确定性能指标的评价标准，这需要在对同类产品进行大量试验测试、计算分析、质量事故统计、参考相关标准的基础上形成；c)制定仿真建模标准，重点内容是网格质量标准、边界条件与载荷标准，材料数据、连接模拟标准（比如螺栓、点焊、缝焊等），这需要在大量试验测试结果与计算结果相互校对的基础上形成；d)确定计算结果的处理方法，最终的计算结果可能需要在已有的计算输出中进行进一步的数据处理，才能与试验测试结果和评价指标进行比对。第二章：仿真分析规范内容第二章：仿真分析规范内容 CAE 仿真分析规范通常包括两部分，即仿真分析规范基础通用内容与具体业务内容两大部分：基础通用内容：指的是对于企通常进行 CAE 仿真总体的工作内容，指导如何进行 CAE 仿真分析及管理，可以根据企业的具体业务来分类和梳理；具体业务内容：企业根据自身的产品分类来进行梳理、规划，对其研发的具体产品进行某一类型仿真分析规范内容的制定。比如某类型结构强度分析规范，包括从模型的导入、几何清理简化、网格生成、材料属性赋予、边界载荷设定、分析提交、结果处理、评价及报告编写等，形成一套作业指导书，仿真分析工程师按照作业指导书进行结构的强度分析，从而提升工作效率、保证精度。1 基础通用内容 1.1 目标 仿真分析规范中应对制定规范的目标进行描述，如：为了规范 XXX 结构静强度（或动力学、流场、电磁等）有限元分析过程，特制订本规范。通过规范的制定，使得不同工程师在参考本文件进行 XXX 结构静强度有限元分析时，得出的有限元分析结果具有高度的一致性，并保证仿真分析结果具有较高的分析精度。1.2 范围 仿真分析规范中应对规范的适用范围进行明确，如：本规范规定了 XXX 结构静强度有限元分析的分析依据、分析流程、分析要求、分析类型、建模原则、结果评估、模型修正、结果输出、数据处理、报告编写等内容，适用于应用 XXX 有限元分析软件进行XXX 结构静强度和刚度分析。1.3 规范性引用文件 仿真分析规范中应对引用的文件进行描述，如：下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注明日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本标准。第 3 页 GB/T31054-2014 机械产品计算机辅助工程有限元数值计算术语；GB/T33582-2017 机械产品结构有限元力学分析通用规则；GB/T4797.4-2006 电工电子产品自然环境条件太阳辐射与温度 GJB150.7A-2009 军用装备实验室环境测试方法第 7 部分：太阳辐射试验 SJ20590-96 军用微型计算机热设计技术要求 SJ20743-1999 散热器手册第 1 部分热阻曲线集 GB3100-1993 国际单位制及应用；GB3101-1993 有关量、单位和符号的一般原则；ASME V&V10-2006 Guide for Verification and Validation in Computation Solid Mechanics；ASME V&V10.1-2012 An Illustration of the Concepts of Verification and Validation in Computational Solid Mechanics。1.4 术语和定义 仿真分析规范中应对规范中使用的主要术语进行描述和定义，如：下列术语和定义适用于本文件。有限元有限元建模建模（finite finite elementelement modelingmodeling）：构建有限元模型的过程，包括几何模型构建及处理、材料属性定义、网格划分、边界（载荷）条件施加、求解参数设置等步骤；几何模型几何模型（g geometryeometry）：使用几何概念描述物理或者数学物体形状，一般包括点、线、面、体等元素构成集合；材料材料属性属性（m materialaterial propertyproperty）：用于描述机械结构所用材料物理特性的数据集合；边界条件边界条件（boundary boundary conditioncondition）：用于描述机械结构在给定工况下，求解域边界上几何以及物理条件，如力、温度、速度、位移等约束和载荷信息；网格划分网格划分(mesh)mesh)：把几何模型分成很多小的单元，作为具有几何、物理属性的最小的求解域；坐标系坐标系（C Coordinateoordinate SyetemSyetem）：规定仿真中使用何种坐标系，一般情况下，建议使用直角笛卡尔坐标系，也可以根据分析需要，定以其它局部坐标系，包括笛卡尔坐标系、柱坐标系、球坐标系等；单元单元（elementelement）：）：具有几何、物理属性的最小求解域；节点节点（nodenode）：）：单元之间的铰接点；零维单元零维单元（zerozero dimensionaldimensional elementelement）：）：变现形式为点的单元，如质量单元等；一维单元一维单元（oneone dimensionaleldimensionalel ementement）：）：表现形式为线段的单元，如刚性单元、杆单元、梁单元等；二维单元二维单元（twotwo dimensionaldimensional elementelement）：）：表现形式为平面片的单元，如矩形单元（四边形单元）、三角形单元等；三维单元三维单元(threethree dimensionaldimensional elementelement):):表现形式为实体的单元，如四面体单元、六面体单元等；质量单元质量单元(massmass elementelement):):表征只具备质量属性的单元；弹簧单元弹簧单元(springspring elementelement):):表征结构之间具有弹簧约束作用的单元；杆杆（barbar）：）：一类长度远大于其他方向尺寸的构件；梁梁（beambeam）：）：一类承受横向载荷，以弯曲变形为主的杆结构；板板/壳壳（plane/shellplane/shell）：）：一类厚度方向尺寸远小于长度和宽度方向的结构；实体实体（solidsolid bodybody）：）：由曲面或棱边构成封闭体积的三维几何体；低阶单元低阶单元（lowlow orderorder elementelement）：）：使用一次函数描述边界的单元；高阶单元高阶单元（highhigh orderorder elementelement）：）：使用二次或更高次函数描述边界的单元；约束约束（constraintconstraint）：）：减少自由度的各种限制条件；载荷载荷（loadload）：）：施加在物体上或系统上的作用力系；强度强度（strengthstrength）：）：描述结构抵抗破坏的能力；第 4 页 位移位移（displacementdisplacement）：）：表征物体上一点相对于参考系的位置变化的时间变量；长宽比长宽比（aspectratioaspectratio）：）：描述二维或三维单元最长边与最短边之比的量；细长比细长比（slendernessslenderness）：）：杆件的计算长度与杆件截面的回转半径之比；翘曲度翘曲度（warpagewarpage）：）：单元偏离平面的程度，用于检查单元的翘曲；偏斜度偏斜度（skewskew）：）：描述单元的扭曲程度的数学量；内角内角（interiorinterior angleangle）：）：指三角形单元或四边形单元的夹角的值，常用于描述单元的最大内角或者最小内角的数学量。1.5 坐标系 仿真分析规范中应对有限元建模采用的坐标系进行描述，坐标系由右手定则来确定，宜采用笛卡尔坐标系直角坐标系，必要时可选用柱坐标系或球坐标系。有限元分析建模时应定义全局坐标系，当模型载荷、约束或结果显示需求与全局坐标系不一致时，可增加局部坐标系。1.6 单位制 仿真分析规范应规定仿真分析中使用的单位制，单位制应该统一且简洁。一般情况下，工程上建议使用常用单位制，如附表 1 和附表 2。1.7 计算程序 仿真分析规范中需要根据分析任务要求对使用的建模方式、单元类型、单元阶次、求解设置、结果处理方式等进行说明，而不同的计算程序在处理上述问题时的设置方式会有所差异。因此，建议仿真分析规范中对规范适用的计算机程序进行说明，必要时对规范适用软件的版本号也要进行说明，参考如下：本规范适用以下软件工具进行 XXX 进行仿真计算分析。a)前处理软件：SimSoft1，软件版本号不低于 XX 版本；b)求解器软件：SimSoft2。其它计算软件工具或版本，可参考使用。1.8 交付物 仿真分析规范应明确有限元分析过程中需要提交的数据和模型，有限元分析过程中一般需要提交的文件如下：a)有限元几何模型文件；b)有限元网格模型文件；c)载荷边界文件；d)材料信息文件；e)求解结果模型文件；f)后处理及报告文件等。2 具体业务内容 2.1 工作流程 仿真分析规范中应对仿真分析的过程进行规范，一般可采用流程图的方式表示，如附图 1。2.2 几何建模处理方式 仿真分析几何建模一般有两种方式，一是将 CAD 设计模型导入有限元分析前处理软件进行建模，称之为“几何导入法”；一种是在有限元分析前处理软件直接建模，称之为“直接建模法”，两种建模方式的对比如表 1。表1.几何建模方式对比 建模方式 定义 优点 缺点 直接建模法 直接在 CAE 软件前处理模块中进行建模的方式，现有 CAE 软件基本上都具有前处理建模功能。使用数据量较小，便于模型参数化，适合简单模型建模。建模效率低，对于复杂模型建模比较困难。第 5 页 几何模型导入法 通过 CAD 建模软件建立几何模型，然后后再导入 CAE 软件中进行建模处理的方式。可以建立复杂仿真模型。需要对 CAD 模型进行简化，模型特征可能会有丢失，模型参数化不方便。无论采用何种建模方式，都需要根据结构特征、分析目的、采用的单元类型等因素，对几何模型进行适度简化，几何模型简化不应改变结构的基本特征、传力路径、刚度、质量分布等，对于有多个零部件组成的复杂结构，根据分析目标和要求，不同零部件的模型简化也可能采用不同简化规则，详细的模型简化规则可根据企业专有标准/规范处理，也可通过 CAD/CAE 工具并结合二次开发实现特征简化及高效处理。在进行几何特征清理时，可基于以下几个方面考虑：a)几何特征所属零部件在总装配的重要程度；a)几何特征与重点分析区域的相关程度；b)几何特征尺寸与网格平均尺寸的对比。2.3 网格划分设置方式 2.3.1 单元类型选择 不同仿真分析软件所使用的单元类型和名称有所差异，规范中应对使用单元类型和名称进行说明。通常情况下，仿真分析中使用的单元类型包括零维单元（如质量单元）、一维单元（如刚性单元、杆单元、梁单元等）、二维单元（如壳单元、板单元、面单元等）、三维单元（如体单元）及其它单元等。仿真分析规范中应根据结构和分析要求指定合适的单元类型，单元类型的选择应能反映不同部件的结构形式，在满足分析要求的前提下，单元类型选择一般遵循以下编制原则：a)选用形状规则的单元；b)选用满足精度要求的单元；c)选用计算效率快的单元；d)线性四面体单元、楔形单元仅用于网格过渡或几何拓扑需要的局部区；e)选用的单元类型要基于 V&V 理论（Verification&Validation，模型验证和确认，简称 V&V，详见 ASME V&V 相关标准）进行精度验证。2.3.2 单元阶次选择 有限元单元可分为低阶单元和高阶单元，使用一次函数描述边界的单元称为低阶单元，采用二次或更高次函数描述边界的称为高阶单元。仿真分析规范中应根据结构和分析要求指定合适的单元阶次，单元阶次选择一般遵循以下编制原则：a)对于结构形状不规则、变形和应力分布复杂时宜选用高阶单元；b)计算精度要求高的区域宜选用高阶单元，精度要求低时可选用低阶单元；c)不同阶次单元的连接位置应使用过渡单元或多点约束等。2.3.3 网格尺寸选择 对于有限元这样一种数值分析方法，在单元类型确定之后，当单元网格划分越来越细时，数值近似解将收敛于精确解，通过增加网格数量和密度，计算精度一般也会随之提高。但是，如果盲目地增加网格数量，将会大大增加单元网格划分时间及求解时间，有时还会因计算的累积误差反而会降低计算精度。所以，在实际工作中，如何划分网格才能既保证计算结果有较高的精度，又不致使计算量太大，一直是困扰仿真分析工程师的难点。为此，在仿真分析规范中应根据分析目的、计算规模、效率、硬件承受能力等综合因素，明确网格划分时选择网格尺寸（网格密度），如附表 3。网格尺寸控制一般遵循以下基本原则：a)应对结构变化大、曲面曲率变化大、载