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案例教学 | 流体仿真中SCDM软件的基本工作流程
2019-02-26 16:11:22· 来源：仿真秀 作者：张杨，仿真秀专栏作者，高级流体工程师
作者 |张杨 流体高级工程师 仿真秀专栏作者首发 |安世亚太公众号ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（简称 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和几何处理软件
作者 | 张杨 流体高级工程师 仿真秀专栏作者
首发 |安世亚太公众号
ANSYS SpaceClaim Direct Modeler（简称 SCDM）是基于直接建模思想的新一代3D建模和几何处理软件。SCDM可以显著地缩短产品设计周期，大幅提升CAE分析的模型处理质量和效率，为用户带来全新的产品设计体验。
SCDM提供给CAE分析工程师一种全新的CAD几何模型的交互方式，可以对现有的模型进行动态的参数化调整，使得对基于特征建模的CAD系统不熟悉的产品研发工程师可以快速建立或者修改3D几何模型，在产品的设计初期即可对产品性能进行仿真。
SCDM基于直接建模思想的集成工作环境使工程与设计人员能够以最直观的方式进行工作，可以轻松地对模型进行操作以解决实际工程问题。使用者不必承受模型再生失败而带来的成本困扰，无需考虑错综复杂如迷宫般的关联关系。
SCDM作为ANSYS软件体系中几何建模工具的重要组成部分，适合于多种数据来源的CAD模型的快速修改、非参数化中性CAD模型的参数化，进而最大程度地支持设计优化，同时其本身提供了操作简洁直观的几何建模功能，适合于CAE仿真模型的快速建立。
SCDM集成于ANSYS Workbench平台，可以直接在ANSYS Workbench平台的工程窗口中直接启动。
在CFD仿真中，流体工程师通常要按照“几何-网格-求解-后处理”的顺序开展工作，如下图所示。几何部分的工作可以被认为是仿真的第一步，也是连接CAD与CAE的桥梁。
从ANSYS 16.0版本开始，我们就强烈推荐各位工程师使用SCDM软件来完成“几何”环节的工作，因为SCDM在仿真前处理的各个方面都具备强大的功能，帮助我们高效准确的完成CAD-CAE的工作流程。
SCDM的基本工作流程如下图所示：
通常，我们可以将基于SCDM软件的CFD前处理工作，简单的分为5个部分：
★ 读入模型
★ 处理模型
★ 流体区域
★ 仿真完善
★ 输出几何
（一）读入模型
SCDM具备几乎所有主流CAD格式的读入接口，这就给我们的“仿真驱动设计（Simulation Driven Design）”目标提供了最基础的技术支持，SCDM可以直接读取ProE、UG、CATIA、Solidworks等软件的零件（.prt）和装配体（.asm）文件。（当然，对应的版本有一定限制，比如说低版本的SCDM不能读取高版本的UG文件。）
同时，SCDM还能高效的读入（与写出）中立格式的CAD几何，常见的格式有.stp、.igs、.x_t、.stl等。
当然，SCDM还具备直接建模的能力，按照草图实体变换布尔运算的思路进行快速建模，无特征、无约束，非常适合概念设计与简单模型生成（可用于测试求解器参数）。
（二）处理模型
当仿真的模型是从SCDM直接建立的时候，通常不需要做模型的处理，这一个步骤也就被忽略掉了。
但绝大多数的情况下，企业中的仿真工程师与设计工程师都是分开的，设计工程师也通常也不会使用SCDM做完整的设计工作，大多数仍旧使用传统的CAD建模软件，这就对设计与仿真的连接提出了更为严格的要求，也是流体仿真工程师工作中的一个难点。
流体仿真处理模型的对象通常是固体（设计）区域，因为流体区域是通过布尔运算得到的（而不是设计出来的）。
通常意义上的流体仿真处理模型分两步：修复模型和简化模型。
1. 修复模型
修复模型的主要目的是获得（多个）实体。各种格式的几何文件导入到SCDM里面后，都会或多或少的出现几何数据传递的错误，常见的几何错误有：
★ 面缺失
★ 面缝隙
★ 面（线）错误
★ ……
SCDM具备有专门的工具来处理这些问题：
第一类：自动化工具，主要包括“拼接、间距、缺失的表面”
● 拼接（Stich）：将多个面拼接成为一个（在结构树中）面
几何数据在传递的过程中不可避免的会出现容差不一致的情况，这一类情况通常会导致实体几何被拆散成多个面；当然，这些面的位置关系通常还是可以保证的，因此，对于此类问题，拼接是一个有效的操作，能够快速将单个实体复原。
● 缺失的表面（Missing Faces）
如果数据传递的过程中出现了面缺失的情况，即使将多个面拼接成了一个面，也不会得到实体几何，原因就是几何不封闭、不水密，只能是一个大的面，而无法成为实体。
这个时候缺失的表面功能就派上用场了，他可以自动修复面缺失的情况，从而封闭几何，得到实体。
● 间距（Gap）
间距的功能与缺失的表面类似，从一个简单的角度来理解，就是大的面用缺失的表面修复，小的面用间距修复。因此缺失的表面功能通常需要输入最小值，而间距功能需要输入最大值。
对于自动修复几何的方法，通常按照以下规则：
1.首先使用拼接功能修复（高版本的软件记得勾选”检查重合”）
2.随后检查间距和缺失的表面，优先修复数量少的问题
3.对于失败的问题，进行手动修复
4.对于主要特征面缺失的情况，建议另外导入包含该面的其他文件
第二类：手动工具，主要包括“融合、拉动、填充等（针对非实体结构的操作）”
当几何的数据比较复杂（如大量的高阶曲面等）时，往往会出现自动修复失败或对修复的面形状不尽满意的情况，这个时候就需要进行手动修复。手动修复通常较为复杂，需要工程师具备较高的软件熟知程度以及清晰的修复思路，本文限于篇幅暂不做介绍。
2. 简化模型
修复模型结束之后，我们通常会得到（多个）实体，接下来就是简化模型的工作。
流体仿真的简化原则通常按照以下的一般性要求来完成：
①简化掉特别细小的特征
②简化与主要流场区域不相关的小特征
③简化尖角区域
④适当的简化狭缝区域
⑤处理流场内部的薄壁挡板
⑥其他需要简化（或几何修改）的情况
通常意义上，简化几何的最终目的是：
★ 减小网格总数量
★ 避免出现网格质量太差的区域
简化模型时常用的SCDM功能：
● 填充
填充是去除独立额外特征的利器，但需要对实体上的面进行操作；填充的本质是删除掉选中的面，随后对未选中的面进行延伸来封闭实体。
● 拉动
当有一些特征不太容易使用填充去除的时候，拉动可能会更容易的产生希望的效果；当然，如果我们的目的不是去除特征，而是对几何进行一些修改的时候（如增加缝隙的距离），拉动还是一个必要的操作。
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