北大工学院产学研 | 技术篇:动力学仿真软件及其工程应用

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楼主 2018-11-07 16:21:48
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动力学仿真软件及其工程应用


酷炫的计算结果

读者Q

图片花花绿绿的是挺好看,但什么是动力学仿真呢?

要谈“仿”,就得从“真”东西出发,像下面两个大工程:

小编A

港珠澳大桥

C919大飞机

工程设计流程

这样的工程,在设计上需要遵循一定的规则,仿真能够让人们了解原设计能够达到的性能。


飞机就算了,桥又不会动,有必要用动力学仿真吗?

完全有必要!看下面这个大桥扭成这样(想走上去玩玩的童鞋可以自行百度这条麻花桥的结局),就是因为设计的时候没有考虑到卡门涡街的振动作用。


塔科马大桥的妖娆身段

风吹过大桥的时候,就会一上一下地拖出一个个旋涡,让桥扭了起来,所以桥梁的设计不仅要考虑桥面的承载力,还要模拟风和水流对桥的动态影响。

卡门涡街


那你们都是怎么“仿”的呀?

这就要分结构动力学和流体动力学了,请看图:


简单的结构动力学模型示意图,主要靠弹簧连接各个部分,箭头表示可能的运动方向

简单的流体动力学模型(格子玻尔兹曼方法,D2Q9)示意图,箭头代表中间一小团流体可能的运动方向,除了8个箭头代表的方向之外,待在原地不动也是有可能的

这些模型好像都挺简单的样子,也是,祖师爷牛顿差不多把力学最基本的东西都做完了,可是牛先生不见得会做动力学仿真喔。举个栗子,二元一次方程组大家都会解吧?但是结构动力学里边,常常要解的是三百万元一次方程组(静力学方程)和一元三百万次方程(特征值方程)!即使是看似能暴力解出来的三百万元一次方程组,用我们初中学的消元法也是不靠谱的,因为每次计算要保留小数位数,最后累积的误差会突破天际,所以要用更加复杂精确的方法,在这个过程中,丰富的力学知识和扎实的数学功底都是不可或缺的,北大在1952年就设立了力学专业(工学院在力学专业的基础上进行重建

http://web.mech.pku.edu.cn/subpage.asp?id=6),在这方面培养出了好几代的人才,早派上用场了!在力学系师生的共同努力下,用了30余年开发的,于1984年投入使用的SAP84程序早就可以做到联合很多普通电脑的力量,一起来解方程,效率不输那些超级计算机,在长江三峡大坝、黄河小浪底工程、秦山核电站等几千个工程项目中,都发挥了重要作用(北大工学院如此强大,小编也被震惊了)。

宏伟的三峡大坝

读者Q

这个软件也能模拟飞机的飞行吗?

飞机的飞行需要考虑空气的流动,也就是需要做流体动力学仿真。

小编入

这下问题就变得更复杂了,明明方程都摆在那了,可要模拟起来却是难如登天,在流动比较快、“搓”得比较厉害的地方,就会搓出大大小小很多漩涡,也就是出现了湍流,要知道每个小漩涡的细节,就需要非常大的计算量,一个飞机周围的空气流动,以现在超级计算机的能力,精确模拟所需的时间要以年计算!


湍流剪切层,箭头代表流动方向

可是从实际应用出发,我们只对那些总体的、平均的结果感兴趣,差不多知道飞机的升力和阻力这些就好了,那些小漩涡我们其实不关心。直接无视它们不就好了么?不行,虽然小漩涡是很小,但是禁不住多啊,它们和那些大漩涡搅和在一起,对最后的结果有很大的影响。好吧,那可以把大漩涡算一下,猜一猜小漩涡在里边要怎么搅和呗?这个方法就叫大涡模拟。不过,小漩涡的运动猜不准的话,最后的结果也不太可能算准。

大漩涡和小漩涡(猜的不好,地面附近都没有小漩涡)

陈十一院士就提出了物理约束的思路,用小漩涡的运动规律来约束计算,叫做约束大涡模拟,在关键的固体壁面附近和远离固体壁面的地方都能得到非常接近实际的结果。

大漩涡和小漩涡(地面附近有小漩涡,好!)

在陈十一院士的领导下,以约束大涡模拟为代表的一系列原创的流体动力学模拟技术被投入到了软件的开发当中,现在已经发展成为了成熟可靠的商业软件,特别是对国产大飞机C919的气动性能设计起到了重要作用。

三角翼前缘涡破裂形态


风力发电机叶片的绕流特征


汽车侧碰过程及结构变形数值仿真


客车机舱热管理系统数值仿真

散热器翅片流道压力、温度分布及流道内涡系分布特征

重卡车架结构强度分析数值仿真

白车身强度计算-刹车工况

白车身模态分析

排气管吊耳车身连接点动刚度分析

声腔模态仿真分析


文案 | 科技开发办公室


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