SimWise FEA：机械应力与热分析

SimWise FEA 是一款有限元分析工具，可对机械零件执行应力、固有模态、屈曲和传热分析。它通过自动化流程处理 FEA 中的部分复杂工作，同时也为熟悉有限元方法的用户提供相应功能。

SimWise FEA 可从 CAD 系统导入几何，并允许用户向模型添加结构和热分析相关实体，从而形成设计的功能性结构原型。软件使用物理和数学方法对该原型进行仿真，并以图形和数值形式呈现结果。用户可据此判断设计是否能够按预期运行，以及是否需要修改。

SimWise FEA 提供一组可添加到 CAD 模型中的功能对象，用于构建结构分析原型。这些对象包括：

• 集中载荷、分布载荷、扭矩和压力
• 约束和强制位移
• 指定温度、传导与对流热通量、辐射

这些数值都可以由 SimWise 公式语言驱动。与传统 FEA 产品中将对象施加到节点和单元的方式不同，SimWise 中这些对象会施加到底层几何上。

SimWise 使用迭代有限元分析求解器，该求解器利用多核处理器，并基于预条件共轭梯度法。SimWise FEA 使用十节点四面体单元，并针对这类问题进行处理。

SimWise FEA 可执行以下分析类型：

• 线性静态应力
• 稳态热分析
• 瞬态热分析
• 固有模态
• 屈曲
• 热-结构联合分析

SimWise FEA 可以将 FEA 结果显示为着色等值线、变形形状或动画。除工程数值外，SimWise FEA 还会计算安全系数和应力结果中的误差，并且二者都可以作为着色等值线显示。

h-adaptivity 与网格控制

误差结果可用于驱动名为 h-adaptivity 的迭代求解过程。在该过程中，误差结果会用于在误差较大的区域细化有限元网格，并使用新的网格重新求解。新结果中的误差会与目标进行比较；如果模型中的误差值仍超过目标，则继续进行网格细化和分析，直到达到误差目标。

如果需要对网格进行更多控制，SimWise FEA 提供可附着到几何面或边的网格控制。该控制可在特定几何特征上指定网格尺寸，生成的三维网格将沿着或跨越该几何特征形成指定尺寸。

SimWise 4D 优化

优化用于回答设计如何改进的问题。当用户已经知道设计能够运行，并具备所需结构强度后，可以开始在重量、成本、可制造性和性能等产品属性之间进行权衡。

SimWise 4D 包含 Red Cedar Technology 的 HEEDS 优化引擎。该引擎使用 SHERPA 算法，遍历多个设计备选方案，寻找满足目标和条件的设计参数。

优化需要三类内容：

• 参数：为实现优化目标而改变的值。这些可以是 SimWise 中的多种数值，例如弹簧刚度或关节位置。
• 目标：需要优化的值。可显示在仪表上的 SimWise 量值，以及多数 SimWise 对象属性，都可以作为目标。
• 约束：用于为优化设置边界。可显示在仪表上的 SimWise 量值，以及多数 SimWise 对象属性，都可以作为边界。

优化运行时，引擎会为参数选择不同数值，并运行多个运动仿真、FEA 仿真或运动+FEA 联合仿真。HEEDS 引擎中的 SHERPA 搜索算法会引导参数值的选择。每次运行的数据都会被保留并可供查看。每次运行都会根据其满足优化条件的情况进行排序，排序结果可用于确定设计中的数值。

如果 SimWise 模型是通过某个 CAD 插件从 CAD 系统传输而来，用户也可以选择将 CAD 系统中的设计变量和尺寸传输到 SimWise。这些变量和尺寸也可以作为优化过程中的参数、目标或约束。每当优化引擎判断 CAD 变量或尺寸需要改变时，新的数值会传递给 CAD 系统，模型会更新，并重新传回 SimWise 以进入下一步优化。

Simulink 接口

MATLAB/Simulink 常用于多个领域的控制系统设计和仿真。随着产品复杂度提升，许多机械装配体会由控制器运行，因此需要将控制器与机械系统一起进行仿真。

SimWise 可在 Simulink 中作为被控对象模型，使 SimWise 模型可以作为代表机械模型的模块放置到 Simulink 模型中。显示在 SimWise 仪表上的值，可以定义为被控对象模型的输出信号，并连接到另一个 Simulink 模块的输入。

Simulink 模块的输出可以连接到 SimWise 中的输入控件，该输入控件可以映射到 SimWise 对象的数值属性，例如线性执行器产生的力或旋转电机的速度。

该接口的用途包括：

• 控制工程师可使用包含三维接触和摩擦等现象的动态机械模型测试控制算法。
• 机械工程师和控制工程师可以组合各自的模型。
• 可在设计流程较早阶段评估控制器和机械系统，而不需要先构建物理原型。

SimWise Durability：疲劳寿命分析

SimWise Durability 是 SimWise 4D 的附加模块，用于在构建原型之前评估设计的使用寿命。疲劳损伤是结构失效的常见原因之一，因此结构疲劳寿命预测是产品设计中的一项工程内容。

SimWise 4D 已经可以计算由机构运动产生的动态载荷，以及这些动态载荷引起的应力和应变。SimWise Durability 会将 FEA 疲劳计算应用于应力/应变时程，以确定零件疲劳寿命。该数据会像 FEA 应力或温度结果一样，以着色等值线图形式呈现。用户可由此判断零件寿命是否符合设计目标，以及需要在哪些位置进行修改以改善疲劳寿命。

SimWise Durability 提供约 150 种包含疲劳属性的材料，相关属性依据 SAE J1022。疲劳寿命可使用单轴或双轴方法计算，SimWise Durability 同时支持这两种方法。

支持的计算方法包括：

• Manson Coffin
• Morrow
• Basquin
• ASME
• BWI Weld
• Smith-Watson-Toper
• Max Shear Strain
• Goodman
• Gerber
• Dang Van

SimWise 4D 是使用 SimWise Durability 的前提。

功能项目汇总

SimWise brochure 中列出了以下功能项目。

可测量参数：

• 速度、加速度和位移
• 力和扭矩
• 摩擦力、碰撞
• 干涉检测以及刚体之间的接近距离

运动驱动：

• 电机和执行器
• 点力、扭矩、分布力、压力
• 表格输入、滑块、Simulink 控件

FEA：

• 应力、应变、挠度、振动、屈曲
• 传热、h-adaptivity
• FEA 结果仪表和安全系数图
• 进阶网格控制

输入几何格式：

• ACIS、Parasolid
• CATIA V5、NX
• STEP、IGES

约束：

• 刚性、转动、球形、曲线槽、平面
• 杆、绳、弹簧、齿轮、皮带
• Bushings
• 通用约束（用户定义）
• 用于 FEA 的刚体面固定常数

集成运动与应力分析：

• 将关节力转换为分布载荷
• 将惯性信息传递给零件应力分析
• 在每个时间步计算应力和应变
• 使用有限元技术求解冗余约束装配体

优化：

• 来自运动和 FEA 对象的参数、目标和约束
• 使用运动、FEA 或联合结果进行优化
• CAD 尺寸和变量可作为参数
• HEEDS 优化引擎

注释与尺寸标注：

• 文本和指针注释、向量
• 距离和半径尺寸

动画功能：

• 灵活的关键帧和爆炸装配动画
• 阴影、表面渲染和纹理映射
• 使用裁剪平面剖切部分区域
• AVI 视频创建

输出：

• MS Excel 格式的仿真仪表数据
• 快照工具可创建 JPG、TIF 和 BMP 图像文件
• DAT files
• 用于网络分发的 VRML 和 HTML 文件
• 仿真报告

易用性功能：

• 入门内容
• 在线教程指南
• CAD 环境模拟
• 临时缩放

CAD 与其他集成：

• Autodesk Inventor
• SpaceClaim
• SOLIDWORKS
• Solid Edge
• Geomagic Design
• MATLAB and Simulink
• Excel