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1、基于几何体的航天器热分析系统I-deas TMG,I-deas TMG介绍,综合的热分析模拟软件包基于集合的建模方式图形化、交互式操作界面采用一致的网格进行热传导和辐射分析对实体模型进行网格划分装配相关性有限体积法精度、效率完全集成的辐射模拟辐射度(radiosity),光线跟踪(ray-tracing)轨道热(orbital heating)先进的求解器共轭梯度隐式和显式时间积分,数值方法,传导积分方法:有限体积法计算单元边界和质心上的点精确处理任意单元形状生成导-容网络矩阵兼容有限差分求解器(SINDA)辐射采用围线积分、Nusselt 球面法计算角系数阴影面镜面反射的光线跟踪(two-p
2、ass method)角系数的迭代修正以消除残余用于辐射交换计算的辐射度算法求解辐射度方程的迭代共轭梯度法求解高效的迭代求解器(双共轭梯度稳定技术)预条件矩阵(ILU 分解)非线性项的Newton-Raphson方法隐式、显式瞬态综合模型子结构,建模技术,实体建模广泛的建模能力模型提取工具模型库(从单个元素到装配)网格划分自由、映射、手工划分热耦合装配体 轨道、姿态建模用户子程序图形后处理、结果可示化等值线图、动画、XY曲线图、结果探测模型校验和相关性结果映射将温度传递到结构模型数据交换几何、网格、热模型,基于几何的分析方法,分层方法:显式离散任意的、非结构网格传导、辐射 采用网格计算一致性精
3、度离散误差的评价应用于网格的温度模型材料、边界条件面、体、位置信息根据几何实体建立网格相关性根据设计模型提取分析几何派生几何同步,历史,TMG 从1983年开始开发I-DEAS TMG 在1988发布第一的版本客户:400 sites 650 seats来自加拿大太空机构的研发支持质量保证通过SRQA认证(Safety Related Quality Assurance)自动的验证程序524 个测试案例,概念单元网格是分析的基础而几何模型是网格生成的基础相关性(网格、材料、边界条件)方法设计几何scaffolding or from scratch模型库(元素、零件、装配)节点和单元使用设计几
4、何装配几何提取派生几何同步优点可示化易理解效率高精度同步工程,I-deas 基于几何的建模技术,I-deas 几何提取,特征抑制通过历程树Section meshing基于几何的“网格面”在不相连的面上生成网格拓扑特征切线和切面的辨认相临边或间隙间距removal of internal surface time holes中面抽取自动计算厚度,I-deas 几何提取,几何清理对“脏”的几何的处理重复的点、线线、面之间的间隙拓扑不一致面的操作偏移分割插值或投影延伸连接、相交分割在实体上创建内部面Scaffolding,模型装配,装配处理大而复杂的装配捕捉设计层次灵活的零件和装配定位instan
5、cingpruningVGX 装配约束关联复制有限元模型装配各个部件组合根据part instances的有限元选择部件模型的复制,网格划分,自由网格划分高性能的壳、实体网格划分高度自动化任意几何用户可控制的网格密度和单元过渡线性、二阶单元对孔和缝隙的处理最小化单元扭曲的自动光顺映射网格划分生成均匀一致的单元处理复杂和退化的区域不等距过渡直接法拖拉、旋转、复制、反射表面覆层分割、合并单元缝合不相连的网格,其他有限元建模工具,实体选择动态导航器综合过滤框选相关分组实体的任意组合集合操作梁元建模材料数据系统模型检查重合节点、单元自由面、边质量、面积、体积信息单元质量检查,相关性,提取的几何与设计几
6、何可以是相关的“双相协同”网格和几何也可以是相关的当几何改变时网格更新自由、映射网格section meshes网格定义(材料、物理属性)边界条件,数据面不受网格重划分影响温度热流辐射对流TMG实体在组中的几何不受网格重划分影响,传导模型,支持各种单元类型四面体、六面体、楔形、壳、梁单元轴对称壳、实体单元多种材料的复杂模型正交各向异性多层壳(层状、TPS材料)径向热流处理高度倾斜和扭曲的网格温度相关的材料属性相变,传导算法,有限体积法单元被用作控制体积局部和总体能量守恒对任意单元形状得到精确的传导率保持与有限差分法的天然关系计算点(网络“节点”)建立在单元的边界和形心上导容,表面热传递(辐射、
7、对流)“集总”到形心点 温度相关的热传导率的有效处理所有的项与单个单元相关与 SINDA的兼容TMG的求解矩阵可用SINDA直接求解支持电导和电容的直接输入和修改“非几何”建模,热耦合,建立两组单元集之间的热阻率根据重合面或接近程度它们之间的网格可以是不一致的支持广泛的热阻类型基于几何的根据单元面、位置计算传导率很方便的模型重新布置(e.g.元件布置)模型装配工具各个零件单独划分网格用热耦合建立连接关系热界面建模边界条件辐射、对流边界随h而变航天器运用:组件安装蜂窝结构MLI结构连接,辐射技术,TMG 对航天器的辐射模拟:辐射交换的完全模拟轨道环境热漫射/反射/透射面关节连接、旋转飞行器角度相
8、关的反射率、透射率温度相关的发射率集成的辐射分析能力:一种网格同时用于辐射和传导计算所有辐射数据(电导率、热载荷)同时加载到求解矩阵,辐射建模,用壳单元表示表面几何直接覆在实体单元的表面曲面建模采用二阶单元支持光线跟踪计算用户可控制辐射面定位单元可以在辐射或阴影是失效封闭腔可以显式建模或自动判断空间封闭腔的自动建立综合的重启动和数据管理能力模型可以输出成TRASYS或NEVADA格式,角系数计算,非阴影单元对的精确围线积分技术障碍视角的Nusselt 球面法对单元细分的控制误差算法可以减少阴影检查的阴影面算法,光线跟踪,Two-pass方法:反射和透射的光线跟踪角系数矩阵调整光线分布是确定的对
9、反射和投射单元是根据角系数单元被细分、光线在细分单元之间发生用户控制光线密度光线密度正比于视角因子光线跟踪直到消失对大模型精确、有效的计算对光线密度、采样比Monte Carlo不敏感采用迭代求解器有效求解辐射度方程对曲面的支持二阶单元对曲面曲率的捕捉可以精确模拟聚焦效应(如：抛物面反射器)面方向特性反射率、透射率对入射角,辐射交换矩阵,消除剩余角系数的重复调整算法内部或外部封闭腔处理优先修正阴影角系数对空间角系数的有效修正Gebhardt算法生成单元到单元的传导矩阵Oppenheim方法(辐射度)高级迭代求解器不需要矩阵求逆 通常产生较小的辐射矩阵可以精确、有效地处理温度相关的发射率,轨道热
10、,计算轨道环境热载直接的太阳热、星体反照率、行星IR计算对环境热源的角系数校正的太阳投射、镜面反射的光线跟踪辐射交换方程的辐射度算法(扩展的 Oppenheim法)使用迭代共轭梯度求解器有效求解轨道和姿态建模标准的轨道定义对轨道计算点的控制根据旋转角度和速率确定姿态太阳、地球角度直接输入轨道可视化旋转飞行器热流平均轨道平均热载,铰接机构,带关节连接的瞬态热分析定义部件之间的相对运动旋转和平移恒定的/随时间变化的多关节飞行器应用太阳系阵列、机器人系统、旋转飞行器重新计算黑体角系数的有效算法在变化后的几何上进行结果后处理,24,管流模型构造,管网内的加压稳流管流单元网络截面变化风扇、泵、风扇曲线流
11、动阻力管的粗糙度影响流体来源和散热器与对流热传递完全耦合,其他热建模工具,焦耳热与电路完全耦合与温度相关的电阻率电压、电流边界辐射热任意源设置双光谱处理加热器建模带滞后作用的温度调节器温度变化的热载非几何建模表,模型缩减,子结构求解矩阵的线性缩减基于 star-delta变换辐射项处理可以恢复整个模型的温度可以改进矩阵的条件合并将若干单元组合成单个计算点,求解器,稳态问题:共轭梯度求解器高效的迭代求解器(双共轭梯度稳定技术)预条件矩阵(ILU分解)非线性项的Newton-Raphson方法对大的、病态系统的高效求解负项的处理瞬态求解器显式算法:递推、指数递推隐式方法:任意形式也可以用 共轭梯度
12、求解器访问求解算法用户子程序自动编译和链接直接读取求解矩阵、网格、求解器设置等在求解序列中允许多个入口通过组名重复使用子程序到I-DEAS进行后处理的数据恢复多重运行,热模型确认,模型检查和诊断与试验数据相关性能量剩余图示热参数灵敏度和优化对特定热条件的优化不确定性分析确定热参数范围,后处理,完整的表达和沟通结果的工具等值线云图、准则图、矢量动画XY,XYZ曲线图数据报告和模型诊断VRML/网络访问模拟结果可视化温度和热流辐射热流温度梯度对流系数剩余误差角系数求和太阳和行星角系数电导网络管道流动结果,协同框架体系,数字化 Master Model共享设计元素单元信息Team 数据综合分布式的工
13、作组unix&NT连通形VRML标注URL 单元信息OLE/COMDirect3D to EAI企业Metaphase,SAPOpen I-DEAS,数据交换,直接几何接口Pro-EngineerCATIAUnigraphicsPDGSICEM几何转换器IGESSTEPDXFSETVDAI-DEAS几何集成的团队数据管理系统双向协同几何提取可控制的模型更新改变控制,数据交换,有限元模型与 NASTRAN,ANSYS,ABAQUS的直接接口分析结果温度映射将结果传递到不同网格的结构模型上使用局部单元温度函数处理穿过壳单元的横向梯度热模型SINDA(import,export)TRASYS(exp
14、ort)NEVADA(import,export)ESATAN(export)第三方程序用户子程序耦合的求解器框架(ESC),TMG的新特点,增强了轨道和姿态建模广泛的轨道特征说明跟方便的飞行器姿态建模轨道可视化视角因子的Hemi-cube 算法使用图形硬件基于OGL非常快求解工况多个工况独立的求解器设置不考虑材料属性结果与工况关联,34,TMG 的用户,航空/航天Allied SignalBoeingCNRSDASAHughesLockheed MartinNASARockwell汽车FordNissanRenaultValeo,电子 Beckman Instruments GE Medical Honeywell Mitsubishi Motorola Pitney Bowes Toshiba Thomson制造 ABB Babcock and Wilcox Electricit de France,
