【产品】智能结构仿真软件AIFEM 2023R2新版本功能介绍

AIFEM是由天洑自主研发的一款通用的智能结构仿真软件，助力用户解决固体结构相关的静力学、动力学、振动、热力学等实际工程问题，软件提供高效的前后处理工具和高精度的有限元求解器，帮助用户快速、深入地评估结构的力学性能，加速产品的设计迭代。

一、AIFEM功能特色

● 一体化仿真流程：软件具备完善的有限元前处理、求解、后处理功能，可实现几何导入与修复、网格划分与连接、材料属性设定、分析工况设定、仿真结果后处理的一体化仿真操作流程。

● 高精度结构有限元求解器：具有完整知识产权、国产自主可控的结构仿真求解器，求解能力覆盖结构线性静力学、非线性静力学、响应动力学、热力学等学科，求解效率高，结果精度媲美成熟商软。

● 高效率的前后处理器：拥有多维度、多阶次的单元类型，网格自动划分速度快、质量高；利用自动螺栓连接等自动化功能，大幅提升装配模型的建模效率；包含丰富的材料库和载荷设定，轻松创建多种场景工况，支持导入主流有限元求解器模型。

二、版本更新亮点

AIFEM 2023R2在前后处理和求解能力、仿真精度、计算效率方面均有更新和提升，具体包括：

● 新增自动创建螺栓连接功能

● 新增谐响应分析功能

● 新增随机响应分析功能

● 新增复合材料分析功能

● 新增梁单元、弹簧单元、质量单元的求解

● 丰富和完善前处理显示和操作便捷性

● 丰富和完善后处理显示和操作功能

图1 智能结构仿真软件AIFEM 2023R2启动界面

1）新增自动创建螺栓连接功能

螺栓是工程中常见的装配连接手段之一。在传统的有限元软件中设置螺栓连接，不仅步骤繁琐、设置项分散，而且当螺栓数量较多时，需要人工进行多次重复操作，前处理效率低下。AIFEM针对该痛点，在2023R2版本新增了自动创建螺栓连接功能，用户仅需要输入孔洞直径和螺杆长度的范围，软件通过搜索和识别螺栓孔对，自动生成螺杆-蛛网形式的一维螺栓连接，提供梁单元-RBE2单元、梁单元-RBE3单元、RBE2单元-RBE2单元等多种单元组合形式可供选择，并可批量赋予材料属性。螺栓连接在网格更新后会自动更新。而针对异形孔等特殊情况，AIFEM也有手动选择孔洞的方式，一键式创建螺栓连接，灵活、全面地支持工程中的螺栓连接场景。

图2 自动创建螺栓连接

2）新增谐响应分析功能

谐响应分析是将一系列不同频率的周期正弦激励应用于线性系统，并分析周期激励下的周期响应（稳态响应）。谐响应分析在工程中应用广泛，例如电机受电磁力产生的结构振动、电子电路受动力源激励产生的结构振动、风电设备受到叶片转动产生的周期结构振动等。

AIFEM提供基于模态叠加法的谐响应分析功能，通过基础激励的方式输入激励载荷，基于在各个结构特征频率上的模态特性响应的线性叠加，最终得到结构的总谐响应参数，包括位移、速度、加速度响应，应力、应变、支反力响应等结果。谐响应分析所需的模态结果，可以通过前置的模态分析步计算自动获取，也可以导入已有的模态结果，大大节约了谐响应的求解时间，同时也提升了企业仿真数据库的重用率。

图3 电器盒谐响应分析 一阶共振峰下的位移云图

3）新增随机响应分析功能

随机响应分析是对随机振动输入的一种统计学模拟仿真。AIFEM在模态空间内对随机响应结果进行计算和叠加，再转换到物理坐标系下。输入数据为自相关的功率谱密度PSD，输出为响应功率谱密度、自相关函数、响应变量的均方根等参数。基于这些参数可以考察结构在随机环境下的工作情况，评估结构的振动特性和可靠性。

AIFEM求解器在求解大规模网格模型下的随机响应时，具有高效的求解效率，例如在200万网格的电池包随机响应分析案例中，在相同的输入和输出设定下，AIFEM求解时间少于某国外成熟商软近30%，帮助用户快速判断设计方案的可行性。

图4 电池包随机响应分析 应力均方根（RMS）结果云图

4）新增复合材料分析功能

AIFEM新增了面向复合材料场景的结构静力学和动力学分析功能，通过创建铺层属性，描述复合材料的材料特性、厚度和角度特征，可以求解得到复材中各个铺层的应力、应变结果；同时新增了正交各项异性的材料本构模型，可以通过工程常数、矩阵分量、单层板三种参数形式来描述材料在不同方向上的力学特性，进一步完善了复合材料的仿真场景。

图5 创建和绘制铺层属性

5）新增梁单元、弹簧单元、质量单元的求解

AIFEM新增梁单元、弹簧单元、质量单元，结合已有的壳单元和体单元，AIFEM已综合覆盖0D、1D、2D、3D完整维度的20余种单元类型，可以更加准确地模拟真实的结构。

梁单元和弹簧单元在工业领域应用广泛，例如，可以模拟船体肋板、螺栓、结构撑杆、减震器、悬置等等，质量单元则可以将很多结构附件简化成质量点单元参与仿真，既考虑质量和惯量的影响，也提升了求解效率。

图6 船舶平行中体结果云图

6）丰富和完善前处理显示和操作便捷性

AIFEM已具备丰富的结构仿真前处理功能，包括主流的几何格式导入、主流的网格格式导入、网格自动划分、局部网格加密、分析步设定、各类边界条件、约束和载荷设定等功能。在此基础上，AIFEM 2023R2进一步丰富和完善了前处理功能，提升用户体验。

■ 几何：

① 优化了大规模几何模型的导入效率，相比上一版本效率提升80%以上；

② 新增几何布尔运算功能，支持通过交、并、差运算进一步构造几何模型。

■ 网格：

① 新增针对组件对象的网格划分功能，可以对装配体一键划分网格；

② 优化二阶体网格的生成算法，避免产生负体积网格；

③ 支持输出网格模型的统计信息。

■ 分析：

① 优化力的施加方式，支持对面、体对象施加总合力，由求解器自动进行均布载荷计算；

② 新增场输出和历程输出设定选项，用户可根据分析需求增减输出变量、范围和频次。

■ 工具：

① 新增创建直角、柱、球坐标系功能，可作为材料、载荷方向使用；

② 新增测量距离和角度功能；

③ 新增视口区右键菜单功能，快速进行视图缩放、设置旋转中心；

④ 新增偏好设置选项，支持默认工作目录设定、中英文切换、默认并行核数设定等。

图7 划分高质量的体网格

7）丰富和完善后处理的显示和操作功能

AIFEM后处理功能已有常见结果云图显示、模态结果清单显示、剖视图显示等功能，2023R2版本对后处理功能进行了整体功能增强，不仅提高了结果文件的读取速度，并且扩展了后处理的编辑和操作功能,提升了用户的使用体验。该版本新增和优化的后处理功能有：

■ 新增图例设置选项，对色彩、极值显示、层级数量和数值进行控制；

■ 新增探针功能，读取和查看局部位置的结果数据；

■ 新增结果选项设置，控制复数输出、结果平均方式、梁壳截面积分点结果显示；

■ 新增矢量图的显示；

■ 优化了剖面图设置，提升剖面结果的真实性；

■ 新增图表的绘制和保存功能，增加了图表的创建、样式设置功能。

图8 基于车门变形结果的图例设置

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