鱼海仿真软件系列

商业软件验证测试报告目录

01
商业软件验证概述

仿真软件是专门用于仿真的计算机软件,它与仿真硬件同为仿真技术工具。仿真软件是从20世纪50年代中期开始发展起来的。它的发展与仿真应用、算法、计算机和建模等技术的发展相辅相成。仿真软件的目标是不断改善面向问题、面向用户的模块描述能力和对模型实验的功能。不同技术水平的用户通过仿真软件能在不同的程度上采用他们表达问题的习惯语言，方便地与计算机对话,完成建模或仿真实验。

1.1 商业软件验证目标

商用有限元软件ANSYS Workbench是目前工业界最常用的几款CAE软件之一，本报告主要是通过和ANSYS Workbench进行对标，验证鱼海自研ParaCS软件各种单元类型以及分析模块的结果精度以及可靠性。

1.2 商业软件描述

ANSYS是由美国ANSYS公司开发的、功能强大的有限元工程设计分析及优化软件包。该软件具有能实现多物理场耦合分析的功能，实现前后处理、分析求解及多场分析统一数据库的大型有限元软件。同时，ANSYS是最早采用并行计算技术的有限元软件，它支持从微机、工作站、大型机直至巨型机等所有硬件平台，并可与大多数的CAD软件集成并有交换数据的接口，ANSYS模拟分析问题的最小尺寸可在微米量级。该软件主要分析功能包括以下几个方面：

l （1）结构分析包括线性、非线性结构静力分析，结构动力分析(包括模态和瞬态)，断裂力学分析，复合材料分析，疲劳及寿命估算分析，超弹性材料的分析等。

l （2）热分析包括稳态温度场分析，瞬态温度场分析，相变分析，辐射分析等。

l （3）高度非线性结构动力分析包括接触分析，金属成形分析，整车碰撞分析，焊接模拟分析，多动力学分析等。

l （4）流体动力学分析包括层流分析，湍流分析，管流分析，牛顿流与非牛顿流分析，内流与外流分析等。

l （5）电磁场分析包括电路分析，静磁场分析，变磁场分析，高频电磁场分析等。

l （6）声学分析包括水下结构的动力分析，声波分析，声波在固体介质中的传播分析，声波在容器内的流体介质中传播分析等。

1.3 商业软件对比验证流程

商业软件仿真分析分为3个模块：

l （1）前处理模块:实体建模，网格划分。前处理模块提供了个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型。

l （2）求解模块：分析计算模块包括静力学分析、模态分析、瞬态分析、谐响应分析、响应谱分析模块。

l （3）后处理模块:通用后处理模块；显示计算结果，输出计算结果(图表，曲线)；时间历程响应检查在一个时间段或子步历程中结果。

02

商业软件对比验证

本章节分别使用商业软件ANSYS Workbench 2020R1和ParaCS软件对发动机连杆模型进行仿真求解，并对结果进行对比验证，以验证ParaCS软件的静态分析、瞬态分析、模态分析、谐响应分析和响应谱分析的计算精度。

2.1 发动机连杆模型验证

2.1.1 几何模型

发动机连杆几何模型如图2-1-1所示。

图2-1-1发动机连杆几何模型

2.1.2 模型材料及网格信息

模型材料设置为结构钢，弹性模量为2e11 Pa，泊松比为0.3，设置单元尺寸为0.0007 m，单元阶次为线性，网格划分方法为：Tetrahedrons。模型节点数为48254，单元数为180189，模型网格划分如图2-1-2所示。

图2-1-2发动机连杆网格模型

2.1.3 静态分析

2.1.3.1 参数设置

（1）连接关系设置

对于单体模型没有相对运动关系，故此步略过。

（2）求解设置

分析步数为1，步长为1s。其余参数在分析设置中保持默认设置。

（3）边界条件设置

模型所受约束及荷载如图2-1-3所示，荷载具体设置如图2-1-4所示。

图2-1-3 模型所受约束及荷载-静态

图2-1-4 荷载设置-静态

2.1.3.2 结果对比

Workbench和ParaCS软件的x/y/z方向节点位移云图对比如图2-1-5至2-1-7所示。

图2-1-5 x方向节点位移对比-静态

图2-1-6 y方向节点位移对比-静态

图2-1-7 z方向节点位移对比-静态

由以上位移对比云图可知，ParaCS软件与Workbench的静态分析各节点x/y/z方向的位移数值及位移云图变化趋势一致，ParaCS软件计算静态分析中的位移精度良好。

Workbench和ParaCS软件的各方向单元应力云图对比如图2-1-8所示。

图2-1-8各方向单元应力云图对比-静态

Workbench和ParaCS软件的各方向节点应力云图对比如图2-1-9所示。

图2-1-9各方向节点应力云图对比-静态

由以上单元应力对比云图可知，ParaCS软件与Workbench的静态分析单元各方向的应力数值及应力云图变化趋势一致，ParaCS软件计算静态分析中的单元应力精度良好。

由以上节点应力对比云图可知，ParaCS软件与Workbench的静态分析节点各方向的应力数值及应力云图变化趋势一致，ParaCS软件计算静态分析中的节点应力精度良好。

2.1.4 模态分析

2.1.4.1 参数设置

（1）连接关系设置

对于单体模型没有相对运动关系，故此步略过。

（2）求解设置

模态求解阶数为10，频率搜索范围为0-1e8 Hz。其余参数在分析设置中保持默认设置。

（3）边界条件设置

模型所受约束如图2-1-10所示。

图2-1-10模型所受约束-模态

2.1.4.2 结果对比

各阶频率对比结果如表2-1-1所示，可知Workbench和ParaCS软件所得各阶频率比值均为100%，ParaCS软件计算模态频率精度良好。

表2-1-1 各阶频率对比-模态

1-5阶振型x/y/z向位移云图对比如图2-1-11至2-1-15所示。

图2-1-11 1阶振型各方向位移对比

图2-1-12 2阶振型各方向位移对比

图2-1-13 3阶振型各方向位移对比

图2-1-14 4阶振型各方向位移对比

图2-1-15 5阶振型各方向位移对比

由以上振型对比图表可知，ParaCS软件与Workbench的模态分析各节点振型位移误差在0.5%以内，ParaCS软件计算模态振型精度良好。

2.1.5 瞬态分析

2.1.5.1 参数设置

（1）连接关系设置

对于单体模型没有相对运动关系，故此步略过。

（2）求解设置

分析步数为10，每步长为1s。其余参数在分析设置中保持默认设置。

（3）边界条件设置

模型所受约束及荷载如图2-1-16所示，荷载具体设置如图2-1-17所示。

图2-1-16 模型所受约束及荷载-瞬态

图2-1-17 荷载具体设置-瞬态

2.1.5.2 结果对比

Workbench和ParaCS软件所得位移云图随时间变化情况如图2-1-18-图2-1-23所示。由位移对比情况可知，仿真ParaCS与Workbench计算所得节点位移在不同时刻差异都很小，误差在4%以内，ParaCS软件计算瞬态分析位移精度良好。

图2-1-18 节点x位移随时间变化情况-Paracs

图2-1-19 节点x位移随时间变化情况-Workbench

图2-1-20 节点y位移随时间变化情况-Paracs

图2-1-21 节点y位移随时间变化情况-Workbench

图2-1-22 节点z位移随时间变化情况-Paracs

图2-1-23 节点z位移随时间变化情况-Workbench

2.1.6 谐响应分析

2.1.6.1 参数设置

（1）连接关系设置

对于单体模型没有相对运动关系，故此步略过。

（2）求解设置

图2-1-24 谐响应求解设置

（3）边界条件设置

模型所受约束及荷载如图2-1-25所示，荷载具体设置如图2-1-26所示。

图2-1-25 模型所受约束及荷载-谐响应

图2-1-26 荷载具体设置-谐响应

2.1.6.2 结果对比

Workbench和ParaCS软件计算所得1354 Hz和13540Hz谐响应节点位移云图和应力云图对比（实部结果）如图2-1-27-图2-1-30所示

图2-1-27 1354 Hz时节点各方向位移对比

图2-1-28 13540 Hz时节点各方向位移对比

图2-1-29 1354 Hz时节点各方向应力对比

图2-1-30 13540Hz时节点各方向应力对比

1354Hz激励频率下，谐响应分析的各对比分量的极值（最大值或最小值）计算结果统计表及误差评价如下表所示：

13540Hz激励频率下，谐响应分析的各对比分量的极值（最大值或最小值）计算结果统计表及误差评价如下表所示：

由以上表格和云图对比结果可知，ParaCS软件与Workbench的谐响应分析中各节点位移应力误差在0.1%以内，ParaCS软件对谐响应分析中位移应力的计算精度良好。

2.1.7 响应谱分析

2.1.7.1 参数设置

（1）连接关系设置

对于单体模型没有相对运动关系，故此步略过。

（2）求解设置

2.1.7.2 结果对比

Workbench和ParaCS软件计算所得响应谱节点位移云图和应力云图对比（实部结果）如图2-1-31-图2-1-32所示：

图2-1-31 节点各方向位移对比

图2-1-32 节点各方向应力对比

由以上表格和云图对比结果可知，ParaCS软件与Workbench的响应谱分析中各节点位移应力云图变化趋势基本一致，ParaCS软件对响应谱分析中位移应力的计算精度良好。

Yuhai Tech.

2.2 结论

由以上发动机连杆模型对比结果可知，ParaCS软件在几大通用模块中的位移、应力、模态频率及基频振型基本保持一致，计算精度良好。