來(lái)源：
CFD（計(jì)算流體動(dòng)力）形式的計(jì)算機(jī)模擬/虛擬模型技術(shù)，極大地降低了產(chǎn)品成本，加快了產(chǎn)品上市時(shí)間。然而，許多經(jīng)營(yíng)者尚未意識(shí)到軟件的進(jìn)步正使得小型和中型企業(yè)更易獲取利潤(rùn)。多虧了諸如EFD（工程流體動(dòng)力）這一類(lèi)軟件，我們無(wú)需再雇用或培訓(xùn)CFD專(zhuān)家，外包分析給咨詢(xún)公司，或?qū)Χ鄠€(gè)物理原型進(jìn)行測(cè)試。如今在任何規(guī)模的公司，接受過(guò)一般培訓(xùn)的設(shè)計(jì)工程師都能夠運(yùn)用其現(xiàn)有的知識(shí)成功地進(jìn)行流體流動(dòng)和熱分析，從而極大減少了所需原型的數(shù)量。
實(shí)現(xiàn)這一突破是因?yàn)?/SPAN>EFD簡(jiǎn)化了建立和運(yùn)行流體流動(dòng)或熱分析的過(guò)程。當(dāng)然，在一些要求高的應(yīng)用中需要先進(jìn)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，調(diào)整CFD網(wǎng)格劃分和求解設(shè)置以便通過(guò)收斂求解。然而，我們的經(jīng)驗(yàn)表明：利用現(xiàn)有知識(shí)，設(shè)計(jì)工程師無(wú)需特殊CFD方面的培訓(xùn)，可以解決他們遇到的分析工作的80%-90%。這使得CFD不再局限于專(zhuān)家領(lǐng)域，成為主流趨勢(shì)，代表了設(shè)計(jì)過(guò)程中的根本性變化。正如CAD從二維轉(zhuǎn)向三維需要思維的飛躍，EFD也是如此——而且結(jié)果也許更重要。
利用現(xiàn)有知識(shí)，設(shè)計(jì)工程師無(wú)需特殊CFD方面的培訓(xùn)，可以解決他們遇到的分析工作的80%-90%。
基于這些因素，CFD的應(yīng)用范圍得到了極大的擴(kuò)展。雖然汽車(chē)工業(yè)中的許多經(jīng)營(yíng)者可能認(rèn)為流體流動(dòng)分析是專(zhuān)門(mén)用來(lái)研究汽車(chē)外觀的氣體流動(dòng)，但這實(shí)際上只是EFD應(yīng)用的開(kāi)始。另一個(gè)可能想到的顯著應(yīng)用是研究閥內(nèi)流體以確定閥的尺寸。然而，EFD正用于優(yōu)化設(shè)計(jì)和制造各種各樣的零件，如泵、制動(dòng)系統(tǒng)、過(guò)濾器、燃料電池、集合管、車(chē)燈車(chē)管、變速器和其他許多組件。值得注意的是，裝置或加工過(guò)程中的熱傳導(dǎo)，不可避免地受流體流動(dòng)效應(yīng)的影響，因此，EFD同樣善于分析各種尺寸部件和系統(tǒng)的熱效應(yīng)。
EFD僅為一個(gè)項(xiàng)目就可能省下數(shù)百萬(wàn)
一個(gè)工程團(tuán)隊(duì)采購(gòu)任何硬件或軟件的最低限度是：可以節(jié)省我的時(shí)間和金錢(qián)嗎？EFD軟件包，一般而言，獲得永久許可證的成本在其第一個(gè)所應(yīng)用的項(xiàng)目中就可以收回，然后逐年賺取利潤(rùn)。
對(duì)于上述時(shí)間和成本論令人信服的證據(jù)是由Aberdeen小組進(jìn)行的一項(xiàng)研究（工程決策支持：驅(qū)使做出更好的產(chǎn)品決定和加快產(chǎn)品推向市場(chǎng)的速度）。這項(xiàng)研究首次通過(guò)幾大關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)對(duì)190家公司進(jìn)行比較，這些指標(biāo)同滿(mǎn)足成本/收入目標(biāo)和確定產(chǎn)品推出日期相關(guān)，然后將其研究的公司分為三組：“最頂尖的”、“行業(yè)平均水平”和“落伍者”。
毫無(wú)疑問(wèn)，行業(yè)先驅(qū)所采取的策略是盡可能地用虛擬模型替代物理原型。這些行業(yè)先驅(qū)采用的虛擬模型為平均7.3個(gè)，而落后者只有2.8個(gè)。下表格是少1.1個(gè)物理模型情況下所節(jié)省的時(shí)間和成本。根據(jù)產(chǎn)品的復(fù)雜性和虛擬模型數(shù)，落伍者需要更多的物理原型。行業(yè)先驅(qū)平均物理模型為2.7個(gè)，而落后者為3.8個(gè)，如表1顯示：對(duì)于低復(fù)雜度的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，節(jié)省的成本接近于一萬(wàn)美元；而對(duì)于高復(fù)雜度的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，節(jié)省值超過(guò)一百萬(wàn)美元。
表1 少1.1個(gè)物理模型情況下所節(jié)省的時(shí)間和成本表
資料來(lái)源: Aberdeen Group, 2007
表1：Aberdeen小組的研究表明: 使用的物理原型越少，盡可能使用軟件中的虛擬模型，則可以極大地節(jié)省時(shí)間和金錢(qián)。
財(cái)政收益同樣延長(zhǎng)了產(chǎn)品的使用壽命。正如Autosim財(cái)團(tuán)（由歐洲委員會(huì)資助的項(xiàng)目）聲明的那樣，晚上市六個(gè)月的產(chǎn)品，與準(zhǔn)時(shí)上市相比，即使已納入財(cái)政預(yù)算，也會(huì)在五年內(nèi)平均減少33%的收入。而且，正如表1所示，只要減少一個(gè)物理原型，開(kāi)發(fā)周期就可以減少14天到100多天
如今，關(guān)鍵信息就是幾乎所有的設(shè)計(jì)工程團(tuán)隊(duì)都可以做到節(jié)省這些時(shí)間和成本。
EFD推動(dòng)CFD成為主流工程設(shè)計(jì)工具
任何一個(gè)工程團(tuán)隊(duì)都可以使用電腦模擬工程系統(tǒng)，而且下面的概念也無(wú)新的變化。數(shù)世紀(jì)以來(lái)，科學(xué)家使用數(shù)學(xué)模型描述我們的世界。牛頓與萊布尼茲分別發(fā)展了不同的微積分學(xué)以便將動(dòng)力加入到模型中。事實(shí)上，利用一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)潔的模型，牛頓預(yù)測(cè)了行星軌道。該壯舉具有革命性意義。它甚至挑戰(zhàn)了人類(lèi)對(duì)宇宙的看法。以后的幾十年以及幾世紀(jì)，研究員發(fā)現(xiàn)了描述不管是機(jī)械、機(jī)構(gòu)、化學(xué)甚至整個(gè)電磁波領(lǐng)域的各種物理現(xiàn)象的公式。對(duì)于流體或者氣體的流動(dòng)，最基本的關(guān)系是最初于19世紀(jì)早期提出的Navier-Stokes方程。盡管由于現(xiàn)實(shí)問(wèn)題非常復(fù)雜，Navier-Stokes方程的作用有限，它很難找到一個(gè)解析解法，所以找到利用粗略近似數(shù)值方法變得必要，這就有了現(xiàn)在我們熟悉的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)。
之前的軟件版本開(kāi)始廣泛應(yīng)用于解決商業(yè)CFD軟件的各種問(wèn)題，軟件供應(yīng)商在過(guò)去的10來(lái)年致力于提高網(wǎng)格工具和求解器。接下來(lái)，即就是現(xiàn)在正在進(jìn)行的步驟是平衡這些改進(jìn)，取得新的突破，因而有了EFD（工程流體動(dòng)力學(xué)）軟件的問(wèn)世，這一步驟的重要性如同第一次將商業(yè)軟件介紹給世人。
操作EFD軟件所需的技能僅為CAD系統(tǒng)的知識(shí)和產(chǎn)品物理知識(shí)，絕大部分設(shè)計(jì)工程師已經(jīng)掌握了這兩方面知識(shí).
只有在20世紀(jì)50年代，隨著計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，CFD研究才真正開(kāi)始，但研究基于研究員開(kāi)發(fā)和編寫(xiě)的程序，即我們熟知的編碼，一般在學(xué)術(shù)界或政府支持的項(xiàng)目上。這些程序一般是專(zhuān)為單個(gè)案例編寫(xiě)的。直到20世紀(jì)80年代，商業(yè)程序開(kāi)始出現(xiàn)，CFD使用面擴(kuò)大，但這些程序需要專(zhuān)業(yè)人士操作，他們必須了解正確設(shè)置軟件的技巧比如獲取好的網(wǎng)格、選擇最好的求解和調(diào)整操作等。盡管如此，利用這些軟件包，如果工程師能夠定義幾何模型，確定物理?xiàng)l件和描述一些初參數(shù)，他們?nèi)钥梢阅M流場(chǎng)。
之前的軟件版本開(kāi)始廣泛應(yīng)用于解決商業(yè)CFD軟件的各種問(wèn)題，軟件供應(yīng)商在過(guò)去的10來(lái)年致力于提高網(wǎng)格工具和求解器。接下來(lái)，即就是現(xiàn)在正在進(jìn)行的步驟是平衡這些改進(jìn)，取得新的突破，因而有了EFD（工程流體動(dòng)力學(xué)）軟件的問(wèn)世，這一步驟的重要性如同第一次將商業(yè)軟件介紹給世人。
此處的關(guān)鍵字是”工程”——該軟件是專(zhuān)為日常的設(shè)計(jì)工程師而非專(zhuān)家設(shè)計(jì)。它移除了CFD主流使用的所有障礙。直到目前為止，最大障礙是傳統(tǒng)的CFD軟件要求用戶(hù)對(duì)計(jì)算流體動(dòng)力方面有很深的認(rèn)識(shí)，以便求得準(zhǔn)確結(jié)果。相比之下，EFD的突破性?xún)?yōu)勢(shì)包括其使用本地三維CAD數(shù)據(jù)，自動(dòng)定義流動(dòng)空間和為其生成柵狀網(wǎng)格，以及管理基于對(duì)象特征的流動(dòng)參數(shù)——所有這些綜合在一起，通過(guò)方便的向?qū)е甘具M(jìn)行處理，工程師無(wú)需了解CFD的計(jì)算部分。相反，他們可以專(zhuān)注于產(chǎn)品的流體動(dòng)力性，這已成為了他們職責(zé)的一部分，因?yàn)閷?duì)此他們都是訓(xùn)練有素和經(jīng)驗(yàn)豐富的。使用EFD軟件所需的技能只是要了解CAD系統(tǒng)和產(chǎn)品物理性，而絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)工程師都已經(jīng)具備這兩項(xiàng)技能。
圖片1：EFD不僅使得工程師仍處于熟悉的軟件環(huán)境下，還可以自動(dòng)執(zhí)行許多步驟，而傳統(tǒng)的CFD軟件包則需要掌握大量的專(zhuān)業(yè)知識(shí)才能完成。
區(qū)分EFD的一重要方面在于它無(wú)縫集成于工程師所熟悉的機(jī)械CAD軟件包。安裝EFD軟件后，所有需運(yùn)行流動(dòng)或熱分析的菜單和命令都集成于CAD軟件包。EFD將CAD和CFD兩者的功能緊密結(jié)合（見(jiàn)圖1），其擁有的幾大主要優(yōu)勢(shì)在于：
· 工程師無(wú)需從CAD環(huán)境中將文件輸出至分析軟件包，并花時(shí)間去建立“已準(zhǔn)備就緒的CFD”幾何模型，這一過(guò)程所耗費(fèi)的時(shí)間如果不是幾天就是幾小時(shí)。相反，EFD利用工程師在機(jī)械CAD軟件包生成的同一幾何模型，包括對(duì)模型的任何修改，都自動(dòng)導(dǎo)入至EFD分析。
· EFD軟件自動(dòng)判定您所感興趣的流體區(qū)域，而傳統(tǒng)的CFD軟件需要用戶(hù)自己定義其感興趣的計(jì)算區(qū)域。
· EFD軟件清楚地設(shè)立、運(yùn)行網(wǎng)格劃分和求解。CFD過(guò)于討巧各方，它提供了廣泛的選擇，但大多數(shù)情況下并不需要。而EFD軟件能自動(dòng)選擇適合的求解結(jié)果，設(shè)置求解方式以得出解決方案。工程師也不必?fù)?dān)心如何確定流動(dòng)特性改變的時(shí)間和地點(diǎn)，因?yàn)?/SPAN>EFD支持層流-過(guò)渡-湍流模擬。
· 只需設(shè)置一次邊界條件，由于操作環(huán)境統(tǒng)一，對(duì)應(yīng)于幾何形狀，這些參數(shù)保持不變，除非工程師對(duì)其進(jìn)行修改。
· 同樣EFD加快了迭代設(shè)計(jì)過(guò)程；工程師能快速、輕易地將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用于分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)中。使用傳統(tǒng)的CFD軟件，每次幾何形狀產(chǎn)生變化后，都必須重新生成網(wǎng)格，這通常涉及到耗費(fèi)時(shí)間的手動(dòng)介入。相比之下，當(dāng)幾何形狀產(chǎn)生變化，EFD軟件立即運(yùn)行，自動(dòng)生成新的網(wǎng)格，在先前定義的邊界條件下工作。因此，從變化的幾何形狀到運(yùn)行求解和檢驗(yàn)結(jié)果，完成這一步驟的速度大大加快。
總的來(lái)說(shuō)，由于將CAD和CFD兩者功能緊密結(jié)合，EFD使得工作流程明顯加快，運(yùn)行分析時(shí)無(wú)需再執(zhí)行好些人工設(shè)置的步驟。
圖2：在PRO/ENGINEER Wildfire環(huán)境下對(duì)進(jìn)氣管進(jìn)行流體流動(dòng)分析——EFD軟件能夠分析物理設(shè)計(jì)的變化
處于概念階段的時(shí)候，制造商通過(guò)EFD進(jìn)行模擬仿真，使得他們能探討設(shè)計(jì)方案，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，優(yōu)化產(chǎn)品性能，然后開(kāi)始詳細(xì)設(shè)計(jì)或生成物理模型。EFD支持“what-if”分析。工程師不必重新加載、確定邊界條件和材料特性，就能修改實(shí)體模型。該軟件還有助于進(jìn)行參數(shù)分析，比如，對(duì)同一閥中各管壁的厚度進(jìn)行多次分析，以確定最佳厚度。
廣泛應(yīng)用
直到最近，經(jīng)理們一致認(rèn)為：“我看不出EFD是如何幫助我的職員更好地設(shè)計(jì)他們的產(chǎn)品。畢竟，流體流動(dòng)并非我們?cè)O(shè)計(jì)中所考慮的主要因素?！迸c此同時(shí)，行業(yè)優(yōu)秀企業(yè)卻已發(fā)現(xiàn)EFD所帶來(lái)的巨大利益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)應(yīng)用范圍，諸如空氣動(dòng)力學(xué)。僅僅在汽車(chē)工業(yè)中，工程師就已使用EFD軟件設(shè)計(jì)下列產(chǎn)品和工藝，其中包括：
· 燃料噴射器、散熱器、催化轉(zhuǎn)換器、排氣和排放控制系統(tǒng)、歧管、閥門(mén)、噴嘴、水泵和各種液壓系統(tǒng)
· 通風(fēng)罩下氣流和散熱管理
· 乘客舒適度和環(huán)境控制系統(tǒng)
· 水套、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和氣缸內(nèi)的冷卻液流量
· 電子冷卻系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)力傳動(dòng)元件和頭燈等
· 熱交換器和散熱器的性能
· 通過(guò)過(guò)濾器的流量和壓力降
· 燃料電池性能
· 整個(gè)車(chē)輛或諸如后視鏡、擋風(fēng)玻璃刮水器、擾流器等部件的空氣動(dòng)力性
該份列表清楚地表明，EFD在汽車(chē)制造業(yè)以外的眾多行業(yè)中仍十分有用。事實(shí)上，只有極少數(shù)的行業(yè)或產(chǎn)品領(lǐng)域無(wú)法受益。
用戶(hù)的故事
工程師告知其使用軟件享受到的優(yōu)勢(shì)時(shí)，便是對(duì)該軟件包價(jià)值的真正考驗(yàn)。此處就有兩個(gè)故事表明如今數(shù)以千計(jì)使用EFD軟件的用戶(hù)對(duì)其感到非常滿(mǎn)意。
Ventrex汽車(chē)：省去50個(gè)模型，上市時(shí)間提前四個(gè)月。
正如早前在白皮書(shū)中解釋的那樣，運(yùn)行虛擬樣機(jī)而不是制造物理模型能極大地節(jié)省時(shí)間和成本。這顯然是位于奧地利格拉茨的Ventrex汽車(chē)有限公司的經(jīng)驗(yàn)之談。該公司為所有主要汽車(chē)制造商供應(yīng)壓縮機(jī)和空氣調(diào)節(jié)閥。
近來(lái)的挑戰(zhàn)是研發(fā)適合新型二氧化碳制冷劑的閥門(mén)，其取代了那些適于氫氟碳化合物的閥門(mén)。這些新流體在7倍乃至10倍更高壓力下運(yùn)行，許多空調(diào)系統(tǒng)的部件諸如用于系統(tǒng)排氣和進(jìn)氣的閥門(mén)需要重新設(shè)計(jì)，EFD的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于它能仿真新設(shè)計(jì)中的壓力降而無(wú)需建立真實(shí)物理模型，它還能提供診斷信息，如流場(chǎng)內(nèi)每點(diǎn)的流速和流場(chǎng)，使得工程師能夠確定最優(yōu)設(shè)計(jì)。
圖3：Ventrex汽車(chē)有限公司閥門(mén)生產(chǎn)情況。EFD軟件加速新閥門(mén)上市時(shí)間達(dá)4個(gè)月
Ventrex長(zhǎng)期以來(lái)一直使用CATIA，因此他們選擇EFD.V5，可直接嵌入CAD環(huán)境中。不是將模型留在了CAD軟件中，Ventrex工程師只要執(zhí)行菜單選擇，就將CATIA中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到了EFD中進(jìn)行模擬，自動(dòng)確定閥內(nèi)有流體流動(dòng)的空隙所在之處，工程師僅需指定邊界條件以及該邊界條件下的進(jìn)口和出口壓力。該公司的項(xiàng)目經(jīng)理表示：“幾小時(shí)內(nèi)，我們就對(duì)初步的概念設(shè)計(jì)有了完整的模擬，并能夠集中精力去改善它?！?/SPAN>
結(jié)果是“嵌入CAD的CFD軟件，其確定仿真結(jié)果幾乎同我們改變?cè)O(shè)計(jì)的速度一致。我們能夠?qū)⑿滦投趸奸y的流速提高15%，同時(shí)幾乎減少50個(gè)模型，上市時(shí)間提前四個(gè)月。
Miniature Precision Components：快速評(píng)估12個(gè)設(shè)計(jì)方案。
在汽車(chē)和商業(yè)行業(yè)中，全球公認(rèn)的居于領(lǐng)先地位的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和世界一流熱塑性零件生產(chǎn)商——Miniature Precision Components（MPC）公司，其提供功能化熱塑性注射、擠壓和吸氣式吹塑成型配件/輔助配件。MPC總部設(shè)在美國(guó)Wisconsin 的Walworth, 公司擁有約1500名員工。
生產(chǎn)零排放車(chē)輛這一長(zhǎng)期性任務(wù)的過(guò)渡性步驟是生產(chǎn)由電力或氫燃料電池所驅(qū)動(dòng)的車(chē)輛，在美國(guó)幾個(gè)大洲中，允許發(fā)放牌照給繼續(xù)使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的部分零排放車(chē)輛（PZEVs）。為了符合PZEV資格，車(chē)輛必須滿(mǎn)足“超低排放車(chē)輛”的標(biāo)準(zhǔn)，其燃料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零蒸發(fā)排放物。PZEV主要特點(diǎn)是車(chē)輛在進(jìn)氣口對(duì)氫氟碳化合物進(jìn)行密封，以防止發(fā)動(dòng)機(jī)停止后含雜質(zhì)氫氟碳化合物發(fā)生泄漏——它必須這樣做，以避免空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)引起背壓明顯增加。因?yàn)楸硥涸黾訉?duì)燃料效率和性能產(chǎn)生不利影響。
在競(jìng)爭(zhēng)激烈的氫氟碳化合物密封裝置設(shè)計(jì)中，MPC公司的工程師從物理設(shè)計(jì)生成CATIA模型開(kāi)始。他們先分析各種基于經(jīng)驗(yàn)形成的初步模型。使用EFD.V5軟件來(lái)分析很簡(jiǎn)易，僅需定義邊界條件和運(yùn)行流動(dòng)分析。很快他們便發(fā)現(xiàn)采用5個(gè)輻條的模型得到的背壓最低，但還是不夠低。然后工程師數(shù)十次修改5個(gè)輻條的設(shè)計(jì)，每次均改變了輻條的幾何形狀和碳元素間距。負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的工程師表示：“最終，我至少能夠在該軟件中實(shí)現(xiàn)背壓目標(biāo)。我們建立快速模型，并根據(jù)CFD預(yù)測(cè)發(fā)現(xiàn)背壓處于0.1英寸水中最低?！?/SPAN>
大幅提高生產(chǎn)力的簡(jiǎn)便步驟
迄今為止，我們希望已使您確信EFD為您做出巨大貢獻(xiàn)，努力減少成本和加速產(chǎn)品上市時(shí)間，同時(shí)優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，從而提升客戶(hù)滿(mǎn)意度。僅在第一個(gè)項(xiàng)目中，就可收回投資在軟件上的費(fèi)用。這是因?yàn)樵撥浖度氲焦こ處熞咽褂玫?/SPAN>CAD系統(tǒng)中，可直接使用，而且學(xué)習(xí)時(shí)間特別短—— 在數(shù)小時(shí)內(nèi)，使用EFD軟件的工程師便可收獲頗多。
如果您是使用下列任何一種主流三維CAD軟件包，我們將提供集成于EFD的解決方案，這樣您就可以快速將其投入使用:
· CATIA V5 – EFD.V5
· Pro/ENGINEER Wildfire –
· SolidWorks – CosmosFloWorks (由 Flomerics公司研發(fā))
· 幾乎其他任何一種CAD軟件包，如Autodesk Inventor、Siemens NX，Solid Edge, CoCreate, SpaceClaim等都可以選用——。這里，您可以將CAD模型導(dǎo)入環(huán)境下，并立即獲得EFD設(shè)計(jì)過(guò)程中的所有特性和功能。
（轉(zhuǎn)載）
