重型机械行业仿真与试验解决方案西门子工业软件仿真与试验

(1)

Simcenter ^TM —— 开启预测性工程分析

重型机械行业仿真与试验解决方案

西门子工业软件仿真与试验

Realize innovation.

Restricted © Siemens AG 2017

(2)

 重型机械研发面临的挑战

 Simcenter ^TM 预测性工程分析

 总结

大纲

(3)

Unrestricted © Siemens AG 2016

Page 3 Siemens PLM Software

 重型机械研发面临的挑战

 Simcenter ^TM 预测性工程分析

 总结

大纲

(4)

世界在演变…

从机械部件到

集成了机械、电子、

控制的智能系统

针对特定应用场景

的特定需求和创新型设计 从已知的材料和生产方法到

复合材料和新的生产方法

从来自互联网的连接到

物联网系统

(5)

挑战：解决这些工程挑战…

…不损害市场时间，质量和成本

(6)

Simcenter™实现预测性工程分析

从离散的模型和数据 … …到性能数字双胞胎 … 实现预测性工程分析

(7)

Restricted © Siemens AG 2017 2017.MM.DD

Enabling the Digital Twin of Product

Simcenter for Product Performance Excellence

Behavioral Simulation

Virtual to Physical Validation

Detailed Simulation

1D TEST

CFD

3D

(8)

设计研发流程面临的挑战

设计仿真

试验验证

挑战：挑战：

挑战：

如何进行试验&仿真分析闭环验证

挑战：

试验&仿真试验数据管理

1 2

3 4 3

4

(9)

 重型机械研发面临的挑战

 Simcenter ^TM 预测性工程分析

 总结

大纲

(10)

系统工程驱动的产品研发

Enabling “Closed-loop System Driven Product Development”

实现闭环系统驱动的正向产品研发（SDPD）

NX/Mentor-系统数字样机

SDM、TDM、PLM管理平台– 多领域的可追踪性，更改和构型管理

Simcenter™ 工具组合 支撑预测性工程分析

数字化双胞胎

探索 – 分析 - 报表 1D/1维

3D/3维

Test/试验测试

CFD/流体

验证和确认

(11)

Enabling “Closed-loop System Driven Product Development”

实现闭环系统驱动的正向产品研发（SDPD）

SDM、TDM 、PLM管理平台– 多领域的可追踪性，更改和构型管理

数字化双胞胎

探索 – 分析 - 报表 1D/1维

3D/3维

Test/试验测试

CFD/流体

验证和确认

(12)

Simcenter – Solutions for Turbine Engines

End-to-End Integrated Solutions

Siemens PLM uniquely provides the most

comprehensive set of PLM tools for turbine engine product

development

Structural

NX Mod elin g (CA D)

Teamcenter

Thermal

CFD

Multiphysics

1D Systems

Durability

Acoustics

Rotor Dynamics

Motion

Test

MDO

Services

NX Manufacturing (CA M)

(13)

Enabling “Closed-loop System Driven Product Development”

实现闭环系统驱动的正向产品研发（SDPD）

SDM、TDM 、PLM管理平台 – 多领域的可追踪性，更改和构型管理

数字化双胞胎

探索 – 分析 - 报表 1D/1维

3D/3维

Test/试验测试

CFD/流体

验证和确认

(14)

传统工具

Design Simulation

(15)

全新工具

Design Simulation

(16)

Simcenter 3D

NX CAD Simcenter 3D

(17)



当前设计仿真

工作迭代模式

初始迭代

后续迭代

几何处理占据了仿真工作的90%的时间

导入模型 修改 /编辑几何 网格划分 载荷和约束

通过先进工具的应用，设计更新的同时网格模型边界条件自动同步更新，迭代过程中，几何处理时间大幅缩短

设计仿真一体化分析

——Simcenter

^™

3D vs. 传统仿真工具

(18)

同步建模技术（直接识别第三方CAD特征并可编辑）

(19)

Simcenter

^™

3D VS. 传统流程

Design₃ Design₆ Design₈

Sim

₁

Sim

₄

Sim

₅

Release?

Design₁ Design₃

Sim

₀

Sim

₂

Release

The old way

With simulation driven design

Design₂ Design₄ Design₅ Design₇

Design₁

Design₂

Sim

₁

Beat your competition

Sim

₃

(20)

大众汽车部署 “数字双胞胎”

Simcenter 11快速的建模和迭代过程，真正实现仿真驱动设计

“3小时的时间内, 我们针对4种不同的设计方案进行仿真评估, 并且当天下午，我们设计的 方案就被去加工了”

Andre Van der Watt,

Chief Technology Officer, VW Group South Africa – Motor Division

创建汽车“数字双胞胎”

最小化建模时间自动实现从CAD到CAE模型

加速设计提升过程提高模型质量和可靠性

导入模型发现/ 修改/

编辑几何 网格划分 载荷和约束

设计模型 分析建模

计算

评估

加速的仿真模型创建和模型更新，帮助减少新车上市周期

+

数据管理+

关联几何模型

同步建模实现仿真和设计模型实时同步 加速产品上市

(21)

Enabling “Closed-loop System Driven Product Development”

实现闭环系统驱动的正向产品研发（SDPD）

数字化双胞胎

探索 – 分析 - 报表 1D/1维

3D/3维

Test/试验测试

CFD/流体

验证和确认

(22)

结构完整性 耐久性

Guaranteed life time under realistic loading

控制的集成

Optimization Mechatronic System Evolution

Innovation in Engineering Process and Solutions Multi-attribute Performance Engineering

燃油经济性 能量管理

Regulations, Fuel Efficiency, Thermal Comfort

Be more efficient Enable new insights

Multi-attribute Optimization to support Machine Performance Engineering

可操控性 效率

Productivity &

Reliability, Comfort & Safety

振动噪声

Driver Comfort Regulations &

ISO Certification

(23)

Simcenter

^™

工具组合用于预测性工程分析 实现闭环系统驱动的正向产品研发

1D – Behavioral Simulation LMS Imagine.Lab

LMS Amesim

“FMI” Interface

J

Virtual to Physical

LMS Test.Lab

3D / CFD Simulation Simcenter 3D

NX CAE, LMS Virtual.Lab, LMS Samtech Suite

NX Nastran

CD-adapco STAR-CCM+

Scalable 1D - 3D Simulation Incl. Real-Time Virtual to Physical

The Aerospace Corporation

(24)

Siemens多学科设计仿真技术实现

——1D&3D 多学科集成虚拟样机&集成分析流程

(25)

30 Libraries

4,000 Multi- physics

Models

Simcenter

^™

工具组合用于预测性工程分析 LMS Imagine.Lab

Open &

Customizable

Pre-Design

Systems Sizing &

Integration Performance

Balancing Controls Validation

Industry

specific

Internal Combustion内烯机 Transmission传动系统 Thermal Systems热系统 Vehicle Dynamics车辆 Electrical Systems电系统 Landing Gear & Flight Controls起落架&飞控 Engine Equipment发动机 Environmental Control Systems环控系统 Fuel Systems燃油系统 Electrical Aircraft电传飞机 Pumps & Compressors泵和压缩机

Electro-Hydraulic Valves电液伺服

Fluid Actuation Systems流体作动

Heat Exchangers热交换 Heat Pumps /

Refrigerators热泵/制冷

Scalable Simulation Connecting

“Mechanical” –

“Controls”

Model reduction for real-time

Hydraulics Pneumatics

Thermal Electrical Mechanical

Signals Process & Data Management Model-Based

System Testing

Co-Simulation

(26)

应用案例：Doosan轮式装载机的负载感应系统建模与仿真分析

结果曲线

AMESim仿真模型

轮式装载机

系统建模

设计验证

(27)

应用案例：挖掘机整车能量管理

项目总结：

 挖掘机机构的全参数化建模，增强了模型的通用性

 建模方法的多样性，用户可以有更多的选择

 提出了一套完整的液压多路阀测试流程，获取建模参数

 提出了一种基于测量的多路阀计算方法，具有普遍性

 采用液压桥的基本原理搭建复杂多路阀模型，具有普遍

性

 制定了可靠的挖掘机整机测试方案，保证了模型相关参

数的获取

(28)

应用案例：燃油经济性Joy Global

Predicting mining equipment systems performance and fuel consumption

Predicts performance, fuel consumption and cycle time

•

Limited existing data was sufficient

•

Avoided expensive on-site trial and error

•

Accurate fuel consumption

prediction

Source: Anab Akanda, Joy Global Surface Mining Inc, “Application of MBSE on a Hybrid

Hydraulic/Electric Mining Shovel Product Development”, Siemens Simcenter Symposium, Troy, Michigan, USA, September 13-14, 2016

• Dynamic representation of all major electrical & hydraulic systems/sub-systems

• Rigid-body representation of machine structure (drive-line transmissions, rope…)

• Coupling with C/C++ codes for soil model, power management and hydraulic controls

Fuel consumption prediction

Hydraulic systems models

(29)

NX Nastran

Simcenter 3D

Simcenter

^™

顶级的工具组合应用于预测工程分析

3D 仿真

(30)

Simcenter 3D

Siemens 3D 仿真产品组合

Simcenter

^™

3D – 行业领先仿真方案的集大成者

NX CAE NX Nastran

Teamcenter Simulation

LMS Virtual.Lab, LMS Samtech

Nastran

(31)

Manage within Teamcenter – TC4Sim

PLM Open

Direct CAD file import, Standards - …..

1D

Correlation Co-simulation

3D Solutions Test

Motion  Dynamics  Durability  Multiphysics  Optimization

Structures  NVH & Acoustics  Thermal  Flow  Composites Data &

Models Data &

Models

Pre/Post  Multi-CAD  Editing  Meshing  Associativity

Assemblies  Advanced mid-surfacing  quick de-featuring  legacy meshes

Simcenter™ 工具组合

——预测性工程完整的闭环验证解决方案

(32)

西门子多学科设计仿真体系

Assembly Analysis

Set-up Analysis

[Solving] Multi

Attribute Optimization CAD

Multi-CAD

Post Processing

Structures (incl. Crash)

Durability Mechanisms

Acoustics

Thermal &

Structural Flow Dynamics

Meshing

Mesh Modification

(33)

NX Nastran

Many NXN customers are

former MSCN or joint

customers

(34)

非线性求解



材料非线性



超弹材料



几何非线性



大变形



接触非线性



柔性接触与刚性接触



接触自搜索



多载荷求解，模拟复杂非线性过程



非线性静力学与非线性动力学



预载荷、预应变



预应力模态分析

(35)

Rigid bodies Flexible bodies

Tire models Co-simulation with

controls Interference

checking

Siemens PLM Software Solutions Simcenter 3D Simulations – Motion

(36)

Motion动力学应用案例：John Deere履带/轮胎仿真

•

橡胶履带建模仿真

•

预测其机动性能、平顺性和其它属性

•

采用离散履带模型建模

•

基于该模型设计和验证新型履带拖拉机, 8000/9000T

•

目前John Deere公司正采用



Simulation validated against field tests show good correlation



Operational scenarios from historical field tests and customer use are replicated in simulation

(37)

应用案例：板簧建模模板应用

专用板簧建模模板

•

卡车

•

客车

•

微车

钢板弹簧建模是车辆动力学仿真中的难点

•

钢板弹簧是普遍采用的一种悬架形式。

•

VL Motion模板考虑了板簧的几何参数，材料特性，

及各片之间的接触力和摩擦力

Travel

Force

Simulation Measurement

(38)

Motion

Star CCM+ Coupling



Previous scenario



Load approximation on soil contacting components



Use of test data limited to single maneuver



LMS Virtual.Lab and

Star CCM+

coupling



Co-Simlulatoin between LMS Virtual.Lab Motion and Star CCM+



Leverage LMS Virtual.Lab Genric Co-

Simulation interface and Star CCM+ Multibody Dynamics Coupling Interface

Best of Both Worlds

High Fidelity simulations to include

soil/mechanism interaction for accurate loading throughout the complete system

LMS Virtual.Lab Motion

Completely Integrated multi-

body solution

Star CCM+

State-of-the-art Discrete Element

modeling

(39)

刚柔耦合技术应用

直接导入第三方柔性体网格柔性体缩减试验柔性体及混合仿真

(40)

Combined simulation of excavator dynamic behavior

Liebherr Group

Stepping beyond prototyping

•

无需昂贵的物理样机就可以进行系统性

能分析

•

选择最优设计方案，以防止反弹，提高

产品可靠性

•

节省时间和经济成本，提升Liebherr的 强大竞争力

• Use LMS Imagine.Lab Amesim together with Simcenter 3D motion capabilities

• Simulate several system versions, including diverse mechanical systems

Visualization in Simcenter 3D Model in Simcenter 1D

“The design table functionality is extremely helpful for changing the mechanical system very easily and quickly using LMS Virtual.Lab Motion.”

Martin Bueche, Head of Calculation and Simulation Department

O perabilit y & Efficiency

Productivity & Reliability, Comfort & Safety

(41)

应用案例：1D&3D联合

——

Sprayer Boom stabilizer optimization（ John Deere ）

Challenge

• Optimize control algorithm of Sprayer boom stabilization system

• Couple components into a single high fidelity simulation

• Controls

• Hydraulic

• Mechanical

• Improved designs increases tractor productivity and reliability Solution

•

AMESim

- boom actuation

•

Matlab

- boom height controls algorithm

•

Motion

- mechanical boom model Result:

• A combined high fidelity model and procedure to:

• Be used early in product development cycles

• Reduce need of physical prototypes

before after

(42)

应用案例：多轴气油气悬架与整车集成耦合仿真分析 Motion+AMESim+Motion TWR

将VL Motion的多轴车模型与AMESim油气悬架模型进行联合仿真

以试验得到的轴头垂向加速度作为目标，运用Motion TWR迭代路面不平度激励，基于迭代结果计算系统的振动响应，从而进一步改进设计方案

油气悬架输出载荷

(43)

Motion TWR 在工程机械的应用

LMS Virtual.Lab

Motion solver

Iterative Controller

TWR

Co-simulation

Customer challenge

• Calculate durability loads in realistic circumstances

• Based on limited TEST data

Solution

• LMS Virtual.Lab Motion-TWR

Benefit

• Avoids difficult modeling of

agriculture tire and soil

• Allows to apply TEST data on CAE model in realistic manner

From TEST

To realistic component loads SIMULATION

Avoid tire

& soil modeling

Maneuvers:

• Ditch crossing (90 and 45 deg)

• Rumble Strips

• Railroad crossing

• Twist bumps

(44)

LMS疲劳耐久性的完整解决方案

——从试验到仿真

• LMS耐久性研发中心：德国凯泽斯劳滕

• 提供试验、仿真、工程咨询服务耐久性试验解决方案

• SCADAS Durability Recorder

• LMS TecWare

耐久性仿真解决方案

• LMS Virtual.Lab Durability

载荷分解：多体动力学仿真

• LMS Virtual.Lab Motion

台架耐久性试验– 时域波形再现

• TWR+IST

Acquisition Analysis Simulation Shaker testing Sign-off

(45)

Simcenter Durability/LMS Virtual.Lab Durability——专业的疲劳仿真软件

• 高周疲劳分析（SN，EN）

• 低周疲劳分析（EN）

• 无限寿命分析

• 多轴疲劳分析（临界平面法）

• 焊点疲劳分析

• 焊缝疲劳分析

• 振动疲劳分析

• 热疲劳分析

• 复合材料疲劳

• 系统级疲劳分析

• 多工况疲劳分析

FALANCS疲劳求解器，

三十多年的历史，在欧洲有广泛的应用。

(46)

焊缝疲劳

LMS helps Liebherr Excavators on improving the fatigue assessment of large weld structures

Several hundred seam welds Many variants

Complex geometry

New improved seam weld detection Adapted nominal stress approach Automatic handling

“ The new seam weld detection in Rev 11 helps us to perform the seam weld analysis of our structures faster ”

Guillaume ELBEL, Responsable Groupe calculs EF et durée de vie LIEBHERR-FranceSAS

copyright LMS International08.06.2018

支持所有焊缝类型自动搜索和识别，并且自动定义几何属性

(47)

热疲劳

LMS热疲劳解决方案为工程上热疲劳分析提供切实可行的方法

• 传统的粘弹性－弹塑性力学分析方法要求输入很多，且求解速度很慢，不适用于工程应用。

• 兼顾精度和效率

• 综合考虑机械载荷与热载荷

• 依赖温度的材料特性曲线（S-N曲线、E-N曲线等）

• 温度相关的应力状态

• 考虑温度变化、高温对耐久性的影响：热应力、对材料特性的影响、应力应变循环、蠕变疲劳

典型应用

汽车发动机疲劳分析动力总成疲劳分析进排气系统疲劳分析航空发动机疲劳分析

(48)

系统级疲劳分析流程应用案例

——John Deere

Model courtesy of Deere PEC

常用装载工况下应力等级和疲劳热点

(49)

应用案例：天工院挖掘机斗杆系统级疲劳

项目背景：某款挖掘机在使用过程中斗杆出现明 显的疲劳损伤问题，通过仿真复现问题，优化设计。



^关键技术



在Motion 中创建挖机多体动力学模型；



将斗杆柔性化；



通过多体计算得到斗杆上载荷。

通过系统级疲劳方式传递到 Durability中；



在Durability中进行斗杆钣金件疲劳损伤分析，热点位置和实际破坏位置吻合；



在Durability中利用最新的实体焊缝探测技术，探测出斗杆上实体焊缝；



对实体焊缝进行了焊缝疲劳损伤分析；

(50)

SIEMENS 齿轮系统多学科分析解决方案

有限元分析与柔性体建模

Virtual.Lab Structure 疲劳耐久性分析

Virtual.Lab Durability

变速箱振动与噪声分析 Virtual.Lab NVH/Acoustics 变速箱动力学与载荷分析

Virtual.Lab Motion 有限元与试验相关性分析

Virtual.Lab Correlation

变速箱换档执行与控制系统 Imagine.Lab AMESim

联合仿真

集成集成

(51)

应用案例：

ELASIS 使用Motion进行系统级振动噪声分析

测试模型

CAE 模型 Virtual.Lab NVH

Virtual.Lab Acoustic Coarsening Mesh

Virtual.Lab Acoustics/ATV Optimization

载荷时域载荷频域

Virtual.Lab Motion – Virtual.Lab NVH

Transmission Error

测试/仿真相关性分析

载荷计算

VIBRO-ACOUSTIC OPTIMIZATION

(52)

工作载荷

通过测试获取 (TPA / ASQ) 通过仿真获取 (Multi-Body)

仿真模型

有限元模型/边界元模型/多体模型

子结构综合

系统级响应噪声

振动疲劳

测试模型

模态结果/传函结果

混合建模

(53)

振动噪声仿真分析

——响应及贡献量分析

Which Panel? What shape? (ODS)

Problem frequency

Which Path? Which Mode?

(54)

全频段声振仿真分析解决方案 Scope – 问题分类

管路/纯声学问题

——

进排气\消声器\隔声屏

振动声学及其耦合问题

——

振动声辐射问题 & 声振耦合问题

流体声学问题

——

管路\内外流场声学问题

大规模高频声学问题

——

^{大尺度/高频声学问题}

(55)

舱内声学仿真

Example: Tractor cabin structure borne noise

Vibro-acoustic simulation

- Structural FE model of cabin walls - FEM/BEM mesh of cavity

- Structural loading at cabin

=> velocity distribution at cabin walls

=> input for acoustic calculation

Calculated interior cabin noise

(56)

隔声罩设计

(57)

STAR-CCM+

Simcenter

^™

Portfolio for Predictive Engineering Analytics STAR-CCM+

Multiphysics

Fluid Dynamics Solid Mechanics

Fluid-structure Interaction Heat Transfer Particle Flows Reacting Flows

Multiphase Electrochemistry Electromagnetics

Acoustics Rheology

(58)

CNH Industrial

Simulation helps design better off-highway vehicles

“

In the past few years, CFD has become very important to us, especially in helping us to design products that meet and exceed the requirements on new emissions regulations.”

Luc Dupon, Senior Design Analysis

•

Enable direct model of crop processing and management.

•

Predict and explore thermal cooling performance under different

environment/wind conditions

•

Reduce harmful emissions

Simulation plays a central role in off-highway vehicle design

Thermal cooling performance DEM looking at spray from back of harvester

• DEM capability of Star CCM+ to enable accurate modeling of crop processing

• Use thermal capabilities to help in the design of more efficient cooling systems

Fu el Econo my & Energy Managemen t

Regulations, Fuel Efficiency, Thermal Comfort

(59)

重型机械产品设计流程

系统级建模

液压作动系统

详细3D建模

详细仿真模型机构/有限元部件

详细载荷分析与识别

提高模型详细程度

部件结构优化

Inc

rea

sin

g

Model

De

tail s

Inc

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Model

De

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IncreasingModel Details IncreasingModel DetailsInc

rea

ins

g

odel M

De

tail

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Inc

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De

tail

s

部件强度分析

Cessna

(60)

Simcenter

^™

顶级的工具组合应用于预测工程分析

HEEDS

设计探索

(61)

实时仿真 – 一维，三维结合

实现人在环(模拟器) – 前置控制工程

(62)

虚拟验证应用案例：约翰迪尔1D&3D半实物HIL

1D&3D耦合实时流程

(63)

LMS SCADAS LMS Test.Lab

Simcenter

^™

工具组合用于预测性工程分析 LMS Test.Lab & LMS SCADAS

(64)

西门子实物试验应用示例

结构/振动试验声学试验环境试验/振动控制旋转机械疲劳试验

数据共享报告

高级分析

(65)

工程机械振动噪声

Exterior Noise Directive 2000/14/EC

Interior Noise Directive 2003/10/EC

Vibration

Directive 2002/44/EC

Transmission/

Axles

Hydraulic system

Engine Cooling

system

Tires

Regulati ons & Standard s NVH E ngi neering

Minimize Noise &

Vibration transmission

Cabin noise

(66)

Siemens Off-highway Sound Power & Cabin Noise Certification Increase testing efficiency and reduce cost

Ex ter io r No ise Ca bi n No ise

(67)

Hidromek

Performing human body vibration and confirming engine ISO compliance

1 single platform (hardware

& software) for:

• Durability

• Noise & Vibration

• ISO certification

testing & analysis

“Our Siemens PLM Software durability solution is very versatile. Even our noise and vibration team uses it to perform human body vibration and confirm ISO compliance for sound power.

The Siemens solution has really helped us exceed our goals relating to durability, performance and ergonomics.”

Mr. Ferhan Ficici, R&D Director at Hidromek

(68)

Simcenter

^™

工具组合推动预测工程分析流程 试验分析一体化闭环验证

通过真实的物理试验去验证仿真模型

II. 试验修正仿真

试验与仿真一体化的解决方案

III. 试验与仿真结合 I. 仿真指导试验

通过虚拟试验技术为

真实试验提供支持

(69)

成熟的流程，成熟的方法，成熟的应用

仿真指导试验——Siemens预试验技术

价值：

运用Siemens预试验技术，优化试验方案、传感器布置、数量等，保证试验正确进行

(70)

成熟的流程，成熟的方法，成熟的应用

仿真指导试验——Siemens虚拟试验技术

价值：

运用Siemens虚拟试验技术，优化试验方案、传感器布置、数量等，保证试验正确进行

(71)

试验修正仿真——Siemens相关性修正技术

FE 部件

Test 部件

VL Updating

成熟的流程，成熟的方法，成熟的应用

价值：

运用Siemens相关性修正技术，运用试验结果修正仿真模型，提高仿真精度

(72)

成熟的流程，成熟的方法，成熟的应用

试验与仿真结合——Siemens迭代技术

价值：

运用Siemens迭代技术，在仿真过程中，运用试验测得的响应数据作为目标，迭代激励，解决激励难以获取

的问题，提升仿真工程价值

(73)

成熟的流程，成熟的方法，成熟的应用

试验与仿真结合——Siemens混合仿真技术

价值：

重型机械行业仿真与试验解决方案 西门子工业软件 仿真与试验

Simcenter TM —— 开启预测性工程分析