智能结构仿真软件AIFEM 2024R1新版本功能介绍

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本文摘要（由ai生成）：

AIFEM 是一款通用的智能结构仿真软件，具有自动化前处理、智能加速、智能结果分析等特色功能，可助力用户解决固体结构的静力学、动力学、振动、热力学、拓扑优化等实际工程问题。2024R1 版本进一步丰富了前后处理、求解、优化功能，并在自动化、智能化程度上显著提升。

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的静力学、动力学、振动、热力学、拓扑优化等实际工程问题。软件针对传统仿真软件前处理操作繁琐耗时、求解速度慢、后处理自动化程度低等痛点，在各环节融入智能算法，提供自动化前处理、智能加速、智能结果分析等特色功能，辅助用户快速全面地评估、优化结构力学性能，提高仿真效率、提升设计质量，加速产品设计迭代。

一、AIFEM的功能和特色

● 一体化仿真流程：软件具备完善的有限元前处理、求解和后处理功能，可实现几何导入与修复、自动清除几何特征、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、拓扑优化等学科，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、多阶次的单元库，网格自动划分速度快、质量高；具有自动螺栓连接、自动绑定与接触等自动化功能，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；具备融合专家知识的后处理功能，辅助用户进行全面的结果分析和优化。

二、版本更新介绍

AIFEM 2024R1进一步丰富前后处理、求解、优化功能，并在自动化、智能化程度上显著提升，具体更新包括：

1. 前处理

01 自动清除几何特征：自动搜索并一键去除指定尺寸范围内的圆孔和圆角

02 自动六面体网格划分：一键生成可扫掠几何体的六面体网格

03 耦合连接：快速设定刚性、柔性连接

04 自动接触/绑定：一键搜索面对并创建接触或绑定，简化多零件模型的前处理操作

2. 分析求解

01 拓扑优化：助力结构轻量化设计，扩展产品结构的设计思路和潜力

02 非线性屈曲分析：模拟长直杆件和薄壁结构的失稳现象

03 电磁力载荷：快速创建周期性的电磁力

3. 后处理

01 安全系数：自动计算并可视化零部件安全系数，快速识别薄弱结构

02 自动识别主振型：融合专家知识快速识别主振型，替代繁琐的人工数据处理

03 结果平均：提供多种的应力平均方式

图1 智能结构仿真软件AIFEM启动页

1）自动清除几何特征

几何模型中可能存在尺寸微小、仅用于加工的特征，这些特征不仅会增加有限元分析的计算量，还有可能影响计算的精度。AIFEM 2024R1新增自动清除圆孔和圆角的功能，用户仅需要输入对应特征的最大半径值，就可以自动搜寻出符合要求的几何特征，并可一键删除。

图2 自动识别和清除几何特征

2）自动六面体网格划分

六面体网格常用于对精度要求较高的模型和场景。AIFEM 2024R1新增对可扫掠几何体的六面体网格自动划分功能，面向工业领域的成型件、辊压件以及其它的形状规则的零部件，快速生成高精度的六面体、三棱柱及混合网格。

图3 自动六面体网格划分

3）耦合连接功能

AIFEM 2024R1新增耦合连接功能，包含刚性（RBE2）、柔性（RBE3）两种类型，可用于快速创建组件之间的连接关系，也可用作载荷与约束的作用点。软件可通过控制点自动生成参考点设定耦合连接，减少人工计算和输入，提升前处理工作效率。

图4 耦合连接显示

4）自动接触/绑定

接触是装配模型中常用的一种连接方式。在传统有限元建模中，接触创建相对繁琐。AIFEM 2024R1新增自动接触功能，根据用户指定的搜索准则自动搜索和匹配接触面对，并且支持接触与绑定功能的快速切换和设定。软件界面友好，操作简便，用户可以轻松上手。

同时，AIFEM 2024R1新增面向小滑移场景的点-面接触算法，可以自动识别和调整过盈装配，并可考虑壳单元的厚度对接触过程的影响。AIFEM的接触功能采用了先进的算法和高效的计算技术，确保在复杂的接触问题中，能够迅速收敛，减少计算时间、提高分析效率。

图5 多组件装配自动接触设置

此外，AIFEM的自动连接功能还包括广受好评的自动螺栓功能。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，需要人工多次重复操作，效率低下。针对此痛点，AIFEM创新性地提出自动创建螺栓连接功能，自动搜索和识别螺栓孔对，并自动生成螺杆-蛛网形式的一维螺栓连接，有梁-RBE2、梁单元-RBE3、RBE2-RBE2等多种单元组合形式可供选择，并可批量赋予材料属性，大大提高了前处理建模的效率。

图6 自动螺栓连接

5）拓扑优化

汽车及航空航天等领域的零部件设计通常需要在减轻重量的同时保证力学性能。拓扑优化是常用的结构轻量化设计方法，并能提供更多的设计思路和灵感。

AIFEM 2024R1新增拓扑优化功能模块，支持以结构的体积、质量、刚度和应力等常用性能指标作为优化目标或者约束，同时可考虑常见工艺约束，采用变密度方法改变结构材料分布，并配合稳定的梯度优化算法，生成满足给定条件的优化设计。

图7 拓扑优化后的航空发动机支架

拓扑优化支持结果光顺处理，使得网格包络面更为光滑。软件支持将拓扑优化结果以STL的格式导出，打通仿真与设计生产之间的数据交互。

图8 悬臂梁的拓扑结构光顺与导出

6）非线性屈曲分析

AIFEM 2024R1新增非线性屈曲分析功能，用于模拟长直杆件和薄壁结构在承受非线性临界载荷后的失稳现象。软件采用弧长法来控制载荷的比例、跟随结构体在极限载荷下的逐步失稳的状态，解决了常规牛顿法无法跟随结构的平衡状态并产生“跳变”结果的问题。软件从算法层面深度优化了非线性屈曲过程中的收敛容差和准则，使得屈曲过程更稳定、更高效。

图9 直拉杆非线性屈曲载荷比例曲线（LPF）

7）电磁力载荷

电机在工业领域的应用越来越广泛。电磁力是指电机铁芯在工作时受到由线圈产生的磁场作用力，在铁芯内壁上呈周期性的空间分布。传统的电磁力施加方式为自定义函数，较为繁琐，且使用门槛高。AIFEM 2024R1新增电磁力载荷，仅需输入幅值和周期，提高电机铁芯仿真效率，辅助设计师快速改进设计方案，避免铁芯在受到电磁力的激励后产生椭圆模态共振。

图10 电磁力激励下铁芯的振动响应

8）安全系数

安全系数是机械结构进行设计校核的常用指标之一。AIFEM 2024R1新增后处理安全系数显示功能，通过云图形式直观地显示各个零件的安全系数，方便用户快速确认薄弱结构。软件支持灵活定义安全系数计算方法，可使用屈服极限或抗拉极限作为评估准则，等效应力或剪切应力作为评估数据，并可自定义附加的安全系数。

图11 钢结构各个零件的安全系数云图

9）自动识别主振型

主振型是指在模态分析结果中在分量上有效质量参与程度较大的模态频率。AIFEM 2024R1新增后处理主振型自动识别和标注功能，通过智能算法并融合专家知识，快速识别主振型，并提供模态计算有效性建议，替代传统人工的模态结果数据处理过程，大幅提升了后处理的效率和便捷性。

图 12 电池包的主振型识别

10）结果平均

有限元分析的特点是结果的离散化，单元与单元之间交界面上应力应变结果不连续。而对于真实结构来说，应力应变分布应是连续的。AIFEM 2024R1在后处理新增了完整的结果平均的功能，通过特征角度、外推方式、不变量计算阶段、平均阈值等选项，将应力、应变等单元积分点变量进行外推和平均，满足不同用户的应力查看和评估需求。