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船舶 CAE / Marine CAE

1. 船舶 CAE 全景：从 MarineFlow 与 SAM 认识流体、结构和数值求解 / Marine CAE with MarineFlow, SAM, Fluid Mechanics, and Structural Analysis

2. MarineFlow 与 SAM 的应用场景：工程问题如何选择软件 / Choosing MarineFlow or SAM for Engineering Scenarios

3. CAE 通用工作流：从工程问题到可信结论 / A General CAE Workflow from Engineering Questions to Credible Conclusions

4. 船舶流体物理：黏性、湍流、兴波、旋涡与空化 / Marine Fluid Physics with Viscosity, Turbulence, Waves, Vortices, and Cavitation

5. CFD 控制方程：质量、动量、压力耦合与离散系统 / CFD Governing Equations, Pressure-Velocity Coupling, and Discretization

6. MarineFlow 使用路线：从船体模型到流场和水动力结果 / A MarineFlow Workflow from Hull Geometry to Hydrodynamic Results

7. 船舶结构物理：载荷、应力、变形、振动与失稳 / Marine Structural Physics with Loads, Stress, Vibration, and Buckling

8. 有限元方法：结构怎样从连续物体变成 Ku=f / The Finite Element Method from Continuous Structures to Ku Equals f

9. SAM 使用路线：从结构建模到 Job、求解和后处理 / A SAM Workflow from Structural Modeling to Jobs and Post-Processing

10. 结构分析类型：静力、模态、动力、屈曲与非线性分别求什么 / Structural Analysis Types from Statics and Modes to Buckling and Nonlinearity

11. 流固耦合：MarineFlow 的压力怎样成为 SAM 的结构载荷 / Fluid-Structure Interaction from MarineFlow Pressure to SAM Loads

12. 工业求解中的方程与矩阵：看懂 CFD 和 FEA 的计算核心 / Equations and Matrices at the Core of CFD and FEA Solvers

13. 非并行优化：在增加核心之前先减少计算量 / Reducing Computation Before Adding Parallel Hardware

14. 并行加速场景详解：什么方程、矩阵和步骤适合什么方法 / Mapping Equations, Matrices, and Solver Stages to Parallel Methods

15. CPU、GPU 与 MPI：工业求解器怎样组合多层并行 / Combining CPU, GPU, and MPI Parallelism in Industrial Solvers

16. 仿真可信度：怎样避免得到“彩色但错误”的结果 / Simulation Verification and Validation for Credible Results

17. 综合案例：用 MarineFlow 与 SAM 串起船舶流体、结构和并行计算 / Integrated MarineFlow and SAM Cases Across Fluids, Structures, and Parallel Computing

本页目录

CAE 通用工作流：从工程问题到可信结论 / A General CAE Workflow from Engineering Questions to Credible Conclusions ​

📅 创建时间：2026-07-20 🏷️ 标签：#CAE流程 #建模 #网格 #边界条件 #验证 📚 前置知识：[[01-software-scenarios]]

1. 第一步不是打开软件 ​

仿真应从工程问题开始：

  • 需要回答什么问题？
  • 需要多高精度？
  • 是比较方案还是预测绝对值？
  • 关注平均量、峰值还是频率特征？
  • 结果将用于设计、校核还是故障解释？

例如“计算船舶性能”过于宽泛；“比较两种船首在同一航速下的总阻力差异”才是可操作问题。

2. 确定物理模型 ​

流体模型选择 ​

  • 不可压缩还是可压缩
  • 层流还是湍流
  • 稳态还是瞬态
  • 单相还是两相
  • 是否包含自由液面
  • 是否包含空化
  • 是否考虑旋转和动网格

结构模型选择 ​

  • 线弹性还是弹塑性
  • 小变形还是大变形
  • 静力还是动力
  • 梁、壳还是实体单元
  • 连接如何表示
  • 是否需要接触
  • 是否考虑预应力和初始缺陷

每增加一种物理效应，都会增加输入参数、计算成本和不确定性。

3. 几何理想化 ​

工业 CAD 模型包含大量对计算不重要的细节：小孔、倒角、螺纹、微小台阶和装饰面。

几何简化的原则是：

text
删除不会显著改变目标物理量的细节
保留会改变载荷路径、流动分离或应力集中的特征
1
2

流体中，小缝隙可能造成网格失败；结构中，小圆角可能造成局部应力差异。不能机械地全部删除或全部保留。

4. 建立计算域和结构模型 ​

MarineFlow ​

船体只是固体边界，还需要建立周围水和空气所在的流体域。

需要考虑：

  • 入口离船首多远
  • 出口离船尾多远
  • 侧边界和底部边界距离
  • 自由液面高度
  • 是否使用对称面
  • 是否存在旋转区域

SAM ​

需要决定结构怎样抽象：

  • 薄板使用壳单元
  • 细长加强筋可使用梁单元
  • 厚重局部结构使用实体单元
  • 设备可等效为集中质量或非结构质量
  • 焊接连接可简化为共节点、耦合或连接单元

5. 网格划分 ​

网格既决定未知量数量，也决定能够解析的最小空间尺度。

CFD 网格重点 ​

  • 壁面边界层
  • 船首和船尾
  • 自由液面
  • 螺旋桨叶片
  • 尖锐尾缘
  • 涡结构区域
  • 相界面和空化区域

FEA 网格重点 ​

  • 开孔和圆角
  • 载荷施加区域
  • 约束附近
  • 板厚和截面变化
  • 不同部件连接处
  • 预计屈曲区域

网格收敛 ​

至少比较粗、中、细三组网格：

text
网格加密后，目标量变化是否逐渐减小？
1

不能只看云图变得更平滑。

6. 属性、边界条件和载荷 ​

流体 ​

  • 密度和黏度
  • 来流速度
  • 压力条件
  • 壁面无滑移
  • 自由液面初始位置
  • 湍流强度
  • 螺旋桨转速

结构 ​

  • 弹性模量和泊松比
  • 密度
  • 屈服曲线
  • 板厚和梁截面
  • 固定、简支或弹性约束
  • 压力、集中力、重力和惯性载荷

错误的单位和方向是最常见、也最危险的问题之一。

7. 求解设置 ​

CFD ​

  • 稳态或瞬态
  • 时间步长
  • 离散格式
  • 压力-速度耦合算法
  • 线性求解器
  • 欠松弛因子
  • 收敛容差
  • 并行进程数

FEA ​

  • 分析步类型
  • 增量大小
  • 直接法或迭代法
  • 非线性收敛容差
  • 特征值阶数
  • 阻尼
  • 输出频率和结果变量

8. 计算监控 ​

CFD 不能只看残差 ​

同时观察：

  • 质量守恒误差
  • 阻力、升力、推力和扭矩
  • 自由液面是否稳定
  • 时间步 Courant 数
  • 关键点压力和速度

FEA 不能只看“完成” ​

同时观察：

  • 反力是否平衡外载荷
  • 非线性迭代是否稳定
  • 是否出现刚体运动
  • 是否存在零主元或病态矩阵
  • 接触状态是否合理

9. 后处理 ​

后处理的任务是把数值结果转换为工程结论，而不是生成漂亮图片。

MarineFlow ​

  • 阻力分解
  • 压力积分
  • 推力和扭矩
  • 波面
  • 流线和涡量
  • 空化体积
  • 时间平均和频谱

SAM ​

  • 位移
  • 应力和应变
  • 反力
  • 梁内力
  • 模态频率
  • 屈曲因子
  • 塑性应变
  • 结构利用率

10. 验证与确认 ​

Verification：方程是否被正确求解 ​

  • 网格收敛
  • 时间步收敛
  • 与解析解对比
  • 与另一种数值方法对比

Validation：模型是否代表真实世界 ​

  • 与试验对比
  • 与海试或实船数据对比
  • 与规范经验公式对比
  • 与成熟商业软件对比

软件显示“计算完成”，不代表完成了 Verification 和 Validation。

11. 完整检查清单 ​

text
□ 工程目标明确
□ 物理假设有依据
□ 单位体系一致
□ 几何简化合理
□ 网格质量合格
□ 边界条件反映真实环境
□ 关键参数有来源
□ 求解器设置适合问题类型
□ 监控量达到稳定或收敛
□ 结果满足守恒和平衡
□ 完成网格/时间步敏感性分析
□ 有理论、试验或软件对比
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