STAR-CCM+

产品介绍

• Simcenter STAR-CCM

是一个多物理场解决方案，可对真实条件下工作的产品和设计进行仿真。 其独特之处在于，Simcenter STAR-CCM+给每位工程师的仿真工具包带来了自动化设计探索和优化，让其可以高效地探索整个设计空间，而不是将注意力集中在单点设计场景上。使用 Simcenter STAR-CCM+ 引导您的设计流程，从中获得的额外见解，最终将会打造出远超客户期望且更加富有创新性的产品。

为了准确地预测您的产品的实际性能，您需要这样的仿真工具：它们能够捕捉在产品使用寿命期内将会影响其性能的所有物理场，包括那些横跨传统工程学科边界的物理场。

为了改进您的产品，您需要能够预测当对参数化设计做出多项更改时，性能将会如何变化。

• 不只是模拟，我们还在创新！

为了设计出更好的产品，工程师们需要预测设计变化对产品实际性能产生的影响，无论是正面还是负面的影响。以往的预测通常以人工计算或物理原型的实验测试为基础。利用工程模拟可以进行更为全面的预测，与实验测试相比，其预测准确度更高并且成本有所降低。
通过有效整合、多次迭代以改进设计。进而提升产品质量和稳定性，以便更好地满足顾客预期。与其他方式不同，工程模拟还能够研究产品在使用寿命内可能面临的各种工作条件下的性能，而不仅仅是在一些精心选择的“设计点”状态下的性能。但是，并非所有的工程模拟工具都具有同等功效。
为持续提供相关工程数据流，仿真软件必须具备以下特点：
  
• 多学科

解决复杂的工业难题要求仿真工具能够覆盖多种物理现象和工程学科。
现实中的工程难题不会为了人们的方便而自动分割成“空气动力学”、“流体力学”、“热传递”和“固体力学”等学科。
只有多学科工程模拟技术能准确捕捉影响产品实际性能的相关物理现象和过程，并能通过一系列设计配置和运行方案自动运行虚拟产品。
通过最大程度降低不确定性，工程师得以确保其设计产品的预期性能与产品实际性能相符。

• 时效性

无论多么“真实”，如果仿真对产品的最终设计没有丝毫影响，那么其提供的数据也毫无用处。若要有效发挥仿真技术在工程设计中的作用，每次必须及时做出预测。延迟交付仿真结果无异于没有结果。
理想情况下，仿真应当持续提供数据流，作为指导设计和设计决策的依据。
只有在稳定、自动的仿真过程中才能实现这一点。一旦工程师投资创建多学科仿真模型，便可方便地对该模型进行再次整合以研究各种设计配置和运行方案，且工程师只需做少量或无需进行手动操作。

• 价格合理

高效利用工程模拟能持续获得高投资回报率。它减少的开发成本和增加的产品收入要远超其实施成本。
但是，在传统工程模拟许可计划下，将实验人员思维模式从“只测试几个设计点”转变为“研究整个设计空间”需要高昂的成本。这是因为多数工程模拟软件供应商以“越用越亏”的过时范例为基础来构建许可模型，按内核收费而不是按仿真收费，使得客户在仿真中可使用的许可成本和最大内核数量之间形成近似线性的关系。
创新的许可计划，如 Power Sessions（以固定价格提供无限制内核）、Power-on-Demand（帮您实现云端操作）和 Power Tokens（给您带来前所未有的灵活性并促进设计探索）让工程模拟的使用变得更经济。
  
• 专家支持

现代工程设计的一个令人头疼的事实就是需要解决的遗留问题都不容易。只做“少量 CFD”或者“一些应力分析”已远远无法满足工业需求。为了设计出真正创新的产品，工程师们经常“挑战不可能”。
有时单靠个人难以达成目标，通常还需要工程师专业知识领域外的能力。为了获得成功，工程师应能够随时与仿真专家团接触，最好是与专属技术支持工程师建立联系，他不仅了解工程师的难题，还能随时获得对口支援专家的帮助。

地面交通多学科仿真

• Discover Better Designs, Faster.

在不断变化的客户期望和更严苛的排放法规这两项要求的驱动下，全球汽车业开始竞相推出能提供出色驾驶体验的可持续环保汽车。

汽车工业面临的危机：传统设计方法无法改善性能

• 汽车制造商转向模拟仿真技术以实现可持续性目标

汽车制造商在提供更经济、更高效的汽车方面所承受的压力每年都在加剧。对全球污染问题的关注带来了更严苛的法规要求，以便进一步减少汽车排放，提高燃油效率。因此，制造商必须快速持续地做出响应，不同的地理区域之间存在显著的差异。
随着法规条例的变化，汽车和发动机设计师的负担与日俱增。这些变化包括减轻车辆自重，减小发动机尺寸，改进空气动力学性能，以及减少部件和发动机的摩擦损失。除了这些法规条例的变化，市场还对输出功率提出了更高的要求。设计具有更高输出功率和更低重量的发动机是一项艰巨的工程挑战。
 
• 通过模拟推动产品创新

模拟是应对这些挑战的关键。 从空气动力学到声学，从进油到废气后处理，汽车工程师已率先使用模拟仿真技术执行比任何其他行业都要复杂和真实的模拟。除了用于结构试验的有限元分析外，工程师还可利用流体动力学检查发动机周围的机油、空气或冷却液的流动，或进行燃烧循环分析以评估燃料的燃烧特性。

但即使在这种最先进领域内，汽车制造商使用模拟仿真软件的方式也在迅速演变。
“最初，我们主要处理应力分析，比如运行期间的进气/排气阀压力，”已从事 30 年汽车CFD模拟工作的行业专家 Fred Ross 说到道， “C“20 年前，空气流和冷却液流的计算流体动力学（CFD）也加入了模拟仿真的大家庭，用于研究进入燃烧室气流以及气缸周围冷却液流的路径。 今天，我们开始研究整个汽车部件系统的模拟，包括单一模拟中的应力、热量和流动。识别热应力非常重要，模拟有助于确定发动机结构内部可能发生的潜在裂纹，并相应地引导设计的修正。通常，最坏的热应力发生在非标准操作条件下，因此我们的模拟工具需要考虑所有可能的应用情景。”

• 更快更优设计

使用模拟软件的初衷并没有改变，但它却节省了大量的时间和成本。
“我们的客户，比如通用、捷豹和大众，” Ross 补充道，“正向虚拟原型过渡，以数字模拟替代昂贵的物理原型，这在节省成本方面有着巨大的优势，同时虚拟原型可在设计流程的早期阶段进行部署，有助于 OEM 厂商提前识别并纠正潜在的问题。例如，模拟可以帮助他们预测发动机在各种运行工况（如坡道驾驶或拖车牵引）下的性能。使用模拟技术还可以对发动机在复杂循环工况（如走走停停的城市道路驾驶）下的性能进行建模。”

 

STAR-CCM+ 和 STAR-CD 是汽车行业应用最广泛的多学科模拟仿真工具，15 家大型汽车 OEM 厂商中有 14 家正在使用。

• 案例研究  Share this Chapter 
 
不只是模拟，我们还在重点在创新！
了解我公司客户如何使用我们的产品改善设计并在创新竞争中保持领先。

• 梅赛德斯奔驰为VTM采用“数字孪生模型”“数字仿真模型”

梅赛德斯奔驰从汽车研发的初期阶段开始模拟汽车的完整热性能，以便提供更多设计变体，从而减少原型试验。

• JLR利用STAR-CCM+对汽车涉水试验进行创新

捷豹路虎利用STAR-CCM+研究出一种汽车涉水试验的革命性方法，为早期检测故障，降低测试成本，减少程序延迟和提高涉水能力打开了大门。

• 川崎重工在Ninja H2设计中采用“数字孪生仿真模型

自动化的STAR-CCM+设计探索在短时间内将发动机通风性能提高了40%。

海洋船舶行业多学

• 更快发现更优设计

日益严苛的排放标准和规范正迫使船企造船商对船舶性能各方面进行改善。
STAR-CCM+ 可对实际运行工况下的船舶进行实尺度足尺 CFD 模拟，在赋予设计师创新能力的同时也打开了获得更高效和更优设计的大门。

• 产品速览

促进性能提升
了解多学科模拟仿真和设计开发如何帮助解决海洋船舶行业业必将面临的最严峻挑战。
STAR-CCM+ 可对实际运行工况下的船舶进行实尺度足尺 CFD 模拟，在赋予设计师创新能力的同时也打开了获得更高效和更优设计的大门。

海洋船舶行业面临的危机危及： 传统设计方法无法改善性能
海洋船舶行业转向模拟仿真技术以应对 21 世纪的挑战

海运是全球货物运输的最主要途径，但该行业从未遇到过今天所面临的两个主要挑战：前所未有的人口增长速度以及旨在应对气候变化的严苛法规。 

Ba根据预计的人口规模，到 2020 年之前贸易需求预计将从目前的 90 亿吨增至 125 亿吨，而到 2030 年之前将增至 190 亿。与此同时，将有一系列新的法规在未来五年内生效，特别是针对船舶影响环境足迹的新法规。

因此，海洋船舶行业被赋予了一项艰巨的任务，那就是提高生产力（更多的船只，更大的装载量）的同时大幅降低对环境的影响（减少排放，提高效率）。 

传统的“设计-测试-建造”方法中，船体使用简化的势流'
潜流模拟工具进行设计，并通过缩小放大的物理模型在拖曳水池中进行试验，因此无法准确地提供实现长期环境目标所需的性能改进。
此外，这些方法还无法精确预测船舶在真实操作条件下的性能表现，比如在实际海况大浪中的自推进力自航操纵。
 
• “自由创新” 

对此的解决办法是快速而广泛的采用模拟仿真技术，如计算流体动力学（CFD），有限元分析（FEA）以及多学科设计开发（MDX）以促进性能改进。

结合专为传统造船工程师设计的船体性能预测（EHP）界面，
STAR-CCM+ 可以提供像其他运输行业一样的创新自由度，即：
    设计师不受限于模型放大的需求
    可自由验证新的理念以实现或超越监管目标（MDX）
    理念和解决方案可在实际的操作条件下进行验证
    同样的方法可应用于初步设计和详细设计优化
    同样的方法可应用于系统和部件级别
    通过集成仿真环境和 JAVA 脚本，轻松设置过程自动化
 
随着迫使行业过渡转型的严苛法规的出台，复杂模拟和优化技术（如 HEEDS）的出现，以及不断提高的计算能力，
剩下唯一的阻碍便是仍深深根植于海洋船舶业思维模式中的传统设计方法。

• 更快更优设计

来自美国船级社的 Dr. Richard Korpus 接受访问时表示： “100 多年来，设计师始终使用演进方法（每次设计做出微小改进）建造船舶。
在最近几年，CFD 提供了一项开创性技术来实现革命性方法——每代设计实现真正优化。”. 
STAR-CCM+ 拥有强大的功能，可以自动化模拟过程并使其与现代技术一样有效，船舶设计师终于能够推出新颖有效的设计解决方案，从而跟上市场快速发展的脚步。

• 案例研究  Share this Chapter 

不只是模拟，我们还在创新！
了解我公司客户如何使用我们的产品改善设计并在创新竞争中保持领先。

• DNV GL通过优化船体的流体力学设计，每年为APL节省三千万美元燃料费

“CFD就像个虚拟的拖曳水池。 “我们可以根据需要做出许多修改，并可立 即看到修改对其他设计区域造成的影响。”- DNV-GL 总裁Tor Svenson
”我们的目标是将整体效率提升30%。不过，我们已经将其提升了36%。"- APL董事Shan U Thayil

• 帮助Land Rover BAR赢得奖杯

”我们在设计之初便使用STAR-CCM+模拟帆船的性能，这让我们有机会考虑空气动力学和流体动力学的综合影响，并在尽可能短的时间内设计出最快的帆船。
帆船竞赛大都以微弱的差距决定比赛的胜负，我认为STAR-CCM+在设计一艘竞赛帆船上为我们提供了一个关键的竞争优势。"- Land Rover BAR首席技术官Andy Claughton

• Becker Mewis Duct保证六周内节省4.5%以上的燃油，每年为一艘普通大型轮船节省50万美元

"Becker Mewis Duct@的成功几乎全部依靠CFD流程。没有精确的CFD,我们就无法根据各船体周围具体的流动状况调整各管道优化节能导管。”- IBMV研发负责人Steve Leonard

• ABS同时优化船体性能、推进效率和发动机性能

"100多年来，船舶设计师始终使用演进方法(每次设计做出微小改进)建造船舶。在最近几年，CFD提供了一项开创性技术来实现革命性方法一每代设计实现真 正优化。”- 美国船级社首席技术官Richard Korpus

能源和电力模拟仿真系统

• 更快发现更优设计

工业机械制造商一方面需要满足对经济适用能源日益增长的需求，另一方面需要遵守更严格的政府法规，为此他们不得不面临双重挑战。
幸而，他们可以依靠 STAR-CCM+ 和设计探索开发出性能更好、更高效和更耐用的产品。

• 深入探究  Share this Chapter 
 
• 能源与电力机械的加速创新需求刺激了多学科模拟的发展

成本高昂的物理试验和过度简化的计算促使了高保真多学科模拟仿真技术的崛起，用以提高机器效率和可靠性并减少排放。
随着全球对能源的需求不断增加，各国开始寻求自己独特的能源组合，对化石燃料、核能和可再生能源进行合理搭配。 共同目标：生产充足的能源同时取得环境可持续性、技术可行性和经济可行性之间的平衡。 寻找这样的折中方案是能源和电力设备制造商创新的主要推动力。

 
• 更快更优设计

我们在能源和电力行业的客户通常表示，他们希望发电机械设备拥有最高的效率，因为即使是效率的小幅提升也会为制造商、制造商的客户以及全球的能源消费者带来巨大的经济效益。
 此外，他们还希望机械设备能具备最大的可靠性、耐用性、安全性和燃料灵活性，同时还能保证最少的排放、振动、热点和噪声。
但问题是，为了开发性能更好的机械设备，几乎总是要权衡取舍。 比如，更高的运行温度（可提高部分发电装置的效率如燃气轮机）通常与更高的排放（NOx 氮氧化物）直接相关。 

搭配 Optimate+ 或 HEEDS 工具模块的 STAR-CCM+ 可以帮助能源和电力工程师平衡这些目标，并通过提供以下功能确定可接受的折衷方案并更快发现更优的设计：
    更优的过程自动化 通过对包含复杂 3D CAD 几何图形的真实系统进行强大的网格划分，高效地预测多个设计变体的性能表现
    快速模拟输出 基于高效的瞬态计算，出色的方案扩展、高效的许可以及对异构计算环境的有效管理
    更高保真度的模拟 比如涉及多相流、燃烧、谐波平衡或流体和固体间耦合或共轭传热（CHT）集成计算的模拟
    更智能的设计探索 通过自动化的全局和本地搜索
    完整的灵敏度和稳健性评估
  
能源与电力行业中的部分 CFD 应用

• 涡轮机械和旋转系统

包括燃气轮机、蒸汽轮机、水力涡轮机、潮汐涡轮机、水泵、压缩机、风扇和风机、风力涡轮机等。
在水泵和水力涡轮机应用中，STAR-CCM+ 可精确预测压力（压头），特别是净正吸入压头（NPSH）以及流动分离和再循环、空化与空蚀。
在燃气轮机中，叶片冷却是提高效率同时保持可靠性和使用寿命的设计要点。

• 燃烧与加热/冷却

包括燃烧器、熔炉、燃气轮机燃烧室、锅炉、窑炉、流化床、燃气热水器、液冷或空冷换热器（或空冷器）以及热回收蒸汽发生器（HRSG）等。
对于这些系统，STAR-CCM+ 可预测燃烧效率、燃料混合效率/均匀性、火焰稳定性、最高温度、温度均匀性、热/冷流体混合、空气/燃料混合、燃烧完全性以及 CO 和 NOx 排放。

 
• 辅助系统和电厂辅助设施（BOP）

 
包括煤处理和分离装置（例如粉碎机、分级器、旋风分离器）、过滤器如袋滤室、入口和出口/排气、扩散器、管道和转向叶片、减排装置如 SCR、消音器和其他降噪装置等等。
对于这些系统，STAR-CCM+ 可用于克服与流动均匀性、压力损失、过量噪声或分离器效率相关的挑战。

• 发电机与变压器

对于这些系统，STAR-CCM+ 可帮助设计有效的热管理策略，防止过热现象出现。
  
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• B&B-AGEMA使用STAR-CCM+和HEEDS为川崎重工提供其下一代燃气轮机的叶片冷却技术

"STAR- CCM+的自动化水平高、网格划分功能强大、解决方案精确度高，是快速准确模拟共轭传热的最佳商业化CAE工具。” Rene Braun, B&B AGEMA

生命科学多学科模拟仿真

• 更快发现更优设计

日益严苛的排放标准正迫使造船商对船舶性能各方面进行改善。 
STAR-CCM+ 可对实际运行工况下的船舶进行足尺 CFD 模拟，在赋予设计师创新能力的同时也打开了获得更高效和更优设计的大门。

• 实现生命科学创新

了解多科学模拟和设计开发的空间探索突破性的能力如何改变生命科学的面貌。
我们的创新性的生产力工具和有效的解决方案专为生物医学和制药工程师量身打造，让他们能够轻松地发现更好的药物，设计出高品质的产品，同时显著改善患者预后结果病情。

 
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利用数值模拟促进医药创新
STAR-CCM+ 为生命科学行业带来了前所未有的灵活性和见解。
近年来，美国食品和药物管理局（FDA）开始逐步认可基于模拟的产品开发和虚拟原型设计的有效性，作为对实验测试与临床试验的补充，加快监管部门批准。
这有助于将模拟应用整合至重新设计流程的早期阶段，为实现投资回报率的最大化提供了最好的机会。 
然而，随着模拟技术的进步以及监管机构的认同和支持，最重要的组成部分即专业知识和人力资源必须来自客户。
 
领先的医疗设备设计和制药公司已经意识到，投资在招聘和技术等方面起着至关重要的作用。 
他们已经开始将模拟集成至临床试验研究中，并利用模拟对制造流程进行现代化改造。 
他们还与汽车和化工行业内经验丰富的终端用户接触，以帮助大型制药公司进行检修工艺设计，并在医疗设备制造企业内部集成新的设计和试验模式。

• 更快更优设计

通过 STAR-CCM+，虚拟生物和制药试验室共同愿景成为现实。 我们不断提供最先进的技术和自动化工作流，帮助缩小实验、桌面试验、临床试验和工程设计之间的差距。 
如今，我们的产品让我们的客户能够研究异常复杂的物理问题和几何图形，应用范围从医疗设备设计延伸至制药工艺。

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不只是模拟，我们还在创新！
了解我公司客户如何使用我们的产品改进生物医学产品、制药工艺和患者诊断。

• 帝国理工学院使用STAR-CCM+为大众带来更安全更经济的血液透析

"STAR-CCM+在我们的研究中发挥了关键作用，使我们能够更好地了解动静脉瘘内的流动物理学，并帮助我们改善其设计和功能。”- Dr. Peter Vincent,伦敦帝国理工学院

• 值得欣慰的成就: STAR-CCM+ 帮助提高植牙的成功率

”牙科已有几百年的历史，是艺术与科学的完美融合。植牙需要牙医具备更丰富的专业知识才能成功完成。STAR-CCM+ 是一款有效的模拟工具，
可以预测牙种植体的性能从而以前所未有的方式对牙齿系统进行评估。STAR-CCM+ 能够创造无限的可能!”- Dr Chandur Wadhwani,华盛顿大学

• STAR-CCM+确保疫苗生产工艺的安全性

"Creaform在其软件组合中使用STAR-CCM+,因为它可以快速处理任何几何图形，包括原始扫描图片。我们的专家会处理扫描图片和其他可用数据，
以数值方法重构几何图形，之后再执行CFD仿真操作，从而减少了成本和中间环节。”- Philippe B. Vincent & Francois Turgeon, Creaform

• “通过在STAR-CCM+中使用设计参数，可执行设计开发和优化，从而在第一次设计迭代中便生产出具备所需性能的原型。

Manilka Abeysurya & Richard Wheatley, Pera Technology Ltd.

• 优化制药行业的片剂制药工艺

在当今激烈的竞争格局下，固体片剂的生产必须注重提高生产工艺的质量和效率。STAR-CCM+ 可通过使用多物理场仿真的
快速原型设计和优化实现这一点。