流体分析软件能够可视化不可观察的空间，缩短开发时间，并且能够向客户展示产品机制。村田机械主要经营纺织制造和机床等业务，通过将流体分析应用于产品开发，成功地缩短了交货时间和原型生产。他们解释说，Cradle流体分析软件有助于模拟大型系统的运行，将在实际测试中不易观察到的空间内部气流可视化，并为客户提供强大的展示效果。

 村田机械介绍

村田机械有限公司是纺织机行业的龙头企业，生产各种纺织品的机械，主要被纺纱厂和合成纤维制造商广泛使用。自1935年在京都成立以来，他们以生产提花织机起家，现在已经成为世界上最著名的创新纺织机公司之一。Muratec Two-for-One捻线机是工业用纱线的单锭，拥有世界上最好的交货记录，其自动绕线机在全球市场占有很大的份额。村田机械的存在当今的潮流行业中具有重要意义。

除了制造纺织机械，他们的业务延伸到不同的领域，包括机床的生产，如车床和转塔冲床。他们在1962年开始生产工具柜，之后工具柜生产规模迅速扩大，为工厂的制造过程提供了所需的自动导航车辆系统。在开发系统过程中发展了硬件、软件和工程技能相结合的技术，已用于医药、食品、出版、纺织和运输等领域的物流体系建设。这进一步促进了无尘室运输系统的发展，以及用于半导体和液晶显示器生产的自动引导车辆的设备的制造。

此外，村田机械还生产数码多功能外设。1973年，也就是日本电话线开通仅一年之后，他们的传真第一次得到了日本电报电话公共公司(现在被称为NTT)的批准。从那时起，村田机械一直生产不同类型的数字多功能外设，直到今天。

将CFD应用于他们主要的纺织机

村田机械于1990年开始应用分析工具，首先是流体分析。当时他们正在开发VORTEX®，这是一种通过空气动力捻制纤维产生纱线的纺纱机。他们测试内部组件的空气流量，但由于部件太小，他们只能观察进气流量。他们在维护自己的解算器方面也有问题，因为在同一台机器上同时进行分析和产品开发是一个相当大的负担。为此，他们引入了结构化网格求解器scSTREAM，模拟自动绕线机，为纺织厂设计风道，分析清洁室粉尘分布，分析多功能外设和机床。他们目前正在使用scFLOW(一种非结构化网格求解器)来分析粉尘分散和纺织机的机理。

图1：通过流体分析减少生产时间

通过引入流体分析，村田机械成功地降低了成本和开发时间(图1)。产品开发包括规划、设计、分析、原型生产和测试过程。只有当他们成功地生产出性能与评估相同或更好的原型时，他们才能开始打包。在一个案例中，他们没有使用流体分析软件，在包装之前，他们不得不重复从计划到测试过程的循环五次。另一方面，使用流体分析软件，尽管他们仍然需要从计划到试做前需要6次仿真，然后生产一个原型来测试性能，但他们可以在从测试到计划重复两次周期后开始打包。村田机械公司的Hidetoshi Takeuchi先生解释说，流体分析的使用有助于将原型机的生产数量减少到原来的两倍，原来是五架。他说:“它减少了样品模具包装前所需的时间和生产成本。”同时，它也有助于预测原型生产前可能出现的问题。

 高性能后处理器的用处

Takeuchi先生评估了不同的流体分析工具，但出于几个原因选择了scFLOW。首先，该软件能够处理重叠网格，使移动对象的分析可扩展。由于清洁室中的传输设备必须单独分析，因此scFLOW的这一功能至关重要。其次，可以更精确地进行网格控制，这一点八叉树可以轻松处理。Takeuchi先生也对后处理器功能印象深刻。“在我们选择Cradle的软件之前，我们参加了他们的用户会议，并看到了演示的后处理。我们也做了一些研究。但即便如此，我们仍然对后处理的能力感到惊讶;它的性能比其他专门的后处理软件要好得多。”他还指出，这很容易操作。可以通过拖放方式传输文件，可以轻松使用任务管理工具，可以轻松编辑文本格式的条件文件(S文件)，以实现类似的计算。总的来说，Cradle的后处理器将人工操作和工程师的精神压力降到最低。

Takeuchi先生解释说，他们优先考虑最大限度地减少预处理器的工作量，同时在使用分析工具时保持足够的准确性和计算时间。在可操作性的程度和前处理器和后处理器的能力方面，Cradle的软件在村田机械得到了高度的评价。

引入流体分析观察流动变化

推动村田机械引入流体分析的产品开发涉及他们的主要纺织机械产品VORTEX®。通过应用流体分析来可视化VORTEX®中的气动现象，村田机械的工程师能够更好地理解设备小空间内的空气流动。VORTEX®的独特之处有两点。能够自动检测和排除故障，确保最终产品的质量。它还具有优良的纺丝性能。正因为如此，VORTEX®生产的纱线具有特殊的特性;它的绒毛少，吸湿性强，干得快，可以防止衣物在多次洗涤后变形。当VORTEX®纱线织成织物时，织物表面光滑。这更便易、更有效。它还能防止起球。VORTEX®纱线提供时尚和功能性的质量，被世界各地的纺织制造商高度认可和积极使用，以开发高附加值的产品。

图2：scFLOW在VORTEX第三代研制中的应用实例

-采用稳态分析方法对旋转纺纱空间内的可压缩空气流动进行了评价。

在分析中计算出的纱线长度大约等于人的第二个和第三个关节之间的距离。纤维从上面进入，在亚声速到声速的连续空气的作用下被松开。然后，纤维通过旋转气流捻成纱。虽然高速摄像机每段记录的帧数超过100万，这使得观察VORTEX®内部的现象成为可能，但在计算机模拟技术刚刚出现的时候，情况并非如此。通过应用流体分析来可视化空气流动，村田机械能够超越他们工程师的经验(图2)。

图3：无需生产样机来设计吸力1.5倍的吸风装置

吸气装置是另一个例子，村田机械能够利用流体分析来减少产品开发时间，并且只进行了少量的原型测试(图3)。吸气装置主要用于纺织机械，通过喷射高速空气和引入周围的空气来去除不必要的纱线。为了比传统设备产生更多的吸力，村田机械在一周内进行了十次分析，以确定最佳设计。基于此，他们创造了一个为期两周的原型。测试结果表明，该装置达到了预期的性能，村田机械决定继续生产。这是一个很好的例子，展示了如何使用计算模拟来减少原型生产和测试的时间，从而减少上市时间和总体成本。

图4：无尘室起重机与粉尘分散的模拟

-采用嵌套网格和移动物体功能，对尺寸为10-40m的不可压缩空气的低速流动(约为0.1-3.0 m/s)进行瞬态分析。

 流体分析的进一步使用

另一方面，Takeuchi先生生为流体分析还有很多改进的机会。他认为接触函数可以改进为六自由度分析。他相信，如果Cradle融合了接触力学和动力学的理念，那么它将有可能集成其他软件。“这意味着分析可以用于其他目的，”他解释道。他还希望在处理overset网格时，可以逆转移动物体和周围环境的网格大小。在当前版本的软件中，为了获得较高的精度，周围环境的网格尺寸需要等于或小于运动物体内部的网格尺寸。然而，由于该公司更加强调移动对象的行为，因此希望对移动对象使用更小的网格。

在未来，村田机械希望在大规模计算方面做更多的工作。他们对使用集群环境进行气动噪声分析特别感兴趣。Takeuchi先生说:“噪音已经成为几乎所有产品开发的一个重要问题，如果模型要达到所要求的性能，就必须解决这个问题。”由于Murata Machinery在这一领域的工作经验很少，他们在执行大规模计算方面迈出了第一步。为了管理作业任务和许可证，他们计划使用Windows®和HPC服务器。另一个相关的挑战是促进工程师对流体分析的理解。他们希望通过许可证的集中管理和为更多的工程师提供计算服务器来继续这一模式。

总之，村田机械在早期采用了流体分析软件，通过一些非常有见地的应用展示了流体分析的潜力。持续的开发有望带来更广泛的应用环境。