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同步 CFD 分析方法加速汽車設(shè)計(jì)

2019-02-21 21:25:25·  來源：海基科技  
　
眾所周知，CFD（計(jì)算流體動(dòng)力）形式的計(jì)算機(jī)模擬/虛擬模型技術(shù)，極大地降低了產(chǎn)品成本，加快了產(chǎn)品上市時(shí)間。今天就介紹一款軟件功能齊全的通用CFD工具。該軟件
眾所周知，CFD（計(jì)算流體動(dòng)力）形式的計(jì)算機(jī)模擬/虛擬模型技術(shù)，極大地降低了產(chǎn)品成本，加快了產(chǎn)品上市時(shí)間。今天就介紹一款軟件功能齊全的通用CFD工具。 
該軟件是專為日常的設(shè)計(jì)工程師而非專家設(shè)計(jì)。它移除了 CFD 主流使用的所有障礙。直到目前為止，最大障礙是傳統(tǒng)的 CFD 軟件要求用戶對計(jì)算流體動(dòng)力方面有很深的認(rèn)識(shí)，以便求得準(zhǔn)確結(jié)果。相比之下，F(xiàn)loEFD 的突破性優(yōu)勢包括其使用本地三維 CAD 數(shù)據(jù)，自動(dòng)定義流動(dòng)空間和為其生成柵狀網(wǎng)格，以及管理基于對象特征的流動(dòng)參數(shù)——所有這些綜合在一起，通過方便的向?qū)е甘具M(jìn)行處理，工程師無需了解CFD 的計(jì)算部分。相反，他們可以專注于產(chǎn)品的流體動(dòng)力性，這已成為了他們職責(zé)的一部分，因?yàn)閷Υ怂麄兌际怯?xùn)練有素和經(jīng)驗(yàn)豐富的。使用 FloEFD 軟件所需的技能只是要了解 CAD 系統(tǒng)和產(chǎn)品物理性，而絕大多數(shù)的設(shè)計(jì)工程師都已經(jīng)具備這兩項(xiàng)技能。區(qū)分 FloEFD 的一重要方面在于它無縫集成于工程師所熟悉的機(jī)械 CAD 軟件包。安裝 FloEFD 軟件后，所有需運(yùn)行流動(dòng)或熱分析的菜單和命令都集成于 CAD 軟件包。FloEFD 將 CAD 和 CFD 兩者的功能緊密結(jié)合（見圖1），其擁有的幾大主要優(yōu)勢在于：
■工程師無需從 CAD 環(huán)境中將文件輸出至分析軟件包，并花時(shí)間去建立“已準(zhǔn)備就緒的 CFD”幾何模型，這一過程所耗費(fèi)的時(shí)間如果不是幾天就是幾小時(shí)。相反，F(xiàn)loEFD 利用工程師在機(jī)械 CAD 軟件包生成的同一幾何模型，包括對模型的任何修改，都自動(dòng)導(dǎo)入至FloEFD 分析。
■FloEFD 軟件自動(dòng)判定您所感興趣的流體區(qū)域，而傳統(tǒng)的 CFD 軟件需要用戶自己定義其感興趣的計(jì)算區(qū)域。
■FloEFD 軟件清楚地設(shè)立、運(yùn)行網(wǎng)格劃分和求解。CFD過于討巧各方，它提供了廣泛的選擇，但大多數(shù)情況下并不需要。而 FloEFD 軟件能自動(dòng)選擇適合的求解結(jié)果，設(shè)置求解方式以得出解決方案。工程師也不必?fù)?dān)心如何確定流動(dòng)特性改變的時(shí)間和地點(diǎn)，因?yàn)?FloEFD支持層流-過渡-湍流模擬。
■只需設(shè)置一次邊界條件，由于操作環(huán)境統(tǒng)一，對應(yīng)于幾何形狀，這些參數(shù)保持不變，除非工程師對其進(jìn)行修改。
■同樣 FloEFD 加快了迭代設(shè)計(jì)過程；工程師能快速、輕易地將所學(xué)知識(shí)運(yùn)用于分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)中。使用傳統(tǒng)的 CFD 軟件，每次幾何形狀產(chǎn)生變化后，都必須重新生成網(wǎng)格，這通常涉及到耗費(fèi)時(shí)間的手動(dòng)介入。相比之下，當(dāng)幾何形狀產(chǎn)生變化，F(xiàn)loEFD 軟件立即運(yùn)行，自動(dòng)生成新的網(wǎng)格，在先前定義的邊界條件下工作。因此，從變化的幾何形狀到運(yùn)行求解和檢驗(yàn)結(jié)果，完成這一步驟的速度大大加快。
總的來說，由于將 CAD 和 CFD 兩者功能緊密結(jié)合，F(xiàn)loEFD 使得工作流程明顯加快，運(yùn)行分析時(shí)無需再執(zhí)行好些人工設(shè)置的步驟。
圖2：在 Pro/ENGINEER Wildfire環(huán)境下對進(jìn)氣管進(jìn)行流體流動(dòng)分析
——FloEFD 軟件能夠分析物理設(shè)計(jì)的變化
處于概念階段的時(shí)候，制造商通過 FloEFD 進(jìn)行模擬仿真，使得他們能探討設(shè)計(jì)方案，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，優(yōu)化產(chǎn)品性能，然后開始詳細(xì)設(shè)計(jì)或生成物理模型。FloEFD 支持“what-if”分析。工程師不必重新加載、確定邊界條件和材料特性，就能修改實(shí)體模型。該軟件還有助于進(jìn)行參數(shù)分析，比如，對同一閥中各管壁的厚度進(jìn)行多次分析，以確定最佳厚度。
Vehicle Turbo
Vehicle Ventilation
直到最近，行業(yè)優(yōu)秀企業(yè)卻發(fā)現(xiàn) FloEFD 所帶來的巨大利益遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)應(yīng)用范圍，諸如空氣動(dòng)力學(xué)。僅僅在汽車工業(yè)中，工程師就已使用 FloEFD 軟件設(shè)計(jì)下列產(chǎn)品和工藝，其中包括： 燃料噴射器、散熱器、催化轉(zhuǎn)換器、排氣和排放控制系統(tǒng)、歧管、閥門、噴嘴、水泵和各種液壓系統(tǒng)
■通風(fēng)罩下氣流和散熱管理
■乘客舒適度和環(huán)境控制系統(tǒng)
■水套、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體和氣缸內(nèi)的冷卻液流量
■電子冷卻系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)力傳動(dòng)元件和頭燈等
■熱交換器和散熱器的性能
■通過過濾器的流量和壓力降
■燃料電池性能
■整個(gè)車輛或諸如后視鏡、擋風(fēng)玻璃刮水器、擾流器等部件的空氣動(dòng)力性
該份列表清楚地表明，F(xiàn)loEFD 在汽車制造業(yè)以外的眾多行業(yè)中仍十分有用。
用戶案例：VENTREX 汽車：節(jié)省 50 個(gè)模型，上市時(shí)間提前四個(gè)月
正如早前在白皮書中解釋的那樣，運(yùn)行虛擬樣機(jī)而不是制造物理模型能極大地節(jié)省時(shí)間和成本。這顯然是位于奧地利格拉茨的 Ventrex 汽車有限公司的經(jīng)驗(yàn)之談。該公司為所有主要汽車制造商供應(yīng)壓縮機(jī)和空氣調(diào)節(jié)閥。
近來的挑戰(zhàn)是研發(fā)適合新型二氧化碳制冷劑的閥門，其取代了那些適于氫氟碳化合物的閥門。這些新流體在7倍乃至 10 倍更高壓力下運(yùn)行，許多空調(diào)系統(tǒng)的部件諸如用于系統(tǒng)排氣和進(jìn)氣的閥門需要重新設(shè)計(jì)，F(xiàn)loEFD 的關(guān)鍵優(yōu)勢在于它能仿真新設(shè)計(jì)中的壓力降而無需建立真實(shí)物理模型，它還能提供診斷信息，如流場內(nèi)每點(diǎn)的流速和流場，使得工程師能夠確定最優(yōu)設(shè)計(jì)。
圖3： Ventrex 汽車有限公司閥門生產(chǎn)情況。FloEFD 軟件加速新閥門上市時(shí)間達(dá)4個(gè)月
Ventrex 長期以來一直使用 CATIA，因此他們選擇 FloEFD V5，可直接嵌入 CAD 環(huán)境中。不是將模型留在了CAD 軟件中，Ventrex 工程師只要執(zhí)行菜單選擇，就將 CATIA 中的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到了 FloEFD 中進(jìn)行模擬，自動(dòng)確定閥內(nèi)有流體流動(dòng)的空隙所在之處，工程師僅需指定邊界條件以及該邊界條件下的進(jìn)口和出口壓力。該公司的項(xiàng)目經(jīng)理表示：“幾小時(shí)內(nèi)，我們就對初步的概念設(shè)計(jì)有了完整的模擬，并能夠集中精力去改善它。”結(jié)果是“嵌入 CAD 的 CFD 軟件，其確定仿真結(jié)果幾乎同我們改變設(shè)計(jì)的速度一致。我們能夠?qū)⑿滦投趸奸y的流速提高 15%，同時(shí)幾乎減少 50 個(gè)模型，上市時(shí)間提前四個(gè)月。
用戶案例：MINIATURE PRECISION COMPONENTS： 快速評估 12 個(gè)設(shè)計(jì)方案。
在汽車和商業(yè)行業(yè)中，全球公認(rèn)的居于領(lǐng)先地位的創(chuàng)新設(shè)計(jì)和世界一流熱塑性零件生產(chǎn)商——Miniature Precision Components（MPC）公司，其提供功能化熱塑性注射、擠壓和吸氣式吹塑成型配件/輔助配件。MPC總部設(shè)在美國 Wisconsin 的 Walworth, 公司擁有約 1500 名員工。
生產(chǎn)零排放車輛這一長期性任務(wù)的過渡性步驟是生產(chǎn)由電力或氫燃料電池所驅(qū)動(dòng)的車輛，在美國幾個(gè)大洲中，允許發(fā)放牌照給繼續(xù)使用汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的部分零排放車輛（PZEVs）。為了符合 PZEV 資格，車輛必須滿足“超低排放車輛”的標(biāo)準(zhǔn)，其燃料系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)零蒸發(fā)排放物。PZEV 主要特點(diǎn)是車輛在進(jìn)氣口對氫氟碳化合物進(jìn)行密封，以防止發(fā)動(dòng)機(jī)停止后含雜質(zhì)氫氟碳化合物發(fā)生泄漏——它必須這樣做，以避免空氣進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)引起背壓明顯增加。因?yàn)楸硥涸黾訉θ剂闲屎托阅墚a(chǎn)生不利影響。
在競爭激烈的氫氟碳化合物密封裝置設(shè)計(jì)中，MPC 公司的工程師從物理設(shè)計(jì)生成 CATIA 模型開始。他們先分析各種基于經(jīng)驗(yàn)形成的初步模型。使用 FloEFD V5 軟件來分析很簡易，僅需定義邊界條件和運(yùn)行流動(dòng)分析。很快他們便發(fā)現(xiàn)采用 5 個(gè)輻條的模型得到的背壓最低，但還是不夠低。然后工程師數(shù)十次修改 5 個(gè)輻條的設(shè)計(jì)，每次均改變了輻條的幾何形狀和碳元素間距。負(fù)責(zé)該項(xiàng)目的工程師表示：“最終，我至少能夠在該軟件中實(shí)現(xiàn)背壓目標(biāo)。我們建立快速模型，并根據(jù) CFD 預(yù)測發(fā)現(xiàn)背壓處于 0.1 英寸水中最低。”
 
 
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