摘    要   

參數(shù)變化研究對(duì)于理解基于輸入?yún)?shù)的任何產(chǎn)品的設(shè)計(jì)性能都是非常有用的。這種類型的案例研究將使用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)來(lái)完成，并生成幾個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)。傳統(tǒng)的DoE求解器將使用CAD接口處理幾何變化，使用適當(dāng)?shù)墓ぞ哌M(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后求解器，最后進(jìn)行后處理。如果求解器本身具有通過(guò)網(wǎng)格偏轉(zhuǎn)法和自動(dòng)后處理來(lái)改變幾何變化的工作流程，那么不需要幾何變化和網(wǎng)格劃分將大大減少進(jìn)行參數(shù)化研究的時(shí)間。這里用暖通空調(diào)參數(shù)化研究來(lái)展示求解器的性能和生成結(jié)果的準(zhǔn)確性。該方法可用于利用參數(shù)變化優(yōu)化設(shè)計(jì)。本文將展示如何使用網(wǎng)格變形來(lái)移動(dòng)水平和垂直葉片，以及在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中什么是時(shí)間軸的減少。本文采用Ansys Fluent求解器進(jìn)行參數(shù)化研究。初始網(wǎng)格由Fluent網(wǎng)格提供，幾何變化在Fluent求解器中自行實(shí)現(xiàn)，求解設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)采用手動(dòng)和自動(dòng)方式。Ansys Fluent求解器在求解前準(zhǔn)備每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)所需的時(shí)間最短，并自動(dòng)生成報(bào)告。這種方法將幫助設(shè)計(jì)師快速做出設(shè)計(jì)決策，并在更短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)計(jì)。

01  介   紹 

    “Time to Market”是商業(yè)成功的關(guān)鍵。所有汽車OEM每年都會(huì)推出一種或多種新產(chǎn)品，以維持行業(yè)的發(fā)展。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，應(yīng)縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期中，與生產(chǎn)階段相比，設(shè)計(jì)和驗(yàn)證階段的時(shí)間可以減少。由于這種設(shè)計(jì)和虛擬驗(yàn)證可以減少原型測(cè)試的時(shí)間，我們需要在設(shè)計(jì)和虛擬驗(yàn)證階段引入新的方法，以減少整體上市時(shí)間。

      目前，由于虛擬驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性和增強(qiáng)了對(duì)實(shí)際場(chǎng)景的復(fù)制，大多數(shù)設(shè)計(jì)都是通過(guò)虛擬驗(yàn)證完成的。然而，在最終確定設(shè)計(jì)之前，必須解決大量的DoE，以利用參數(shù)變化（包括幾何變化）確定最合適的設(shè)計(jì)。DoE運(yùn)行需要更多的時(shí)間，這取決于求解器的能力和硬件可用性。本文著重介紹了如何用新的方法，特別是在CFD求解器中處理幾何變化時(shí)，進(jìn)行快速DoE運(yùn)行。為了驗(yàn)證這一概念，選擇了汽車暖通空調(diào)的方向性研究，比較了新方法的時(shí)間減少和結(jié)果準(zhǔn)確性。因此，總的來(lái)說(shuō)，上市時(shí)間和成本都可以縮短。

02  方   法

       本工作的目的是展示一種減少DoE研究時(shí)間的方法和工作流程。

      通常，對(duì)幾何變化進(jìn)行的DoE研究將從幾何變化開(kāi)始，網(wǎng)格劃分，然后對(duì)所有不同的幾何變化進(jìn)行重復(fù)求解。在這里，大多數(shù)時(shí)候可以手動(dòng)執(zhí)行幾何變化。這也會(huì)導(dǎo)致大量的時(shí)間和手動(dòng)錯(cuò)誤。有時(shí)，在網(wǎng)格劃分階段，在修改表面保持網(wǎng)格尺寸是非常困難的，因?yàn)樵谝郧暗腄P。最后，求解器必須在修改后的新DP中求解問(wèn)題。為了避免這些問(wèn)題，我們提出了一種方法，可以根據(jù)先前的DP運(yùn)行后的幾何變化自動(dòng)改變或變形或偏轉(zhuǎn)求解器本身的網(wǎng)格。使用參數(shù)化DoE方法進(jìn)行幾何變化的汽車HVAC性能研究。這可以通過(guò)求解器本身提供的網(wǎng)格變形方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

      使用Ansys Fluent求解器進(jìn)行參數(shù)化研究，無(wú)需任何額外工具，使用參數(shù)化&探索方法。使用Fluent網(wǎng)格劃分工作流程生成多邊形網(wǎng)格。使用網(wǎng)格變形技術(shù)在求解器中創(chuàng)建幾何變化，下面將簡(jiǎn)要討論。采用幾何變異Fluent求解器進(jìn)行DoE研究。不同的技術(shù)也注意到大撓度時(shí)網(wǎng)格質(zhì)量的惡化。所有設(shè)計(jì)點(diǎn)均自動(dòng)解決，無(wú)需任何人工干預(yù)。報(bào)告也會(huì)以規(guī)定的格式自動(dòng)為所有dp生成?？偟膩?lái)說(shuō)，對(duì)所有參數(shù)變異研究采用這種方法是省時(shí)的。

03  工作流程  

      通常，具有幾何變化的DoE研究的工作流程在每個(gè)設(shè)計(jì)點(diǎn)的計(jì)算中都具有幾何變化的循環(huán)和網(wǎng)格化。有時(shí)，手工的幾何變化需要花費(fèi)更多的時(shí)間，并包含錯(cuò)誤，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間和錯(cuò)誤的研究。

圖1  工作流程圖

      為了消除這種情況，美國(guó)能源部研究中的那些步驟也應(yīng)該被取消。在新方法中，利用網(wǎng)格變形技術(shù)在求解器本身中處理幾何變化。

DOE研究

      為了驗(yàn)證網(wǎng)格變形技術(shù)在DoE研究中的應(yīng)用，采用了汽車暖通空調(diào)的方向性研究。在本研究中，暖通風(fēng)管出口葉片分別為水平方向和垂直方向，將氣流導(dǎo)向所需方向。這些葉片在汽車客艙內(nèi)的氣流分布和熱舒適性方面起著重要的作用。有時(shí)，為了吸引顧客，它應(yīng)該看起來(lái)很美觀?；谝陨蟽蓚€(gè)方面，設(shè)計(jì)師必須實(shí)現(xiàn)性能更好、外觀時(shí)尚的設(shè)計(jì)。因此，設(shè)計(jì)師必須用不同的葉片旋轉(zhuǎn)角度來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)。水平葉片旋轉(zhuǎn)±15度，垂直葉片旋轉(zhuǎn)±20度。在給定的旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)，選擇不同的設(shè)計(jì)點(diǎn)進(jìn)行求解。這些設(shè)計(jì)點(diǎn)可以手動(dòng)選擇，也可以使用Ansys Fluent中的Auto選項(xiàng)中的采樣技術(shù)。

      輸入?yún)?shù)為水平葉片偏轉(zhuǎn)角和垂直葉片偏轉(zhuǎn)角，輸出參數(shù)為內(nèi)平面測(cè)量的機(jī)頭平均速度。但是，在開(kāi)始DoE研究之前，應(yīng)在指定的地塊、監(jiān)測(cè)點(diǎn)和所需的結(jié)果上進(jìn)行基線模擬，以便在指定的地塊上激活自動(dòng)生成報(bào)告。

圖2  汽車艙室暖通空調(diào)研究計(jì)算域

      網(wǎng)格變形是通過(guò)改變初始網(wǎng)格來(lái)表示流域變化的方法。當(dāng)網(wǎng)格變形時(shí)，節(jié)點(diǎn)和頂點(diǎn)被移動(dòng)到不同的方向以進(jìn)行所需的更改。網(wǎng)格變形意味著對(duì)幾何變化的適應(yīng)。Ansys Fluent采用自由變形技術(shù)。當(dāng)網(wǎng)格變形時(shí)，網(wǎng)格質(zhì)量會(huì)降低，但可以通過(guò)兩種方式來(lái)避免，一種是通過(guò)平滑網(wǎng)格，另一種是通過(guò)多個(gè)較小的步驟來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的變形，這樣，每個(gè)小的變形通過(guò)平滑得到高質(zhì)量的網(wǎng)格。在網(wǎng)格變形過(guò)程中有可能得到負(fù)體積單元和質(zhì)量較差的網(wǎng)格，可以使用Ansys Fluent中提供的網(wǎng)格修復(fù)方法和網(wǎng)格質(zhì)量改進(jìn)方法進(jìn)行校正。

圖3   顯示網(wǎng)格變形的葉片方向與切面位置

圖4   葉片分別旋轉(zhuǎn)15度和20度變形后的葉片方向和網(wǎng)格變形

     這是在Ansys Fluent中定義幾何變化的方法。這里，在本研究中，對(duì)于暖通空調(diào)的方向性研究，葉片是時(shí)鐘和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的。這里，幾何變化是旋轉(zhuǎn)。對(duì)于每個(gè)葉片，需要分別定義其旋轉(zhuǎn)軸和旋轉(zhuǎn)方向。但是旋轉(zhuǎn)角度可以定義為輸入?yún)?shù)，如水平葉片偏轉(zhuǎn)角和垂直葉片偏轉(zhuǎn)角，可以使用Ansys Fluent中的表達(dá)式。為此，對(duì)輸入?yún)?shù)、水平葉片和垂直葉片的偏轉(zhuǎn)角變化進(jìn)行了DoE研究。同樣的，還有其他的幾何變化，比如平移，縮放，規(guī)定的運(yùn)動(dòng)，除了這些變化，還有一個(gè)選項(xiàng)來(lái)設(shè)置約束，比如固定的表面。一旦參數(shù)變化的所有設(shè)置完成，它可以用于參數(shù)研究。一旦參數(shù)化研究完成，所需的設(shè)計(jì)點(diǎn)幾何變化可以導(dǎo)出為STL曲面，以再現(xiàn)幾何形狀。

   04  驗(yàn)    證   

圖5   不同設(shè)計(jì)點(diǎn)葉片引導(dǎo)的暖通風(fēng)管出風(fēng)流線圖

05 局限性與優(yōu)勢(shì)

      它們有優(yōu)點(diǎn)也有一定的局限性，較大角度的偏轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量較差的單元最終出現(xiàn)CFD運(yùn)行的發(fā)散。這種現(xiàn)象是在固定結(jié)構(gòu)的相鄰元件接近時(shí)觀察到的。使用較小的偏轉(zhuǎn)多步幫助達(dá)到某種程度，它可以達(dá)到14度而沒(méi)有任何收斂問(wèn)題，水平角可以偏轉(zhuǎn)高達(dá)8度與一步偏轉(zhuǎn)。此外，非常精細(xì)的棱鏡單元在進(jìn)行網(wǎng)格變形時(shí)，即使在較小的角度也可能會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

      這項(xiàng)研究的主要優(yōu)點(diǎn)是時(shí)間，與傳統(tǒng)研究相比，節(jié)省了多少時(shí)間是這項(xiàng)研究的主要優(yōu)點(diǎn)。在傳統(tǒng)的研究中，每個(gè)DP的幾何變化平均需要26分鐘才能完成，根據(jù)元素?cái)?shù)量的不同，網(wǎng)格劃分需要60分鐘到160分鐘，如果將所有設(shè)計(jì)點(diǎn)累加起來(lái)，即使完成DoE研究也需要一周的時(shí)間，但這一時(shí)間在網(wǎng)格變形技術(shù)中被消除了。即使采用工藝集成工具實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，嚙合時(shí)間也會(huì)更長(zhǎng)，但這不是網(wǎng)格變形的情況。

 06  結(jié)   論  

在這項(xiàng)工作中，證明了網(wǎng)格變形技術(shù)在節(jié)省參數(shù)化研究時(shí)間方面非常有幫助，與傳統(tǒng)方法相比，幾何變化幾乎可以節(jié)省20% -50%的時(shí)間。并對(duì)結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果符合±3%的可接受限值。

這項(xiàng)研究必須擴(kuò)展，以了解不同系統(tǒng)和產(chǎn)品性能的影響。還有另一種選擇的RBF變形網(wǎng)格變形，必須研究與相同的案例研究，特別是網(wǎng)格變形后的質(zhì)量。

END

本期編輯|賀振桐    

審      核|何藤升、王藝霖    

Palanisamy, V., "Automotive HVAC Performance Study Using Parametric DoE Approach for Geometric Variation with Mesh-Morphing Method in Ansys Fluent," SAE Technical Paper 2024-28-0008, 2024, https://doi.org/10.4271/2024-28-0008.