豐田案例：齒輪箱Fluent模擬仿真全攻略

2016-09-04 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

本期導(dǎo)讀

輪滑油在齒輪箱中不僅僅是作為潤(rùn)滑系統(tǒng),它也作為冷卻劑,確保系統(tǒng)不會(huì)過(guò)熱甚至著火。

齒輪箱在許多行業(yè)中是常見(jiàn)的,包括汽車制造業(yè)。設(shè)計(jì)師們也需要一個(gè)快速且經(jīng)濟(jì)的方法去優(yōu)化它們的冷卻系統(tǒng)。為此豐田公司用ANSYS Fluent模擬了驅(qū)動(dòng)裝置的冷卻系統(tǒng)。

齒輪網(wǎng)格劃分。注:該圖片并非豐田公司產(chǎn)品

齒輪箱過(guò)熱的原因

齒輪系統(tǒng)中的熱量通常來(lái)自摩擦。這種摩擦主要由齒輪嚙合和軸承和軸的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。這種熱形成機(jī)制在它影響到周圍的環(huán)境之前會(huì)把熱量轉(zhuǎn)移到外殼的輪滑油中。

“為了測(cè)試系統(tǒng),僅僅確保任何齒輪接觸點(diǎn)的輪滑是不夠的。還必須評(píng)估冷卻性能與油流動(dòng)損耗。Dr. Gilles Eggenspiele,一位資深產(chǎn)品經(jīng)理解釋說(shuō):“ 這有助于確定油面的最佳高度,”

為了更好地評(píng)估驅(qū)動(dòng)裝置,工程師們不僅要分析油的流動(dòng),而且要分析外部空氣的流動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)這是一個(gè)很復(fù)雜的流體仿真,需要計(jì)算機(jī)具備極其強(qiáng)大的計(jì)算能力。目前的方法是將流體和車輛氣流建模分別采用數(shù)據(jù)耦合。這便使得計(jì)算步驟減少了很多,大大地減少了計(jì)算量。

齒輪箱輪滑油的模擬仿真過(guò)程

對(duì)流體體積的模擬仿真通常被用來(lái)研究輪滑油與驅(qū)動(dòng)單元中空氣的表面作用。這項(xiàng)技術(shù)是用來(lái)檢測(cè)兩種互不相溶流體的相互作用。Eggenspieler說(shuō) “表面相互作用可以生成表面張力所形成的液滴。隨著液體的流動(dòng),網(wǎng)格將動(dòng)態(tài)細(xì)化基于接口的位置”。一旦界面區(qū)域顯示出來(lái),通過(guò)仿真過(guò)程我們就能知曉油與空氣的動(dòng)態(tài)特征。

Eggenspieler補(bǔ)充道:“圍繞著接口,網(wǎng)格會(huì)更完善,通常是2-3梯度的單元細(xì)化,這種細(xì)化需要對(duì)仿真過(guò)程進(jìn)行適當(dāng)?shù)那蠼?。沒(méi)有接口的區(qū)域網(wǎng)格就會(huì)粗化,” 這種網(wǎng)格細(xì)化同時(shí)也不會(huì)降低求解速度。如果不是模型網(wǎng)格較好,那么仿真過(guò)程會(huì)需要很強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)性能才能進(jìn)行求解。

以一個(gè)重新嚙合區(qū)為例。注:該圖片并非豐田公司產(chǎn)品。

在模擬仿真中,齒輪建模使用了動(dòng)態(tài)網(wǎng)格。Eggenspieler解釋道:“建立動(dòng)態(tài)網(wǎng)格必須定義一個(gè)齒輪重新嚙合時(shí)的區(qū)域?；贏NSYS進(jìn)行第一設(shè)定轉(zhuǎn)速表面運(yùn)動(dòng)。本質(zhì)上這種系統(tǒng)是以模擬時(shí)長(zhǎng)乘以位移速度。這種表面作用會(huì)自動(dòng)地重新劃分網(wǎng)格,”這意味著齒輪幾何形狀必須精確建模這樣劃分網(wǎng)格才可以確保準(zhǔn)確的流體流動(dòng)。Eggenspieler 建議 “如果你一開始的網(wǎng)格建立的很完善,那么接下來(lái)的一切事情都很好解決.。畢竟齒輪是完全對(duì)稱的幾何體。最初畫網(wǎng)格,你必須確保你有一個(gè)尺寸函數(shù)。一般來(lái)說(shuō)齒寬是齒高的10分之一。當(dāng)然每個(gè)公司都有他們自己的網(wǎng)格繪制方法?！?

然而,繪制網(wǎng)格并不像它聽(tīng)起來(lái)這么容易。 Eggenspieler 澄清道, “需要2-3次的試驗(yàn)才能確定網(wǎng)格的精確優(yōu)化與快速求解.。當(dāng)你繪制一個(gè)能根據(jù)水/油相互作用而自動(dòng)細(xì)化的網(wǎng)格時(shí),你僅僅只得到了第一次仿真的最佳方案。工程師們必須確保他們有最佳的模擬裝置。首先,這會(huì)使得工程師們節(jié)省一大筆在選擇方案一還是方案二時(shí)所用的時(shí)間。這些最優(yōu)實(shí)踐法能夠重復(fù)使用多次甚至數(shù)年。一旦確定流體流動(dòng),運(yùn)用馮卡門類比法可以確定油的傳熱系數(shù) 。當(dāng)這些數(shù)據(jù)加上空氣流動(dòng)的仿真之后,驅(qū)動(dòng)裝置熱傳播的精確結(jié)果就能夠計(jì)算出來(lái)了。一個(gè)齒輪系統(tǒng)的仿真實(shí)例(不代表豐田的設(shè)計(jì))看下面的視頻:

體積流體仿真的好處

最終仿真過(guò)程模型需要130萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。該模型顯示驅(qū)動(dòng)單元的底部冷卻適當(dāng)而頂部過(guò)熱。通過(guò)重新定位驅(qū)動(dòng)裝置散熱片,豐田公司能在加熱裝置初始設(shè)計(jì)時(shí)就被固定的情況下減少整機(jī)重量。

但是模擬仿真也有缺點(diǎn),畢竟仿真不能代替所有試驗(yàn)。工程師們還是必須進(jìn)行一些現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。 Eggenspieler 指出, “我們的模擬仿真與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)之間誤差率是很小的。但是人們最終還是會(huì)做現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。進(jìn)行模擬仿真的意義是: 需要進(jìn)行100次試驗(yàn)才能做的設(shè)計(jì),通過(guò)仿真以后你可能只需要做3-4次試驗(yàn)以及余下一些極端情況下的試驗(yàn)。仿真不可能完全代替試驗(yàn),但是可以用來(lái)加快設(shè)計(jì)速度,并且在設(shè)計(jì)初期就能夠提出性能評(píng)估,即使在第一臺(tái)樣機(jī)已經(jīng)生產(chǎn)出來(lái)的情況下。豐田為例,使用模擬仿真技術(shù),可以減少他們的驅(qū)動(dòng)單元的重量達(dá)10%,同時(shí)提高了冷卻性能。

至于體積流體仿真方法的應(yīng)用,除了齒輪還有很多,其他應(yīng)用包括船體運(yùn)動(dòng),空泡螺旋槳,熔融金屬,海浪,石油和天然氣以及更多。

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