汽車(chē)開(kāi)發(fā)中的空氣動(dòng)力學(xué)及流體力學(xué)仿真

2016-12-23 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提高,CFD 軟件逐漸成為工程師的常用工具,在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的初期就確立設(shè)計(jì)方案。今天所面臨的挑戰(zhàn)是如何更好地利用這些軟件,以及由誰(shuí)使用。

“大約十年前,我們要說(shuō)服人們相信CFD 及仿真可以帶來(lái)價(jià)值。今天,CFD 已經(jīng)成為汽車(chē)行業(yè)中普遍使用的工具,應(yīng)用于整個(gè)汽車(chē)開(kāi)發(fā)流程的各個(gè)階段,”福特公司熱系統(tǒng)及空氣動(dòng)力系統(tǒng)工程以及計(jì)算機(jī)輔助工程主管Burkhard Hupertz 博士說(shuō)道。他所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)新車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)及動(dòng)力總成冷卻設(shè)計(jì)的虛擬優(yōu)化及驗(yàn)證工作。

一項(xiàng)成熟的技術(shù)一旦可以帶來(lái)可靠的結(jié)果就可以得到廣泛的應(yīng)用?！霸谲?chē)輛基本空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)及車(chē)輛外形及底部設(shè)計(jì)優(yōu)化方面所采用的方法已經(jīng)非常成熟了,”他說(shuō)道。因此,人們對(duì)CAE技術(shù)在開(kāi)發(fā)流程中所發(fā)揮的作用的期望也發(fā)生了巨大的改變。以前,CAE 主要用來(lái)評(píng)估設(shè)計(jì)提案的可行性?！敖裉?由于設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)量的大量增加,人們希望CAE 可以幫助推進(jìn)整個(gè)車(chē)輛的開(kāi)發(fā)流程?！盚upertz 說(shuō)道。

為了達(dá)到這個(gè)目的,福特公司正在制訂新的開(kāi)發(fā)流程——如何更好地通過(guò)CFD 軟件來(lái)確定車(chē)輛設(shè)計(jì)中最重要和最有依賴(lài)性的參數(shù)。Hupertz 認(rèn)為基于CAE 的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)是最佳的解決方案。DOE 可以讓工程師對(duì)大量的有關(guān)車(chē)輛造型和系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)參數(shù)的效果進(jìn)行深入探索。對(duì)如何利用幾百次的測(cè)試運(yùn)行有詳細(xì)規(guī)劃的優(yōu)化軟件包是關(guān)鍵。此外,還有一個(gè)關(guān)鍵因素是復(fù)雜的變形工具,可以幫助設(shè)計(jì)人員知道如何對(duì)車(chē)輛造型做出改進(jìn)。最后, “我們?cè)谟脩粲押媒缑娣矫嫱度肓舜罅烤?這樣設(shè)計(jì)人員和作圖人員就可以了解并直觀地理解空氣動(dòng)力學(xué)工程師想表達(dá)的意思,”Hupertz 表示。

新車(chē)型,新?lián)?

CFD/CAE 軟件開(kāi)發(fā)和解決方案供應(yīng)商CD-adapco 公司道路交通總監(jiān)Frederick Ross 指出,隨著CFD 軟件仿真技術(shù)的發(fā)展,其所服務(wù)的市場(chǎng)也在不斷發(fā)展和變化中。他認(rèn)為電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)相關(guān)技術(shù)都是目前非常重要的設(shè)計(jì)對(duì)象。能源使用和管理對(duì)電動(dòng)汽車(chē)和各種混合動(dòng)力車(chē)來(lái)說(shuō)都是非常重要的一項(xiàng)工作。有效的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)這些車(chē)輛來(lái)說(shuō)就意味著冷卻系統(tǒng)阻力、滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻(Cd)以及傳動(dòng)損失的減少?！叭藗?yōu)樘岣哕?chē)輛燃油經(jīng)濟(jì)性絞盡腦汁,事實(shí)上是包含了所有這些領(lǐng)域的一個(gè)整體工作?！彼f(shuō)道。

在這些分析中,系統(tǒng)仿真和彼此的交互與獨(dú)立的空氣動(dòng)力學(xué)分析相比較來(lái)說(shuō)更加重要。他舉例來(lái)說(shuō),2007 年,公司重新設(shè)計(jì)了STAR-CCM+ 代碼, 其目的是為了更容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)仿真的分析?！斑@才是實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)的推動(dòng)因素,而不僅僅是流體力學(xué),”Ross 解釋道。STAR-CCM+ 涵蓋機(jī)械張力、熱傳遞以及空氣聲學(xué),此外還有其他一些物理領(lǐng)域。STAR-CCM+ 還有一個(gè)耦合求解器,可以解決多個(gè)物理領(lǐng)域的問(wèn)題。

開(kāi)發(fā)流程本身是一個(gè)耦合系統(tǒng),包含風(fēng)洞測(cè)試和CFD 仿真?！敖裉焖写笮推?chē)制造商每天都針對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),”他說(shuō)道。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)采用近似模型,與仿真差不多,只不過(guò)模型不同而已。一旦原型和相關(guān)部件制作好,風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的結(jié)果更快。相比較來(lái)說(shuō),仿真可以進(jìn)行一些通過(guò)物理方式永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)測(cè)試。此外,仿真還可以對(duì)結(jié)果實(shí)現(xiàn)可視化, 而這些可能通過(guò)物理數(shù)據(jù)根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)。“這兩種方式形成了完美的互補(bǔ)?！盧oss 表示。

他還指出他的客戶提出需要更多的優(yōu)化解決方案, 可以最大化地利用他們所做的仿真。該公司不久前收購(gòu)了Red Cedar 公司,后者擁有一套產(chǎn)品,可以通過(guò)其專(zhuān)有的SHERPA 算法對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

在產(chǎn)品許可方面,考慮到一些用戶并不是一直有仿真的需求,CD-adapco 推出了Power-On-Demand 許可方式,每個(gè)案例并不限制軟件內(nèi)核的使用次數(shù)。而對(duì)優(yōu)化研究來(lái)說(shuō),客戶通常同時(shí)運(yùn)行多個(gè)仿真任務(wù)。針對(duì)這種需求,CD-adapco 公司的Power Tokens 產(chǎn)品可以讓用戶運(yùn)行一個(gè)大型仿真任務(wù),也可以運(yùn)行多個(gè)小的任務(wù)。

復(fù)雜性的處理

ESI 北美公司工程總監(jiān)Mark Doroudian 認(rèn)為計(jì)算能力的提升使高保真CFD 的應(yīng)用成為可能。“對(duì)車(chē)輛周?chē)胍舴抡鎭?lái)說(shuō),我們?cè)谂d趣區(qū)附近采用1-2mm 的網(wǎng)格單元尺寸,為了縮短周期時(shí)間,可以通過(guò)Linux 集群系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算,”他表示。而對(duì)車(chē)輛周?chē)牧黧w結(jié)構(gòu)仿真來(lái)說(shuō),網(wǎng)格劃分可以精確到5-10mm,最終模型可以包含8000 萬(wàn)個(gè)單元,甚至更多,而這對(duì)今天的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)也輕而易舉。

針對(duì)大多數(shù)車(chē)輛尺寸問(wèn)題,包括造型及引擎蓋內(nèi)流體力學(xué)仿真,ESI 通過(guò)OpenFOAM 軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。這是一款開(kāi)源CFD 求解器,由OpenCFD 公司創(chuàng)建,由OpenFOAM 基金會(huì)發(fā)布。OpenFOAM 采用有限體積法, 主要用于求解控制自然流動(dòng)的偏微分方程,如納維- 斯托克斯方程(Navier-Stokes equation)。Doroudian 指出汽車(chē)工程師采用OpenFOAM軟件用于多個(gè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā), 包括溫度控制、造型空氣動(dòng)力學(xué)、飛行引發(fā)震動(dòng)聲學(xué), 以及發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)系統(tǒng)開(kāi)發(fā),比如進(jìn)氣和排氣歧管設(shè)計(jì)及燃燒仿真。

高保真CFD 仿真之所以得到廣泛應(yīng)用,主要得益于計(jì)算機(jī)領(lǐng)域多核處理器計(jì)算能力的提高。用戶甚至開(kāi)始運(yùn)行那些涉及大量運(yùn)算、不穩(wěn)定且隨時(shí)間變化的流體力學(xué)設(shè)計(jì)方案。據(jù)Doroudian 表示,因?yàn)榇蠖鄶?shù)許可模型涉及的費(fèi)用與處理器的數(shù)量是成正比的,一些較大的問(wèn)題需要幾百個(gè)同步運(yùn)行的處理器,費(fèi)用往往非常昂貴。“這就是開(kāi)放源OpenFOAM 的好處所在,因?yàn)槭敲赓M(fèi)的,所以不管問(wèn)題有多大,你都可以自由地運(yùn)算。你還可以運(yùn)行幾千個(gè)處理器,也不會(huì)產(chǎn)生額外的許可費(fèi)用,”他解釋道。OpenFOAM 是ESI 集團(tuán)旗下全資子公司。

工作流程自動(dòng)化

Doroudian 還指出其汽車(chē)客戶更需要在工作流程方面的幫助,而不是更加先進(jìn)的物理特性?！八麄冃枰岣吖ぷ餍实姆椒?”他解釋道。這包含一系列的步驟,首先是發(fā)出有關(guān)CAD 模型的信息,為CAE 做好準(zhǔn)備。然后,用戶需要?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)格并在運(yùn)行之前對(duì)模型進(jìn)行預(yù)處理。最后一步是對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化。他表示其客戶對(duì)開(kāi)放源解決方案尤其偏好, 因此他們還提供了DAKOTA 優(yōu)化工具箱。這也是一種開(kāi)放源代碼,由桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā),提供許多有關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化、參數(shù)估計(jì)及敏感性分析等方面的分析方法。

Altair 公司在提高汽車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)開(kāi)發(fā)工作流程和周期時(shí)間方面采用了更加直接的方式,推出了HyperWorks 虛擬風(fēng)洞(VWT)解決方案。該軟件對(duì)工作流程進(jìn)行了簡(jiǎn)化,用于風(fēng)洞仿真。VWT 于2013 年10 月發(fā)布,基于Altair 公司的CFD 求解器AcuSolve,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)網(wǎng)格劃分,還可以自動(dòng)生成定制的結(jié)果報(bào)告。“該產(chǎn)品包含一些高級(jí)物理特性,比如旋轉(zhuǎn)輪胎、散熱器模擬和流體結(jié)構(gòu)交互等,” 該公司CFD 解決方案總監(jiān)Marc Ratzel 指出。用戶通過(guò)簡(jiǎn)單的GUI 界面準(zhǔn)備好模型和邊界條件,在經(jīng)過(guò)計(jì)算之后,VWT 生成PDF 報(bào)告。車(chē)輪、擾流板和散熱器需要進(jìn)行特定的仿真,還帶有鼠標(biāo)和虛擬模型瀏覽器。模型輸入為計(jì)算表面網(wǎng)格,以Nastran 格式定義。

VWT 的核心是Altair 公司的AcuSolve CFD 求解器。與許多其他CFD 代碼不同的是,該求解器采用有限元方式,而不是其他常見(jiàn)的有限體積技術(shù)。“有兩個(gè)關(guān)鍵因素確保了它的可靠性:Galerkin/Least- Squares(GLS)有限元方法,和獨(dú)特的、專(zhuān)利的線性方程迭代求解器,”Ratzel 解釋道。他認(rèn)為這兩個(gè)因素使AcuSolve 求解器更加精確和可靠,而且相對(duì)扭曲的單元可以達(dá)到完全收斂的效果,而這幫助縮短了網(wǎng)格創(chuàng)建的時(shí)間。“此外,它從計(jì)算方面來(lái)說(shuō)還更加穩(wěn)定,使用起來(lái)非常容易,周期時(shí)間也更短,”Ratzel 說(shuō)道。VWT 還可以與公司的HyperStudy 軟件結(jié)合使用。HyperStudy 允許用戶通過(guò)DOE 及優(yōu)化等方法對(duì)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)行探索、了解及優(yōu)化改進(jìn)。

據(jù)Ratzel 表示,Altair 未來(lái)還計(jì)劃進(jìn)一步改進(jìn)的領(lǐng)域包括更加集成的多物理場(chǎng)仿真、車(chē)廂內(nèi)聲學(xué)、兩相流動(dòng)以及更高的可擴(kuò)展性,使在上千個(gè)處理器內(nèi)核上進(jìn)行并行計(jì)算成為可能。

HyperWorks 采用按需許可的收費(fèi)方式。據(jù)該公司介紹,HyperWorks 的許可單位都是平行的,因此一個(gè)組織內(nèi)的用戶可以同時(shí)使用軟件而不用額外購(gòu)買(mǎi)席位或許可。

引擎蓋下應(yīng)用

保持系統(tǒng)獨(dú)特的視角也非常重要?！爱?dāng)我們看一些特殊的屬性比如燃油經(jīng)濟(jì)性或排放時(shí),法規(guī)就顯得非常重要,你需要平衡所有與設(shè)計(jì)相關(guān)的屬性,比如駕駛性以及乘客座艙舒適性,”Siemens PLM Software 仿真產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)Ravi Shankar 表示?！叭绻麑⑦@些屬性分開(kāi)看的話,不會(huì)有任何好處?！被谶@個(gè)想法,Siemens PLM Software 致力于打造一個(gè)集成的工具箱,將CAE 仿真工具與其N(xiāo)X CAD 軟件及Teamcenter PDM 平臺(tái)整合在一起。用戶可以使用一些專(zhuān)屬的工具,比如NX Flow 及NX Nastran,同時(shí)還可以使用一些常見(jiàn)的第三方軟件比如LS-Dyna 或Abaqus。他們這么做的重點(diǎn)是工作流程開(kāi)發(fā),盡可能高效地從CAD 過(guò)渡到工作分析模型。

“NX Thermal/Flow 包含域分解技術(shù),可以用于大型模型的求解,同時(shí)采用了具有經(jīng)濟(jì)性的許可方案,可用于并行計(jì)算,”Shankar 解釋道。

Shankar 還指出,西門(mén)子軟件支持的大部分CFD 應(yīng)用都是動(dòng)力總成領(lǐng)域的典型問(wèn)題,比如引擎蓋下冷卻優(yōu) 化及進(jìn)排氣歧管流場(chǎng)平衡等,這些問(wèn)題都要求軟件有先進(jìn)的三維表面繪測(cè)功能,來(lái)確定產(chǎn)品最合適的幾何外形。

其中一個(gè)客戶就是通用汽車(chē)旗下的先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì) 部門(mén)(Advanced Engine Design)。該部門(mén)設(shè)計(jì)技術(shù)總監(jiān)Rod Baker 稱(chēng),CAD 和CAE 的集成可以讓他們將分析工具直接交到產(chǎn)品設(shè)計(jì)師的手中?！斑@對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一種新的嘗試,我們發(fā)現(xiàn)流體仿真是進(jìn)行方向比較的有力工具,”他解釋道。這些產(chǎn)品工程師通過(guò)這樣的工具來(lái)確定某個(gè)具體的設(shè)計(jì)是否合理,之后的迭代是否可以提高產(chǎn)品的性能,又或者某個(gè)更改是否會(huì)影響產(chǎn)品的性能而需要被舍棄?！搬槍?duì)一些設(shè)計(jì),我們有時(shí)候可能要對(duì)某個(gè)零部件的形狀進(jìn)行30 到40 次的迭代,”他解釋道。采用這種方式的工作效率甚至要高于專(zhuān)門(mén)的CAE 分析師。

通用公司在一個(gè)單獨(dú)的CAE 部門(mén)依然有一些這樣的分析師,但是一些特定的模板可以幫助設(shè)計(jì)師來(lái)建立并執(zhí)行流體仿真。這種方式大大提高了CAE 針對(duì)流體仿真(用于指導(dǎo)早期設(shè)計(jì)方案)的易用性?！拔覀冞€是會(huì)征求這些分析師的意見(jiàn),來(lái)做一些驗(yàn)證試驗(yàn),”Baker 說(shuō)道。他還指出模板對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)起到了一個(gè)入門(mén)工具的作用,給他們學(xué)習(xí)如何使用NX流體仿真軟件的機(jī)會(huì)。“一旦他們知道了怎么用,我們發(fā)現(xiàn)他們會(huì)觸類(lèi)旁通,很快就可以自己進(jìn)行模型的建立。”這些模板可以讓他們自主地學(xué)習(xí)軟件的使用方法,而不用通過(guò)專(zhuān)門(mén)的培訓(xùn)方式來(lái)學(xué)習(xí)。

Baker 還指出了關(guān)鍵的一點(diǎn):幾何形狀的優(yōu)化是完全手動(dòng)的。設(shè)計(jì)師在流場(chǎng)分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,根據(jù)自己的技能和經(jīng)驗(yàn)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整,逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)幾何形狀的優(yōu)化。

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