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同步CFD分析方法加速汽车设计

作者:Simwe    来源:明导电子    发布时间:2012-10-17    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

摘要

计算流体力学(CFD)分析软件的一个新种类“同步CFD”被证明在分析热、流体和气体流动状况方面效率非常高,帮助工程师在没有CFD 专家的情况,在他们的工作台上就能作出关键的设计决定。这种非常直观的集成在M
CAD 环境中的流程,帮助设计工程师在多种汽车部件和系统如加热系统、冷却系统、油路系统、刹车系统、排气系统、车身板件等等产品的设计早期优化设计,降低制造成本。

传统和前端CFD 方法在使用上复杂、操作不灵活、或操作耗时,然而使用同步CFD 技术,结构设计团队可以加快设计流程,提高设计效率,减少设计返工,以此提高利润。本文包含了Mentor Graphcis 公司同步CFD 技术在汽车设计方面的两个案例。

众所周知,CFD(计算流体动力)形式的计算机模拟/虚拟模型技术,极大地降低了产品成本,加快了产品上市时间。然而,许多经营者尚未意识到软件的进步正使得小型和中型企业更易获取利润。多亏了诸如FloEFD(工程流体动力)这一类软件,我们无需再雇用或培训CFD 专家,外包分析给咨询公司,或对多个物理原型进行测试。如今在任何规模的公司,接受过一般培训的设计工程师都能够运用其现有的知识成功地进行流体流动和热分析,从而极大减少了所需原型的数量。

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实现这一突破是因为FloEFD 简化了建立和运行流体流动或热分析的过程。当然,在一些要求高的应用中需要先进的专业知识,调整CFD 网格划分和求解设置以便通过收敛求解。然而,我们的经验表明:利用现有知识,设计工程师无需特殊CFD 方面的培训,可以解决他们遇到的分析工作的80%-90%。这使得CFD 不再局限于专家领域,成为主流趋势,代表了设计过程中的根本性变化。正如CAD 从二维转向三维需要思维的飞跃,FloEFD 也是如此——而且结果也许更重要。

基于这些因素,CFD 的应用范围得到了极大的扩展。虽然汽车工业中的许多经营者可能认为流体流动分析是专门用来研究汽车外观的气体流动,但这实际上只是FloEFD 应用的开始。另一个可能想到的显著应用是研究阀内流体以确定阀的尺寸。然而,FloEFD 正用于优化设计和制造各种各样的零件,如泵、制动系统、过滤器、燃料电池、集合管、车灯车管、变速器和其他许多组件。值得注意的是,装置或加工过程中的热传导,不可避免地受流体流动效应的影响,因此,FloEFD 同样善于分析各种尺寸部件和系统的热效应。

仿真和模拟的目的是检查和确定新产品相关的重要设计决策,并尽量在设计的早期执行这些步骤。当处理的产品复杂度高时,这样做尤为关键。大多数汽车相关产品都被认为是复杂或较为复杂的产品。一个系统可能包含上千个单一零件。研发时间根据终端产品的复杂度,从数周到数年不等,而每一天,都意味着成本上升。图1 描述不同复杂度产品样机所需的时间和成本。请注意,这并不是一个完整的项目时间表,只不过是制造样机的部分。

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图 1:制造物理样机的成本。资料来源:Aberdeen Group 调研

看完图 1 后,结论就是物理样机实在昂贵。所以最优秀的公司都努力用虚拟样品来替代物理样品。这是实际市场研究所证实了的事实。

FloEFD 仅为一个项目就可能省下数百万一个工程团队采购任何硬件或软件的最低限度是:可以节省我的时间和金钱吗?FloEFD 软件包,一般而言,获得永久许可证的成本在其第一个所应用的项目中就可以收回,然后逐年赚取利润。

对于上述时间和成本论令人信服的证据是由Aberdeen Group 进行的一项研究(工程决策支持:驱使做出更好的产品决定和加快产品推向市场的速度)。这项研究首次通过几大关键绩效指标对190 家公司进行比较,这些指标同满足成本/收入目标和确定产品推出日期相关,然后将其研究的公司分为三组:“最顶尖的”、“行业平均水平”和“落伍者”。

表 1 少1.1 个物理模型情况下所节省的时间和成本表
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资料来源: Aberdeen Group, 2007

表 1:Aberdeen Group 的研究表明: 使用的物理原型越少,尽可能使用软件中的虚拟模型,则可以极大地节省时间和金钱。

毫无疑问,行业先驱所采取的策略是尽可能地用虚拟模型替代物理原型。这些行业先驱采用的虚拟模型为平均7.3 个,而落后者只有2.8 个。下表格是少1.1 个物理模型情况下所节省的时间和成本。根据产品的复杂性和虚拟模型数,落伍者需要更多的物理原型。行业先驱平均物理模型为2.7 个,而落后者为3.8 个,如表1 显示:对于低复杂度的产品来说,节省的成本接近于一万美元;而对于高复杂度的产品来说,节省值超过一百万美元。几十年来,工程师和数学家一直试图通过计算流体力学(CFD)仿真,增强对流体力学和热传现象的理解与预测。目标是明确的—— 由此优化涉及到流体流动方面的产品设计和流程, 将物理实验的需求将到最低,最大限度减少时间,降低成本。

财政收益同样延长了产品的使用寿命。正如Autosim 财团(由欧洲委员会资助的项目)声明的那样,晚上市六个月的产品,与准时上市相比,即使已纳入财政预算,也会在五年内平均减少33%的收入。而且,正如表1 所示,只要减少一个物理原型,开发周期就可以减少14 天到100 多天。

如今,关键信息就是几乎所有的设计工程团队都可以做到节省这些时间和成本。

FloEFD 推动CFD 成为主流工程设计工具

任何一个工程团队都可以使用电脑模拟工程系统,而且下面的概念也无新的变化。数世纪以来,科学家使用数学模型描述我们的世界。牛顿与莱布尼兹分别发展了不同的微积分学以便将动力加入到模型中。事实上,利用一个相对简洁的模型,牛顿预测了行星轨道。该壮举具有革命性意义。它甚至挑战了人类对宇宙的看法。以后的几十年以及几世纪,研究员发现了描述不管是机械、机构、化学甚至整个电磁波领域的各种物理现象的公式。对于流体或者气体的流动,最基本的关系是最初于19 世纪早期提出的Navier-Stokes 方程。尽管由于现实问题非常复杂,Navier-Stokes 方程的作用有限,它很难找到一个解析解法,所以找到利用粗略近似数值方法变得必要,这就有了现在我们熟悉的计算流体动力学。

只有在 20 世纪50 年代,随着计算机的出现,CFD研究才真正开始,但研究基于研究员开发和编写的程序,即我们熟知的编码,一般在学术界或政府支持的项目上。这些程序一般是专为单个案例编写的。直到20 世纪80 年代,商业程序开始出现,CFD 使用面扩大,但这些程序需要专业人士操作,他们必须了解正确设置软件的技巧比如获取好的网格、选择最好的求解和调整操作等。尽管如此,利用这些软件包,如果工程师能够定义几何模型,确定物理条件和描述一些初参数,他们仍可以模拟流场。

之前的软件版本开始广泛应用于解决商业CFD 软件的各种问题,软件供应商在过去的10 来年致力于提高网格工具和求解器。接下来,即就是现在正在进行的步骤是平衡这些改进,取得新的突破,因而有了FloEFD(工程流体动力学)软件的问世,这一步骤的重要性如同第一次将商业软件介绍给世人。

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操作 FloEFD 软件所需的技能仅为CAD 系统的知识和产品物理知识,
绝大部分设计工程师已经掌握了这两方面知识

此处的关键字是”工程”——该软件是专为日常的设计工程师而非专家设计。它移除了CFD 主流使用的所有障碍。直到目前为止,最大障碍是传统的CFD 软件要求用户对计算流体动力方面有很深的认识,以便求得准确结果。相比之下,FloEFD 的突破性优势包括其使用本地三维CAD 数据,自动定义流动空间和为其生成栅状网格,以及管理基于对象特征的流动参数——所有这些综合在一起,通过方便的向导指示进行处理,工程师无需了解CFD 的计算部分。相反,他们可以专注于产品的流体动力性,这已成为了他们职责的一部分,因为对此他们都是训练有素和经验丰富的。使用FloEFD 软件所需的技能只是要了解CAD 系统和产品物理性,而绝大多数的设计工程师都已经具备这两项技能。

区分 FloEFD 的一重要方面在于它无缝集成于工程师所熟悉的机械CAD 软件包。安装FloEFD 软件后,所有需运行流动或热分析的菜单和命令都集成于CAD 软件包。FloEFD 将CAD 和CFD 两者的功能紧密结合(见图1),其拥有的几大主要优势在于:

• 工程师无需从CAD 环境中将文件输出至分析软件包,并花时间去建立“已准备就绪的CFD”几何模型,这一过程所耗费的时间如果不是几天就是几小时。相反,FloEFD 利用工程师在机械CAD 软件包生成的同一几何模型,包括对模型的任何修改,都自动导入至FloEFD 分析。

• FloEFD 软件自动判定您所感兴趣的流体区域,而传统的CFD 软件需要用户自己定义其感兴趣的计算区域。

• FloEFD 软件清楚地设立、运行网格划分和求解。CFD 过于讨巧各方,它提供了广泛的选择,但大多数情况下并不需要。而FloEFD 软件能自动选择适合的求解结果,设置求解方式以得出解决方案。工程师也不必担心如何确定流动特性改变的时间和地点,因为FloEFD 支持层流-过渡-湍流模拟。

• 只需设置一次边界条件,由于操作环境统一,对应于几何形状,这些参数保持不变,除非工程师对其进行修改。

• 同样 FloEFD 加快了迭代设计过程;工程师能快速、轻易地将所学知识运用于分析和改进设计中。使用传统的CFD 软件,每次几何形状产生变化后,都必须重新生成网格,这通常涉及到耗费时间的手动介入。相比之下,当几何形状产生变化,FloEFD 软件立即运行,自动生成新的网格,在先前定义的边界条件下工作。因此,从变化的几何形状到运行求解和检验结果,完成这一步骤的速度大大加快。

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总的来说,由于将CAD 和CFD 两者功能紧密结合,FloEFD 使得工作流程明显加快,运行分析时无需再执行好些人工设置的步骤。

 
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