汽車開發(fā)中的空氣動力學(xué)及流體力學(xué)仿真

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

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

“大約十年前,我們要說服人們相信CFD 及仿真可以帶來價值。今天,CFD 已經(jīng)成為汽車行業(yè)中普遍使用的工具,應(yīng)用于整個汽車開發(fā)流程的各個階段,”福特公司熱系統(tǒng)及空氣動力系統(tǒng)工程以及計算機輔助工程主管Burkhard Hupertz 博士說道。他所領(lǐng)導(dǎo)的團隊主要負責(zé)新車空氣動力學(xué)及動力總成冷卻設(shè)計的虛擬優(yōu)化及驗證工作。

一項成熟的技術(shù)一旦可以帶來可靠的結(jié)果就可以得到廣泛的應(yīng)用?！霸谲囕v基本空氣動力學(xué)設(shè)計及車輛外形及底部設(shè)計優(yōu)化方面所采用的方法已經(jīng)非常成熟了,”他說道。因此,人們對CAE技術(shù)在開發(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 主要用來評估設(shè)計提案的可行性?！敖裉?由于設(shè)計參數(shù)數(shù)量的大量增加,人們希望CAE 可以幫助推進整個車輛的開發(fā)流程。”Hupertz 說道。

為了達到這個目的,福特公司正在制訂新的開發(fā)流程——如何更好地通過CFD 軟件來確定車輛設(shè)計中最重要和最有依賴性的參數(shù)。Hupertz 認為基于CAE 的實驗設(shè)計(DOE)是最佳的解決方案。DOE 可以讓工程師對大量的有關(guān)車輛造型和系統(tǒng)性能的設(shè)計參數(shù)的效果進行深入探索。對如何利用幾百次的測試運行有詳細規(guī)劃的優(yōu)化軟件包是關(guān)鍵。此外,還有一個關(guān)鍵因素是復(fù)雜的變形工具,可以幫助設(shè)計人員知道如何對車輛造型做出改進。最后, “我們在用戶友好界面方面投入了大量精力,這樣設(shè)計人員和作圖人員就可以了解并直觀地理解空氣動力學(xué)工程師想表達的意思,”Hupertz 表示。

新車型,新?lián)?

CFD/CAE 軟件開發(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)的市場也在不斷發(fā)展和變化中。他認為電動汽車和電動汽車相關(guān)技術(shù)都是目前非常重要的設(shè)計對象。能源使用和管理對電動汽車和各種混合動力車來說都是非常重要的一項工作。有效的空氣動力學(xué)設(shè)計對這些車輛來說就意味著冷卻系統(tǒng)阻力、滾動阻力、風(fēng)阻(Cd)以及傳動損失的減少?！叭藗?yōu)樘岣哕囕v燃油經(jīng)濟性絞盡腦汁,事實上是包含了所有這些領(lǐng)域的一個整體工作。”他說道。

在這些分析中,系統(tǒng)仿真和彼此的交互與獨立的空氣動力學(xué)分析相比較來說更加重要。他舉例來說,2007 年,公司重新設(shè)計了STAR-CCM+ 代碼, 其目的是為了更容易地實現(xiàn)對系統(tǒng)仿真的分析?！斑@才是實現(xiàn)最佳設(shè)計的推動因素,而不僅僅是流體力學(xué),”Ross 解釋道。STAR-CCM+ 涵蓋機械張力、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+ 還有一個耦合求解器,可以解決多個物理領(lǐng)域的問題。

開發(fā)流程本身是一個耦合系統(tǒng),包含風(fēng)洞測試和CFD 仿真。“今天所有大型汽車制造商每天都針對空氣動力學(xué)進行仿真和風(fēng)洞實驗,”他說道。風(fēng)洞實驗采用近似模型,與仿真差不多,只不過模型不同而已。一旦原型和相關(guān)部件制作好,風(fēng)洞實驗產(chǎn)生的結(jié)果更快。相比較來說,仿真可以進行一些通過物理方式永遠無法實現(xiàn)的設(shè)計測試。此外,仿真還可以對結(jié)果實現(xiàn)可視化, 而這些可能通過物理數(shù)據(jù)根本無法實現(xiàn)。“這兩種方式形成了完美的互補。”Ross 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。該公司不久前收購了Red Cedar 公司,后者擁有一套產(chǎn)品,可以通過其專有的SHERPA 算法對設(shè)計進行優(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,每個案例并不限制軟件內(nèi)核的使用次數(shù)。而對優(yōu)化研究來說,客戶通常同時運行多個仿真任務(wù)。針對這種需求,CD-adapco 公司的Power Tokens 產(chǎn)品可以讓用戶運行一個大型仿真任務(wù),也可以運行多個小的任務(wù)。

復(fù)雜性的處理

ESI 北美公司工程總監(jiān)Mark Doroudian 認為計算能力的提升使高保真CFD 的應(yīng)用成為可能。“對車輛周圍噪音仿真來說,我們在興趣區(qū)附近采用1-2mm 的網(wǎng)格單元尺寸,為了縮短周期時間,可以通過Linux 集群系統(tǒng)進行計算,”他表示。而對車輛周圍的流體結(jié)構(gòu)仿真來說,網(wǎng)格劃分可以精確到5-10mm,最終模型可以包含8000 萬個單元,甚至更多,而這對今天的計算機來說也輕而易舉。

針對大多數(shù)車輛尺寸問題,包括造型及引擎蓋內(nèi)流體力學(xué)仿真,ESI 通過OpenFOAM 軟件來實現(xiàn)。這是一款開源CFD 求解器,由OpenCFD 公司創(chuàng)建,由OpenFOAM 基金會發(fā)布。OpenFOAM 采用有限體積法, 主要用于求解控制自然流動的偏微分方程,如納維- 斯托克斯方程(Navier-Stokes equation)。Doroudian 指出汽車工程師采用OpenFOAM軟件用于多個系統(tǒng)的開發(fā), 包括溫度控制、造型空氣動力學(xué)、飛行引發(fā)震動聲學(xué), 以及發(fā)動機相關(guān)系統(tǒng)開發(fā),比如進氣和排氣歧管設(shè)計及燃燒仿真。

高保真CFD 仿真之所以得到廣泛應(yīng)用,主要得益于計算機領(lǐng)域多核處理器計算能力的提高。用戶甚至開始運行那些涉及大量運算、不穩(wěn)定且隨時間變化的流體力學(xué)設(shè)計方案。據(jù)Doroudian 表示,因為大多數(shù)許可模型涉及的費用與處理器的數(shù)量是成正比的,一些較大的問題需要幾百個同步運行的處理器,費用往往非常昂貴。“這就是開放源OpenFOAM 的好處所在,因為是免費的,所以不管問題有多大,你都可以自由地運算。你還可以運行幾千個處理器,也不會產(chǎn)生額外的許可費用,”他解釋道。OpenFOAM 是ESI 集團旗下全資子公司。

工作流程自動化

Doroudian 還指出其汽車客戶更需要在工作流程方面的幫助,而不是更加先進的物理特性。“他們需要提高工作效率的方法,”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 做好準備。然后,用戶需要創(chuàng)建網(wǎng)格并在運行之前對模型進行預(yù)處理。最后一步是對結(jié)果進行可視化。他表示其客戶對開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。這也是一種開放源代碼,由桑迪亞國家實驗室開發(fā),提供許多有關(guān)設(shè)計優(yōu)化、參數(shù)估計及敏感性分析等方面的分析方法。

Altair 公司在提高汽車空氣動力學(xué)開發(fā)工作流程和周期時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。該軟件對工作流程進行了簡化,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,可以實現(xiàn)自動網(wǎng)格劃分,還可以自動生成定制的結(jié)果報告?！霸摦a(chǎn)品包含一些高級物理特性,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。用戶通過簡單的GUI 界面準備好模型和邊界條件,在經(jīng)過計算之后,VWT 生成PDF 報告。車輪、擾流板和散熱器需要進行特定的仿真,還帶有鼠標和虛擬模型瀏覽器。模型輸入為計算表面網(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,而不是其他常見的有限體積技術(shù)?！坝袃蓚€關(guān)鍵因素確保了它的可靠性:Galerkin/Least- Squares(GLS)有限元方法,和獨特的、專利的線性方程迭代求解器,”Ratzel 解釋道。他認為這兩個因素使AcuSolve 求解器更加精確和可靠,而且相對扭曲的單元可以達到完全收斂的效果,而這幫助縮短了網(wǎng)格創(chuàng)建的時間?！按送?它從計算方面來說還更加穩(wěn)定,使用起來非常容易,周期時間也更短,”Ratzel 說道。VWT 還可以與公司的HyperStudy 軟件結(jié)合使用。HyperStudy 允許用戶通過DOE 及優(yōu)化等方法對其系統(tǒng)設(shè)計進行探索、了解及優(yōu)化改進。

據(jù)Ratzel 表示,Altair 未來還計劃進一步改進的領(lǐng)域包括更加集成的多物理場仿真、車廂內(nèi)聲學(xué)、兩相流動以及更高的可擴展性,使在上千個處理器內(nèi)核上進行并行計算成為可能。

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

引擎蓋下應(yīng)用

保持系統(tǒng)獨特的視角也非常重要。“當我們看一些特殊的屬性比如燃油經(jīng)濟性或排放時,法規(guī)就顯得非常重要,你需要平衡所有與設(shè)計相關(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)品市場總監(jiān)Ravi Shankar 表示?！叭绻麑⑦@些屬性分開看的話,不會有任何好處?！被谶@個想法,Siemens PLM Software 致力于打造一個集成的工具箱,將CAE 仿真工具與其NX CAD 軟件及Teamcenter PDM 平臺整合在一起。用戶可以使用一些專屬的工具,比如NX Flow 及NX Nastran,同時還可以使用一些常見的第三方軟件比如LS-Dyna 或Abaqus。他們這么做的重點是工作流程開發(fā),盡可能高效地從CAD 過渡到工作分析模型。

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

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

其中一個客戶就是通用汽車旗下的先進發(fā)動機設(shè)計部門(Advanced Engine Design)。該部門設(shè)計技術(shù)總監(jiān)Rod Baker 稱,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)計師的手中。“這對我們來說是一種新的嘗試,我們發(fā)現(xiàn)流體仿真是進行方向比較的有力工具,”他解釋道。這些產(chǎn)品工程師通過這樣的工具來確定某個具體的設(shè)計是否合理,之后的迭代是否可以提高產(chǎn)品的性能,又或者某個更改是否會影響產(chǎn)品的性能而需要被舍棄。“針對一些設(shè)計,我們有時候可能要對某個零部件的形狀進行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門的CAE 分析師。

通用公司在一個單獨的CAE 部門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)計師來建立并執(zhí)行流體仿真。這種方式大大提高了CAE 針對流體仿真(用于指導(dǎo)早期設(shè)計方案)的易用性?！拔覀冞€是會征求這些分析師的意見,來做一些驗證試驗,”Baker 說道。他還指出模板對產(chǎn)品設(shè)計師來說起到了一個入門工具的作用,給他們學(xué)習(xí)如何使用NX流體仿真軟件的機會?！耙坏┧麄冎懒嗽趺从?我們發(fā)現(xiàn)他們會觸類旁通,很快就可以自己進行模型的建立?！边@些模板可以讓他們自主地學(xué)習(xí)軟件的使用方法,而不用通過專門的培訓(xùn)方式來學(xué)習(xí)。

Baker 還指出了關(guān)鍵的一點:幾何形狀的優(yōu)化是完全手動的。設(shè)計師在流場分析結(jié)果的基礎(chǔ)上,根據(jù)自己的技能和經(jīng)驗對設(shè)計進行調(diào)整,逐步實現(xiàn)對幾何形狀的優(yōu)化。

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