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同步 CFD 分析方法加速汽车设计

2019-02-21 21:25:25·  来源：海基科技  
　
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。今天就介绍一款软件功能齐全的通用CFD工具。该软件
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。今天就介绍一款软件功能齐全的通用CFD工具。 
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。
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。
图2：在 Pro/ENGINEER Wildfire环境下对进气管进行流体流动分析
——FloEFD 软件能够分析物理设计的变化
处于概念阶段的时候，制造商通过 FloEFD 进行模拟仿真，使得他们能探讨设计方案，发现设计缺陷，优化产品性能，然后开始详细设计或生成物理模型。FloEFD 支持“what-if”分析。工程师不必重新加载、确定边界条件和材料特性，就能修改实体模型。该软件还有助于进行参数分析，比如，对同一阀中各管壁的厚度进行多次分析，以确定最佳厚度。
Vehicle Turbo
Vehicle Ventilation
直到最近，行业优秀企业却发现 FloEFD 所带来的巨大利益远远超出传统应用范围，诸如空气动力学。仅仅在汽车工业中，工程师就已使用 FloEFD 软件设计下列产品和工艺，其中包括： 燃料喷射器、散热器、催化转换器、排气和排放控制系统、歧管、阀门、喷嘴、水泵和各种液压系统
■通风罩下气流和散热管理
■乘客舒适度和环境控制系统
■水套、发动机机体和气缸内的冷却液流量
■电子冷却系统，制动系统，动力传动元件和头灯等
■热交换器和散热器的性能
■通过过滤器的流量和压力降
■燃料电池性能
■整个车辆或诸如后视镜、挡风玻璃刮水器、扰流器等部件的空气动力性
该份列表清楚地表明，FloEFD 在汽车制造业以外的众多行业中仍十分有用。
用户案例：VENTREX 汽车：节省 50 个模型，上市时间提前四个月
正如早前在白皮书中解释的那样，运行虚拟样机而不是制造物理模型能极大地节省时间和成本。这显然是位于奥地利格拉茨的 Ventrex 汽车有限公司的经验之谈。该公司为所有主要汽车制造商供应压缩机和空气调节阀。
近来的挑战是研发适合新型二氧化碳制冷剂的阀门，其取代了那些适于氢氟碳化合物的阀门。这些新流体在7倍乃至 10 倍更高压力下运行，许多空调系统的部件诸如用于系统排气和进气的阀门需要重新设计，FloEFD 的关键优势在于它能仿真新设计中的压力降而无需建立真实物理模型，它还能提供诊断信息，如流场内每点的流速和流场，使得工程师能够确定最优设计。
图3： Ventrex 汽车有限公司阀门生产情况。FloEFD 软件加速新阀门上市时间达4个月
Ventrex 长期以来一直使用 CATIA，因此他们选择 FloEFD V5，可直接嵌入 CAD 环境中。不是将模型留在了CAD 软件中，Ventrex 工程师只要执行菜单选择，就将 CATIA 中的数据导入到了 FloEFD 中进行模拟，自动确定阀内有流体流动的空隙所在之处，工程师仅需指定边界条件以及该边界条件下的进口和出口压力。该公司的项目经理表示：“几小时内，我们就对初步的概念设计有了完整的模拟，并能够集中精力去改善它。”结果是“嵌入 CAD 的 CFD 软件，其确定仿真结果几乎同我们改变设计的速度一致。我们能够将新型二氧化碳阀的流速提高 15%，同时几乎减少 50 个模型，上市时间提前四个月。
用户案例：MINIATURE PRECISION COMPONENTS： 快速评估 12 个设计方案。
在汽车和商业行业中，全球公认的居于领先地位的创新设计和世界一流热塑性零件生产商——Miniature Precision Components（MPC）公司，其提供功能化热塑性注射、挤压和吸气式吹塑成型配件/辅助配件。MPC总部设在美国 Wisconsin 的 Walworth, 公司拥有约 1500 名员工。
生产零排放车辆这一长期性任务的过渡性步骤是生产由电力或氢燃料电池所驱动的车辆，在美国几个大洲中，允许发放牌照给继续使用汽油发动机的部分零排放车辆（PZEVs）。为了符合 PZEV 资格，车辆必须满足“超低排放车辆”的标准，其燃料系统实现零蒸发排放物。PZEV 主要特点是车辆在进气口对氢氟碳化合物进行密封，以防止发动机停止后含杂质氢氟碳化合物发生泄漏——它必须这样做，以避免空气进入发动机引起背压明显增加。因为背压增加将对燃料效率和性能产生不利影响。
在竞争激烈的氢氟碳化合物密封装置设计中，MPC 公司的工程师从物理设计生成 CATIA 模型开始。他们先分析各种基于经验形成的初步模型。使用 FloEFD V5 软件来分析很简易，仅需定义边界条件和运行流动分析。很快他们便发现采用 5 个辐条的模型得到的背压最低，但还是不够低。然后工程师数十次修改 5 个辐条的设计，每次均改变了辐条的几何形状和碳元素间距。负责该项目的工程师表示：“最终，我至少能够在该软件中实现背压目标。我们建立快速模型，并根据 CFD 预测发现背压处于 0.1 英寸水中最低。”
 
 
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