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基于ANSYS CFD的自行车设计

2015/12/14    来源:ANSYS    作者:David Higgins  Larisa Marsh      
关键字:ANSYS CFD  设计  仿真  
本文介绍了Avanti Bikes采用ANSYS提供的流体动力学软件进行自行车的开发,其中设计的一款竞赛自行车还赢得英联邦运动会金牌和新西兰铁人三项赛的冠军。

    Chrono Evo II和Pista Evo II是Avanti Bikes目前速度最快的竞速自行车,驰骋于各种分秒必争的自行车赛事中。在2010年举办的英联邦运动会上,Alison Shanks骑乘Avanti赛车勇夺女子3000米个人追逐赛金牌;Cameron Brown则凭借Avanti赛车的优异性能夺得2011年新西兰铁人三项赛冠军。该项目不仅获得新西兰最优设计最高奖,还荣获备受瞩目的2012年国际红点设计大奖。

 用于计时赛或铁人赛(Chrono)和赛道赛(Pista)的比赛自行车均采用ANSYS提供的流体动力学软件开发而成。为设计这两款自行车,Dynamic Sports Engineering(DSE)的工程师首先使用ANSYS CFD-Flo计算流体动力学(CFD)软件优化单个部件的空气动力学特性,比如头管、前叉、中轴和座撑。接着工程人员将各个部件组成完整结构,进行系统仿真,测试自行车整体在负20度到正20度侧风条件下的空气动力性能。工程人员手动完成一系列设计的测试工作,最终得到一个最优解决方案,可以使阻力降低20%左右(与之前的型号相比)。阻力的下降可以使赛手在一小时的比赛中节省大约一分钟的时间。

图1 Avanti开发的Chrono Evo II

图1 Avanti开发的Chrono Evo II

业界领先的竞赛自行车制造商

 Avanti在1985年发布自己的首款自行车,现在提供的型号超过110款,主要在新西兰和澳大利亚销售。Avanti与新西兰一家当时只有两名工程师的小型工程咨询公司DSE达成协议,DSE公司帮助Avanti从空气动力学角度设计新自行车。DSE的创始人David Higgins从那时起就开始为Avanti公司工作。

 DSE的工程师使用CFD-Flo软件。这是一种产品设计专用软件,并得到ANSYS CFX的支持。该软件能直接用Pro/ENGINEER®中完成的自行车初始设计。向导功能可以引导工程师完成包括边界条件规范在内的仿真物理设置,并验证是否已经输入全部必要信息。CFDFlo软件采用先进的技术,具有运行时间短,项目周转快的特点,可以通过ANSYS Workbench环境高效地将CFD集成到设计流程中。

 DSE按照自行车不同部件接触空气流的近似顺序,逐一对这些部件的空气动力学属性进行研究。国际自行车联盟是自行车比赛运动的主管机构,规定车架管材的长度不得大于宽度的三倍,最大深度80毫米,最小宽度25毫米。车架由两个相接的三角框构成,一个朝向自行车的前方,一个朝向自行车的后方。计时赛/铁人赛自行车与赛道自行车的区别在于:前者针对典型的户外有风条件设计,而后者则针对室内无风条件而设计。

前叉和前部连接设计

 为构建叉腿,该公司首先对一种专用的前叉设计进行评估。这种设计包含成对的翼面结构。可将气流导离车轮。但在实际情况下,Avanti Pista等赛道赛车采用的是碟形车轮,需要将气流附着在车轮的后侧(让气流包住车轮)。因此,工程师认为这并不是理想的自行车前叉设计方案。接下来,工程师决定使用常规的前叉,并在多个不同气流角度条件下对不同的前叉深度和宽度进行评估,最终将最佳角度确定为正10度左右。根据这项研究结果,该公司开发出了一系列新的前叉设计。最新前叉设计的单独阻力仅为27克力,而前面提到的专用前叉设计的阻力是36克力,从这个角度来说,这是最先进的前叉设计。

图2 前叉喷射流

图2 前叉喷射流

责任编辑:吴星星
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