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仿真驱动产品优化设计及创新:以整车及热管理仿真分析为例

2016/12/23    来源:e-works    作者:e-works整理      
关键字:产品创新  仿真  热管理  
2016年12月1-2日,以“智能制造时代的产品创新变革”为主题的2016年(第十二届)产品创新数字化国际峰会在长沙成功举办,会议上CD-adapco中国工程咨询经理刘佳兴发表了题为《仿真驱动产品优化设计及创新-以整车及热管理仿真分析为例》的演讲,本文根据演讲内容整理而成。
CD-adapco中国工程咨询经理 刘佳兴
CD-adapco中国工程咨询经理 刘佳兴
 
    我来自于CD-adapco中国,今天与各位分享仿真驱动设计领域的热门话题——整车热管理。SpaceX、特斯拉汽车及PayPal三家公司的创始人埃隆•马斯克曾说过:“任何在技术上固步自封的公司都将被竞争者超越”,由此可见只有不断的创新产品,才能实现企业的蓬勃发展,保证企业不断的前进。
 
产品创新
 
    汽车在热管理方面,可以借由翅片、风扇、开口等方式来进行散热。但是汽车“裸身”的时候,灰尘跟湿气会进入车厢里。这样虽然达到了最佳的散热效果,却会产生加速氧化、老化等问题,因此,必须在汽车外面加装一个机壳。加装机壳的同时,需要确定机壳的散热孔位置分布,这个位置的确定可以借由数字仿真分析来解决,而无需重复进行样机试验。

    我们公司所提供的全面探索方法跟传统的试验设计法截然不同,传统试验设计法成本高周期长,且操作繁琐。而全面探索法在设计末端的时候,非常稳定,可以快速模拟最佳方案。改进后的设计可以大幅减轻汽车重量的同时,提高散热能力,这提升了公司的产品竞争力。

    从产品分析的流程来看,首先是建立模型,然后是仿真,最后是探索、优化。从工程师角度来看,如果工程师需要在前期耗费大量时间进行建模,重复同样的工作,就无法保留更多精力来进行后期优化这些更有价值的工作。工程师需要使用优质的工具,在减少前期工作量的同时在后期也发挥最大的功效。我们公司产品为什么能够达到这样的效果呢?第一,公司的产品注重不断创新,其中START-CCM+是目前最新型的软件之一;第二,产品授权非常方便快捷,能够应对不同状况发生;第三,我们产品有独一无二的技术支持。
 
    下面介绍一下公司软件的优点,公司旗舰产品是START-CCM+,它不仅仅是一个CFD求解器,更是一个完整的多学科平台,能够模拟真实条件下的产品和设计。该产品被广泛应用于汽车、航空航天、工程机械海洋船舶等行业的流体分析、传热分析、声学分析、电磁分析以及多物理场耦合分析。START-CCM+还可结合其他第三方软件,实现工作流程自动化。
 
    我们产品的授权非常灵活。例如单一授权,即买一种授权,可以使用硬件无限成立。通过一个授权可以在CPU为10万核的计算机上并行计算,如果CPU下降到6万核,那么并行效率是93%;如果CPU下降到1核左右,并行效率虽然下降了,但是还是可以达到75%。客户端可以自动到整个STEVE PORTAL去探索资料,每个客户有自己专属的工程师来做服务,当客户有问题,我们内部有一个经验分享库,可以在24小时内帮忙解决。
 
汽车工业CAE解决方案
 
    空气动力学
 
    一辆汽车工业演进从外到内是运用外观空气动力学。例如,买一部汽车,我们会关注这辆车三个方面的数据。第一个方面是耗油量,即汽车的风阻系数;第二个方面是抗撞能量;第三个方面是内装,例如内装选择安装皮质车套或者电动车门,这些属于电装设备的选择。
 
    空气动力学是以一个产品研发阶段的前端整个初期设计到后端的车辆产品。刚开始在产品研发阶段放入零件数量比较少,但是越到后面放入零件数越来越多,关系到动力设计的时候全部可以实现。以一个整车空气动力学耗油量为例,耗油量已经到极限了,怎么办呢?这时还可以改善底盘,还有一些装饰的地方能够引流导流,当加入导流板实现风阻下降,再来查看底盘设计。目前有三个方案可以改善地盘设计,但并不是每个方案都要使用,使用的导流板越多,耗用材料越多,相应成本也会提高。我们借由数字仿真,分别建立不同的模拟状况。
 
扰流板及底盘设计方案
图1 扰流板及底盘设计方案
 
    案例3只放前面1、2位置放置导流板,案例4只有放1个,案例5全部放,案例6三个全部放,分别把每种状况进行分析,最后发觉在案例4,即只要保留一个,就可以达到降阻的目标。这种方法叫事物法,完全是建立在数字化管理的平台。
 
    汽车是需要进行风洞试验,风洞下的气流左右是对称的。但是实际上开车经过大车时,气流却是不对称的,汽车两边的吸附状态不一致,轮胎抓地力,有些摩托车、电动车,甚至上面戴着安全帽都要考量,还有轮胎造成的气流,这些复杂流动状态都可以用数字化管理。针对汽车后视镜的阻力优化,我们公司首先改变了设计参数,然后改变后视镜的前后位置跟伸出位置,最后对后视镜位置进行设计扫描分析,找到最小阻力的位置,从而得到最优的设计方案。汽车雨天行驶,需要了解雨刮的反应程度,可以对汽车进行雨水管理模拟。
 
    噪声处理考虑的是驾驶员跟乘员的舒适度。通过后视镜噪声模拟实验,提高乘车舒适度。汽车涉水分析,通过仿真得到汽车涉水过程中冷凝器、散热器附近的水面高度,以防止水进入进气口。同时,通过软件自带的物理力学的求解器,测出涉水对汽车车底护板水冲击力。
 
    整车热管理与乘员舒适性
 
    发动机冷却液的流动可在多种速度条件下运行。基于开放的温控器和旁通阀有不同的流动路径,这使得需要进行大量的模拟以完全理解冷却液的流动。
 
    涡轮增压器可以帮助提高发动机的效率,同时提供更多的能量输出。涡轮增压器利用热的废气加热并将更多的气体或燃料压入发动机,这样可以减少碳的排放量。热的废气使得整个单元处于高热载荷。涡轮增压器的完全共轭传热用于模拟临界的操作工况。
 
整车热管理路线图
图2 整车热管理路线图
 
    汽车发动机的热管理有好几种方法,第一种状态是散热器加冷凝器,中冷,风扇;第二种状态是散热器加冷凝器加风扇;第三种是打开前格栅,2个散热器。实验的仿真模拟有误差,第一种状态误差是0.95%,第二种状态误差是0.44%,第三种状态误差是1.57%,我们实验跟仿真都可以对标得很好。排列组合实验就是车子可以按照不同的车型长度适合用不同的冷却装置,这些是针对发动机舱的管理。
 
    循环工况分析就是模拟汽车驾驶时极端的驱动循环使得发动机的热环境所经受的考验。
 
    以BMW-Soak工况分析为例,模拟汽车在驾驶周期中故障,当车辆处于时停时走的路况中,热负荷积聚,可能导致过热或更严重的热负荷问题。一旦设计结束了,问题的修复会很昂贵,但是模拟仿真可以避免这个问题。
 
    乘员舒适度,我们根据人体舒适性模块(TCM),进行模拟仿真各种状况下的人体舒适度,确保找到最佳舒适方案。
 
    动力总成系统
 
    动力总成是汽车的心脏,把加入的汽油转变成能量,在产生能量之外还会产生一个问题,就是二氧化碳的排放,目前节能减碳是很重要的。燃烧效率有很大部分取决于进气道流动、滚流比、涡流比已达到快速完全燃烧。我们有一款软件STAR-CD,可以模拟发动机缸内流动喷雾燃烧情况,借由设计探索找到最佳的进气道方式。现在汽车尾气排放的标准越来越严格,这让大家都关注氮氧化合物的排放情况。SCR系统是柴油机发动机后处理的重要组成部分,为最大化有效性,将均匀的氨水混合物加入到催化剂中是非常重要的,可以达到减废量作用。动力总成系统可以模拟发动机整个喷涂的FUSION过程,传动系统的齿轮箱模拟。
 
动力总成系统
图3 动力总成系统
 
    新能源汽车
 
    新能源汽车里面最重要的核件是电池包,从电池最小颗粒之间化学反应,到我们公司和电池设计LLC公司专门设计的不同电路,按照不同的放电程度,最后结合结果,应用STAR-CCM+进行模拟仿真。
 
    新能源汽车的电池包与传统电池包有很大区别。电池在加热供热充电的时候会放热,使用过程中也会放热,因此我们可以看成是循环使用。做充放电仿真实验,可以准确的预测电池冷却性能,避免过热,找到最佳实验跟模拟也都可以追踪得到。
 
    新能源汽车的电机相当于一般汽车的发动机气缸,我们公司有一款产品——SPEED,可以模拟点击损耗,精确的设计电机。还可以跟STAR-CCM+耦合,进行热管理。由于传统的物理学没办法做热对流,所以结合两款软件,对热处理进行仿真分析。
 
    制造工艺及其他
 
    汽车的制造工艺模拟需要做到这几个方面:喷涂、铸造、涂装、电泳、干燥。 
 
    在铸造过程中,希望铸造的部件能够百分之百被使用。利用仿真软件对铸件进行模拟分析,从而使浇注成品提升合格率,减少成本。
 
结论
 
    仿真驱动产品优化设计及创新时代已经来临,可以通过IT来实现;创新产品要靠数字化管理、流程自动化技术,设计探索等,以达到更快发现更有设计的目标。

    本文根据作者演讲内容整理而成,未经作者确认!
责任编辑:程玥
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