汽車開發中的空氣動力學及流體力學仿真

2016-12-23 by:CAE仿真在線來源:互聯網

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,在產品開發的初期就確立設計方案。今天所面臨的挑戰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 已經成為汽車行業中普遍使用的工具,應用于整個汽車開發流程的各個階段,”福特公司熱系統及空氣動力系統工程以及計算機輔助工程主管Burkhard Hupertz 博士說道。他所領導的團隊主要負責新車空氣動力學及動力總成冷卻設計的虛擬優化及驗證工作。

一項成熟的技術一旦可以帶來可靠的結果就可以得到廣泛的應用。“在車輛基本空氣動力學設計及車輛外形及底部設計優化方面所采用的方法已經非常成熟了,”他說道。因此,人們對CAE技術在開發流程中所發揮的作用的期望也發生了巨大的改變。以前,CAE 主要用來評估設計提案的可行性。“今天,由于設計參數數量的大量增加,人們希望CAE 可以幫助推進整個車輛的開發流程。”Hupertz 說道。

為了達到這個目的,福特公司正在制訂新的開發流程——如何更好地通過CFD 軟件來確定車輛設計中最重要和最有依賴性的參數。Hupertz 認為基于CAE 的實驗設計(DOE)是最佳的解決方案。DOE 可以讓工程師對大量的有關車輛造型和系統性能的設計參數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劃的優化軟件包是關鍵。此外,還有一個關鍵因素是復雜的變形工具,可以幫助設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,這樣設計人員和作圖人員就可以了解并直觀地理解空氣動力學工程師想表達的意思,”Hupertz 表示。

新車型,新擔心

CFD/CAE 軟件開發和解決方案供應商CD-adapco 公司道路交通總監Frederick Ross 指出,隨著CFD 軟件仿真技術的發展,其所服務的市場也在不斷發展和變化中。他認為電動汽車和電動汽車相關技術都是目前非常重要的設計對象。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。有效的空氣動力學設計對這些車輛來說就意味著冷卻系統阻力、滾動阻力、風阻(Cd)以及傳動損失的減少。“人們為提高車輛燃油經濟性絞盡腦汁,事實上是包含了所有這些領域的一個整體工作。”他說道。

在這些分析中,系統仿真和彼此的交互與獨立的空氣動力學分析相比較來說更加重要。他舉例來說,2007 年,公司重新設計了STAR-CCM+ 代碼, 其目的是為了更容易地實現對系統仿真的分析。“這才是實現最佳設計的推動因素,而不僅僅是流體力學,”Ross 解釋道。STAR-CCM+ 涵蓋機械張力、熱傳遞以及空氣聲學,此外還有其他一些物理領域。STAR-CCM+ 還有一個耦合求解器,可以解決多個物理領域的問題。

開發流程本身是一個耦合系統,包含風洞測試和CFD 仿真。“今天所有大型汽車制造商每天都針對空氣動力學進行仿真和風洞實驗,”他說道。風洞實驗采用近似模型,與仿真差不多,只不過模型不同而已。一旦原型和相關部件制作好,風洞實驗產生的結果更快。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的設計測試。此外,仿真還可以對結果實現可視化, 而這些可能通過物理數據根本無法實現。“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,后者擁有一套產品,可以通過其專有的SHERPA 算法對設計進行優化。

在產品許可方面,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核的使用次數。而對優化研究來說,客戶通常同時運行多個仿真任務。針對這種需求,CD-adapco 公司的Power Tokens 產品可以讓用戶運行一個大型仿真任務,也可以運行多個小的任務。

復雜性的處理

ESI 北美公司工程總監Mark Doroudian 認為計算能力的提升使高保真CFD 的應用成為可能。“對車輛周圍噪音仿真來說,我們在興趣區附近采用1-2mm 的網格單元尺寸,為了縮短周期時間,可以通過Linux 集群系統進行計算,”他表示。而對車輛周圍的流體結構仿真來說,網格劃分可以精確到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。

針對大多數車輛尺寸問題,包括造型及引擎蓋內流體力學仿真,ESI 通過OpenFOAM 軟件來實現。這是一款開源CFD 求解器,由OpenCFD 公司創建,由OpenFOAM 基金會發布。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軟件用于多個系統的開發, 包括溫度控制、造型空氣動力學、飛行引發震動聲學, 以及發動機相關系統開發,比如進氣和排氣歧管設計及燃燒仿真。

高保真CFD 仿真之所以得到廣泛應用,主要得益于計算機領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、不穩定且隨時間變化的流體力學設計方案。據Doroudian 表示,因為大多數許可模型涉及的費用與處理器的數量是成正比的,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,首先是發出有關CAD 模型的信息,為CAE 做好準備。然后,用戶需要創建網格并在運行之前對模型進行預處理。最后一步是對結果進行可視化。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,提供許多有關設計優化、參數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開發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 虛擬風洞(VWT)解決方案。該軟件對工作流程進行了簡化,用于風洞仿真。VWT 于2013 年10 月發布,基于Altair 公司的CFD 求解器AcuSolve,可以實現自動網格劃分,還可以自動生成定制的結果報告。“該產品包含一些高級物理特性,比如旋轉輪胎、散熱器模擬和流體結構交互等,” 該公司CFD 解決方案總監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。“有兩個關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,而這幫助縮短了網格創建的時間。“此外,它從計算方面來說還更加穩定,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 軟件結合使用。HyperStudy 允許用戶通過DOE 及優化等方法對其系統設計進行探索、了解及優化改進。

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

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

引擎蓋下應用

保持系統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濟性或排放時,法規就顯得非常重要,你需要平衡所有與設計相關的屬性,比如駕駛性以及乘客座艙舒適性,”Siemens PLM Software 仿真產品市場總監Ravi Shankar 表示。“如果將這些屬性分開看的話,不會有任何好處。”基于這個想法,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,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,可以用于大型模型的求解,同時采用了具有經濟性的許可方案,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 應用都是動力總成領域的典型問題,比如引擎蓋下冷卻優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動機設計部門(Advanced Engine Design)。該部門設計技術總監Rod Baker 稱,CAD 和CAE 的集成可以讓他們將分析工具直接交到產品設計師的手中。“這對我們來說是一種新的嘗試,我們發現流體仿真是進行方向比較的有力工具,”他解釋道。這些產品工程師通過這樣的工具來確定某個具體的設計是否合理,之后的迭代是否可以提高產品的性能,又或者某個更改是否會影響產品的性能而需要被舍棄。“針對一些設計,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計師來建立并執行流體仿真。這種方式大大提高了CAE 針對流體仿真(用于指導早期設計方案)的易用性。“我們還是會征求這些分析師的意見,來做一些驗證試驗,”Baker 說道。他還指出模板對產品設計師來說起到了一個入門工具的作用,給他們學習如何使用NX流體仿真軟件的機會。“一旦他們知道了怎么用,我們發現他們會觸類旁通,很快就可以自己進行模型的建立。”這些模板可以讓他們自主地學習軟件的使用方法,而不用通過專門的培訓方式來學習。

Baker 還指出了關鍵的一點:幾何形狀的優化是完全手動的。設計師在流場分析結果的基礎上,根據自己的技能和經驗對設計進行調整,逐步實現對幾何形狀的優化。

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