汽車開發(fā)中的空氣動(dòng)力學(xué)及流體力學(xué)仿真
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“大約十年前，我們要說服人們相信CFD 及仿真可以帶來價(jià)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(gè)汽車開發(fā)流程的各個(gè)階段，”福特公司熱系統(tǒng)及空氣動(dòng)力系統(tǒng)工程以及計(jì)算機(jī)輔助工程主管Burkhard Hupertz 博士說道。他所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)新車空氣動(dòng)力學(xué)及動(dòng)力總成冷卻設(shè)計(jì)的虛擬優(yōu)化及驗(yàn)證工作。
一項(xiàng)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(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)及車輛外形及底部設(shè)計(jì)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(duì)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(píng)估設(shè)計(jì)提案的可行性?！敖裉欤捎谠O(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)量的大量增加，人們希望CAE 可以幫助推進(jìn)整個(gè)車輛的開發(fā)流程?！盚upertz 說道。
為了達(dá)到這個(gè)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(jì)中最重要和最有依賴性的參數(shù)。Hupertz 認(rèn)為基于CAE 的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）是最佳的解決方案。DOE 可以讓工程師對(duì)大量的有關(guān)車輛造型和系統(tǒng)性能的設(shè)計(jì)參數(shù)的效果進(jìn)行深入探索。對(duì)如何利用幾百次的測(cè)試運(yùn)行有詳細(xì)規(guī)劃的優(yōu)化軟件包是關(guān)鍵。此外，還有一個(gè)關(guān)鍵因素是復(fù)雜的變形工具，可以幫助設(shè)計(jì)人員知道如何對(duì)車輛造型做出改進(jìn)。最后， “我們?cè)谟脩粲押媒缑娣矫嫱度肓舜罅烤?，這樣設(shè)計(jì)人員和作圖人員就可以了解并直觀地理解空氣動(dòng)力學(xué)工程師想表達(dá)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(chǎng)也在不斷發(fā)展和變化中。他認(rèn)為電動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車相關(guān)技術(shù)都是目前非常重要的設(shè)計(jì)對(duì)象。能源使用和管理對(duì)電動(dòng)汽車和各種混合動(dòng)力車來說都是非常重要的一項(xiàng)工作。有效的空氣動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)對(duì)這些車輛來說就意味著冷卻系統(tǒng)阻力、滾動(dòng)阻力、風(fēng)阻（Cd）以及傳動(dòng)損失的減少?！叭藗?yōu)樘岣哕囕v燃油經(jīng)濟(jì)性絞盡腦汁，事實(shí)上是包含了所有這些領(lǐng)域的一個(gè)整體工作?！彼f道。
在這些分析中，系統(tǒng)仿真和彼此的交互與獨(dú)立的空氣動(dòng)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(jì)了STAR-CCM+ 代碼， 其目的是為了更容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)仿真的分析。“這才是實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)的推動(dòng)因素，而不僅僅是流體力學(xué)，”Ross 解釋道。STAR-CCM+ 涵蓋機(jī)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(gè)耦合求解器，可以解決多個(gè)物理領(lǐng)域的問題。
開發(fā)流程本身是一個(gè)耦合系統(tǒng)，包含風(fēng)洞測(cè)試和CFD 仿真?！敖裉焖写笮推囍圃焐堂刻於坚槍?duì)空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行仿真和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，”他說道。風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的結(jié)果更快。相比較來說，仿真可以進(jìn)行一些通過物理方式永遠(yuǎn)無法實(shí)現(xiàn)的設(shè)計(jì)測(cè)試。此外，仿真還可以對(duì)結(jié)果實(shí)現(xiàn)可視化， 而這些可能通過物理數(shù)據(jù)根本無法實(shí)現(xiàn)?！斑@兩種方式形成了完美的互補(bǔ)?！盧oss 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(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)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(gè)案例并不限制軟件內(nèi)核的使用次數(shù)。而對(duì)優(yōu)化研究來說，客戶通常同時(shí)運(yùn)行多個(gè)仿真任務(wù)。針對(duì)這種需求，CD-adapco 公司的Power Tokens 產(chǎn)品可以讓用戶運(yùn)行一個(gè)大型仿真任務(wù)，也可以運(yùn)行多個(gè)小的任務(wù)。
ESI 北美公司工程總監(jiān)Mark Doroudian 認(rèn)為計(jì)算能力的提升使高保真CFD 的應(yīng)用成為可能。“對(duì)車輛周圍噪音仿真來說，我們?cè)谂d趣區(qū)附近采用1-2mm 的網(wǎng)格單元尺寸，為了縮短周期時(shí)間，可以通過Linux 集群系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算，”他表示。而對(duì)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(gè)單元，甚至更多，而這對(duì)今天的計(jì)算機(jī)來說也輕而易舉。
針對(duì)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(shí)現(xiàn)。這是一款開源CFD 求解器，由OpenCFD 公司創(chuàng)建，由OpenFOAM 基金會(huì)發(fā)布。OpenFOAM 采用有限體積法， 主要用于求解控制自然流動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的開發(fā)， 包括溫度控制、造型空氣動(dòng)力學(xué)、飛行引發(fā)震動(dòng)聲學(xué)， 以及發(fā)動(dòng)機(jī)相關(guān)系統(tǒng)開發(fā)，比如進(jìn)氣和排氣歧管設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)領(lǐng)域多核處理器計(jì)算能力的提高。用戶甚至開始運(yùn)行那些涉及大量運(yùn)算、不穩(wěn)定且隨時(shí)間變化的流體力學(xué)設(shè)計(jì)方案。據(jù)Doroudian 表示，因?yàn)榇蠖鄶?shù)許可模型涉及的費(fèi)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(gè)同步運(yùn)行的處理器，費(fèi)用往往非常昂貴?！斑@就是開放源OpenFOAM 的好處所在，因?yàn)槭敲赓M(fèi)的，所以不管問題有多大，你都可以自由地運(yùn)算。你還可以運(yùn)行幾千個(gè)處理器，也不會(huì)產(chǎn)生額外的許可費(fèi)用，”他解釋道。OpenFOAM 是ESI 集團(tuán)旗下全資子公司。
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(jìn)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(zhǔn)備。然后，用戶需要?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)格并在運(yùn)行之前對(duì)模型進(jìn)行預(yù)處理。最后一步是對(duì)結(jié)果進(jìn)行可視化。他表示其客戶對(duì)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)，提供許多有關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化、參數(shù)估計(jì)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(dòng)力學(xué)開發(fā)工作流程和周期時(shí)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(duì)工作流程進(jìn)行了簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)網(wǎng)格劃分，還可以自動(dòng)生成定制的結(jié)果報(bào)告。“該產(chǎn)品包含一些高級(jí)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(jiǎn)單的GUI 界面準(zhǔn)備好模型和邊界條件，在經(jīng)過計(jì)算之后，VWT 生成PDF 報(bào)告。車輪、擾流板和散熱器需要進(jìn)行特定的仿真，還帶有鼠標(biāo)和虛擬模型瀏覽器。模型輸入為計(jì)算表面網(wǎng)格，以Nastran 格式定義。
評(píng)論