案例 | 汽車排氣系統(tǒng)排氣過程仿真

2017-12-28 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

作者:MattoButson 工程服務(wù)經(jīng)理;Ning Cao 產(chǎn)品設(shè)計(jì)工程師 Active Exhaust Corp. 多倫多加拿大

由于涉及到多個(gè)物理現(xiàn)象,排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)相對復(fù)雜。設(shè)計(jì)者除了要考慮排氣系統(tǒng)內(nèi)的氣流流動,還需要考慮它對發(fā)動機(jī)背壓的影響。同時(shí)設(shè)計(jì)必須能夠減輕排氣歧管內(nèi)氣流流動產(chǎn)生的振動與噪聲。系統(tǒng)溫度必須維持在一定范圍內(nèi)確保最大化尾氣后處理性能以及降低對環(huán)境及其他車用部件的影響。Active Exhanst在試驗(yàn)前通過多物理場仿真降低設(shè)計(jì)驗(yàn)證的迭代成本。

基于仿真的設(shè)計(jì)過程

Active Exhanst考慮多個(gè)仿真過程。由于流動對設(shè)計(jì)至關(guān)重要,公司首先關(guān)注CFD結(jié)果。工程師找到了滿足需求的一些軟件包,但是ANSYS軟件憑借其多物理場的求解能力而勝出,包括結(jié)構(gòu),熱及聲。Active Exhanst選擇ANSYS CFD-Flo求解流體,使用ANSYS Mechnical 求解結(jié)構(gòu),熱及聲學(xué)問題。這些軟件以及集成在workbench里的其他工具使得多個(gè)物理場之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,進(jìn)行耦合計(jì)算。

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有限元分析結(jié)果-歧管變形

目前仿真是Active Exhanst的核心設(shè)計(jì)過程。第一步首先是打開包含CAD模型的文件,然后從結(jié)構(gòu)模型中抽取流體域,添加相關(guān)邊界條件,比如排氣系統(tǒng)的進(jìn)口質(zhì)量流率,排氣系統(tǒng)的出口壓力以及其他與發(fā)動機(jī)工作條件相關(guān)的參數(shù)。隨后使用ANSYS CFD進(jìn)行流體仿真,可以得到排氣系統(tǒng)的壓降以及進(jìn)口位置的背壓。由于在真實(shí)的幾何模型里模擬流動,通常計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得較好。

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溫度場分布及流線分布

CFD軟件提供的診斷功能遠(yuǎn)超通過實(shí)驗(yàn)獲得的結(jié)果,可以提供每一個(gè)位置的速度和壓力。比如工程師在計(jì)算一個(gè)新的排氣系統(tǒng)時(shí),在流線圖上發(fā)現(xiàn)了回流區(qū)。注意回流區(qū)通常會增加壓降。通過改變CFD模型的幾何模型,比如降低主通道的凸起和大曲率。重新計(jì)算,然后檢查幾何變化是否消除了回流區(qū)。這一過程通常會極大地降低背壓。使用 ANSYS workbench的優(yōu)勢就是當(dāng)幾何變化時(shí),網(wǎng)格、設(shè)置及求解會自動更新,節(jié)約開發(fā)時(shí)間。

消音器里溫度及流場分布

在使用CFD 模擬的同時(shí),Active Exhanst工程師使用ANSYS Mechanical從熱、結(jié)構(gòu)和聲方面分析排氣系統(tǒng)。ANSYS CFD和ANSYS structuralmechanical 軟件的集成使得傳遞CFD計(jì)算的溫度給 ANSYS Mechanical這一過程變得簡單。這一溫度場作為熱分析的輸入,可以用于確定排氣系統(tǒng)外側(cè)的溫度以及由于熱膨脹引起的應(yīng)力。通過輸入汽車的功率譜密度數(shù)據(jù),ANSYS Mechanical也可以用于驗(yàn)證排氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)完整性。使用這些輸入進(jìn)行隨機(jī)振動分析可以確定頻率響應(yīng)及應(yīng)力分布。動力學(xué)分析同樣可以確定排氣系統(tǒng)的模態(tài)頻率。如果該模態(tài)頻率有可能被發(fā)動機(jī)激活,工程師必須改進(jìn)設(shè)計(jì)。

ActiveExhanst下一步仿真是在樣機(jī)生產(chǎn)之前對排氣系統(tǒng)聲學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測。這可以利用ANSYS structural mechanics來求解。通過模態(tài)分析的輸出結(jié)果來計(jì)算消聲器中壓力波的衰減和吸收?；谶@一數(shù)據(jù),軟件可以模擬頻率普上的傳遞損失和計(jì)算聲發(fā)射。

基于仿真設(shè)計(jì)過程的最大優(yōu)勢是Active Exhaust總是在第一時(shí)間獲得準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)。雖然每一個(gè)設(shè)計(jì)仍舊需要進(jìn)行大量的測試,但是前面的仿真可以確保每一臺樣機(jī)都能滿足客戶的需求。同樣仿真可以提供更多的結(jié)果信息,工程師可以很快的確認(rèn)問題發(fā)生的根本原因,通過改進(jìn)產(chǎn)品提升性能。公司客戶得益于產(chǎn)品的高性能和較短的開發(fā)周期。得益于新的設(shè)計(jì)方式,Active Exhaust贏得了許多主要的合同。

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