汽車淋雨試驗室噴淋裝置的模擬仿真

1、汽車淋雨試驗室噴淋裝置的模擬仿真作者：東北林業(yè)大學(xué)交通學(xué)院孔慶華柏麗敏1淋雨室概況汽車淋雨試驗是一種人工環(huán)境實驗方法，它用于測試汽車的防雨密封性能，模擬汽車在使 用條件下遇到自然降雨或滴水環(huán)境因素后的影響。淋雨試驗方法的研究和應(yīng)用已有多年歷 史。早在70年代法國航空標(biāo)準(zhǔn)、美國軍用標(biāo)準(zhǔn)和英國軍用標(biāo)準(zhǔn)中均正式規(guī)定了有關(guān)人工淋 雨、暴雨和防滴水方面的條款。我國也于1990年做出規(guī)定：GB/T 12480-90客車防雨密 封性試驗方法。2研究目的和意義隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對產(chǎn)品的設(shè)計過程要盡快采用現(xiàn)代設(shè)計方法，以便從根本上保 證產(chǎn)品的質(zhì)量和水平。GAD/GAE/CAM技術(shù)的普遍應(yīng)用為產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)

2、提供了可靠的先 進(jìn)手段，一度被人們稱為3C。計算機(jī)軟硬件功能的飛速發(fā)展，有力的促進(jìn)了 3C技術(shù)的應(yīng) 用不斷向縱深發(fā)展，人們逐漸體會到計算機(jī)輔助設(shè)計的真正含義。針對車輛產(chǎn)品的總目標(biāo)， 著重從軟件的求解功能、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、前后處理器的功能、用戶界面、易學(xué)易用性等方面進(jìn) 行比較。Ansys軟件不僅求解問題的功能完全滿足其要求，而且在應(yīng)用方面，圖形用戶界 面（GUI）給用戶的應(yīng)用提供了直觀的途徑，引導(dǎo)用戶一步一步的進(jìn)行分析。因此本文采 用Ansys軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計與仿真。參數(shù)化建模是指先用一組參數(shù)來定義幾何圖形（體素）尺寸數(shù)值并約束尺寸關(guān)系，然后提供給 設(shè)計者進(jìn)行幾何造型使用。它的主題思想是用幾何約束、

3、數(shù)學(xué)方程與關(guān)系來說明產(chǎn)品模型 的形狀特征,從而得到一簇在形狀或功能上具有相似性的設(shè)計方案。產(chǎn)品設(shè)計的目的是為了 滿足工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)研究和實際生活的需要。對于實際需要提出的各種各樣的要求,工業(yè)產(chǎn) 品在功能上,型號上都要不斷的進(jìn)行改進(jìn)。如果以往的設(shè)計不能滿足功能的要求，就要重新設(shè) 計產(chǎn)品;如果僅是應(yīng)用工況的不同造成的產(chǎn)品在尺寸方面的不同，只需要開發(fā)不同尺寸型號 的產(chǎn)品就可以了。對于系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化的定型產(chǎn)品，設(shè)計所采用的數(shù)學(xué)模型及產(chǎn)品 的結(jié)構(gòu)都是相對固定不變的，所不同的只是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸有所差異，而結(jié)構(gòu)尺寸的差異是 由于相同數(shù)目及類型的已知條件在不同規(guī)格的產(chǎn)品設(shè)計中取不同值造成的。對于這類產(chǎn)

4、品 進(jìn)行設(shè)計時，采用參數(shù)化建模方法對尺寸進(jìn)行替換，這樣對于不同結(jié)構(gòu)尺寸的產(chǎn)品只需要改 變相應(yīng)參數(shù)化尺寸的值就可以自動迅速的得到產(chǎn)品的模型，省去了大量重復(fù)過程，提高了設(shè)計生產(chǎn)效率。3實驗室的參數(shù)化設(shè)計與模擬仿真3.1 ANSYS軟件概述ANSYS是目前世界頂端的有限元商業(yè)應(yīng)用程序。美國John Swanson博士于1970年創(chuàng) 建ANSYS公司后，便開發(fā)出了該應(yīng)用程序，以此用計算機(jī)模擬工程結(jié)構(gòu)分析，歷經(jīng)30多年 的不斷完善和修改，現(xiàn)成為全球的工程應(yīng)用最受歡迎的應(yīng)用程序。其最新版本是 ANSYS8.1。該應(yīng)用程序的主要特點是緊跟計算機(jī)硬件、軟件發(fā)展的最新水平，功能豐富，用戶界面好，前 后處理和圖形

5、功能完備,并且使用高效的有限元系統(tǒng)。它擁有豐富的、完善的單元庫、材料 模型庫和求解器，保證了它能夠高效地求解各類結(jié)構(gòu)的靜力、動力、振動、線性和非線性問 題,并能有效地求解溫度場問題、散熱場以及多場耦合問題;它的友好的圖形界面和程序結(jié)構(gòu) 使用戶易學(xué)易用，通常專業(yè)人員在一個月左右的時間內(nèi)就能掌握其應(yīng)用方法和技巧;它的完 全交互式前后處理和圖形文件，大大減輕了用戶創(chuàng)建工程模型,生成有限元模型以及分析和 評價結(jié)果的工作量;它的統(tǒng)一和集中的數(shù)據(jù)庫，保證了系統(tǒng)各模塊之間的可靠和靈活的集成； 它的DDA模塊實現(xiàn)了它與多個CAD軟件產(chǎn)品的有效連接ANSYS的各種產(chǎn)品適應(yīng)于各 種計算機(jī)平臺的版本，為用戶提供了各

6、種可能的選擇。當(dāng)今ANSYS的全球用戶高達(dá)5000多家。二十世紀(jì)九十年代我國引入該應(yīng)用程序后，廣泛 用于核工業(yè)、鐵道、石油化工、航空航天、機(jī)械制造、能源工程、汽車交通、國防軍工、 電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利、日用家電等一般工業(yè)及科學(xué)研究, 為各領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析和科學(xué)研究作出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。3.2仿真的必要性首先根據(jù)流體力學(xué)和能量轉(zhuǎn)換理論設(shè)計淋雨實驗室噴淋系統(tǒng)，選擇最佳節(jié)能效果和最低經(jīng) 濟(jì)成本的設(shè)計方案。對每個噴頭的噴水量進(jìn)行分析計算，把計算出來的數(shù)據(jù)錄入計算機(jī)， 利用ANSYS模擬軟件，對淋雨試驗進(jìn)行模擬仿真，以達(dá)到設(shè)計結(jié)果的可視化?？梢宰層?戶通過可視化的模擬仿真

7、系統(tǒng)直接對設(shè)計的實驗設(shè)備有所了解，并可以根據(jù)用戶的要求隨 意調(diào)整各個參數(shù)，通過人機(jī)交互達(dá)到改進(jìn)設(shè)計的目的，從而滿足不同用戶的各種需求。例 如，試驗對象可以是整車，也可以是車身部分。如果為卡車，只對駕駛室部分進(jìn)行淋雨試驗就足夠了，同時也可節(jié)約資金。實現(xiàn)縮短設(shè)計周期、優(yōu)化設(shè)計方案、節(jié)約設(shè)計成本的目的，以 此促進(jìn)我國汽車工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展。3.3參數(shù)化有限元模型的建立進(jìn)入ANSYS的前處理模塊，在工具菜單中(UtilityMenu)中選擇Parameters選項下ScalarParameters項，調(diào)出參數(shù)尺寸定義界面，如圖1所示。本文以一個噴頭的參數(shù)為例， 將模型中需要進(jìn)行參數(shù)化的尺寸依次輸

8、入定義，完成參數(shù)化過程。實際問題中，需要參數(shù)化 的尺寸是有限的，在定義參數(shù)尺寸時，要注意不要使得模型過約束。然后在ANSYS中開始 建模，在模型中的尺寸如果是參數(shù)化的，要用尺寸的定義名輸入，否則參數(shù)化信息沒有進(jìn)入模 型。在參數(shù)化模型建立后，進(jìn)行正常的單元定義，實參數(shù)定義，單元劃分，加載，求解工作。在這些過程進(jìn)行后，通過ANSYS的LGWRITE命令保存命令流文件，文件名為Jobname.lgw。Jobname為自定義的分析文件名名稱。用記事本打開，可以看到操作的步驟都被一一被 ANSYS以一定的格式記錄下來，對其中的尺寸定義部分進(jìn)行編輯，保存文件。開始一個新的 分析過程，用ANSYS的/INP

9、UT命令將Jobname.lgw文件讀入ANSYS，由于是批處理文 件，因此程序自動進(jìn)行分析過程得到參數(shù)化尺寸編輯后的模型及其計算結(jié)果。從上述論述中, 可以看到應(yīng)用ANSYS的參數(shù)化模型建立功能可以方便的得到相同結(jié)構(gòu)不同尺寸模型的模型結(jié)果和分析結(jié)果。只有在參數(shù)化模型建立后，才可以進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化分析過程。叫1暮數(shù)尺寸定叫1暮數(shù)尺寸定義陣面A3曜tHelp本文主要采用ANSYS軟件對淋雨實驗室噴淋系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析研究。產(chǎn)品的各項性能均 符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12480-90客車防雨密封性試驗方法。3.4.1模型的建立有限元模型是進(jìn)行有限元分析的計算模型或數(shù)學(xué)模型，它為計算提供原始的數(shù)據(jù)。建模是

10、整個有限元分析過程的關(guān)鍵，模型合理與否將直接影響計算結(jié)果的精度、計算時間的長短 及計算過程能否完成。由于用管路是軸對稱圖形，二維模型就能清楚地顯示其中水的流動情況，因此為了節(jié)省計 算機(jī)使用空間和減少計算時間，本文利用ANSYS的前處理模塊分別建立頂部、側(cè)面和底 部各一個管路的二維模型。如下圖所示是他們的二維幾何模型示意圖。圖2二維幾何模型有限元法的基本思想是把復(fù)雜的形體拆分為若干個形狀簡單的單元，利用單元節(jié)點變量對 單元內(nèi)部變量進(jìn)行插值來實現(xiàn)對總體結(jié)構(gòu)的分析，將連續(xù)體進(jìn)行離散化即稱網(wǎng)格劃分。離 散而成的有限元集合將替代原來的彈性連續(xù)體，所有的計算分析都將在這個模型上進(jìn)行。 因此，網(wǎng)格劃分將關(guān)系

11、到有限元分析的規(guī)模、速度和精度以及計算的成敗。實驗表明：如 果網(wǎng)格劃分太稀就會使計算精度不夠，達(dá)不到預(yù)期效果；但是，相反的隨著網(wǎng)格數(shù)量的增 加，計算精確度逐漸提高，計算時間增加不多；但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量增加到一定程度后，再繼續(xù) 增加網(wǎng)格數(shù)量，計算精確度提高甚微，而計算時間卻大大增加。在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，應(yīng)注 意網(wǎng)格劃分的有效性和合理性。這樣就存在一個最佳網(wǎng)格密度問題，本模型首先采用整體 智能網(wǎng)格劃分，然后在拐角處進(jìn)行人工控制網(wǎng)格劃分對其進(jìn)行細(xì)化，以便于有限元計算結(jié) 果符合實際情況。3.4.3限制邊界條件加載即用邊界條件數(shù)據(jù)描述結(jié)構(gòu)的實際情況，即分析結(jié)構(gòu)和外界之間的相互作用。分析時 假定入口流場均勻，且無

12、徑向分量。以單級單吸離心清水泵為例，當(dāng)流量Q=100m3/h，揚 程 h=50m，轉(zhuǎn)速 n=2900r/min，功率 F=22KW，進(jìn)口直徑 d0=100mm，泵體耐壓 p=1.0MPa， 排水口直徑d1=80mm，葉輪名義外徑d2=200mm時，可取入口速度為管路里按照公式 v=Q/A計算所得的速度，軸向和周向速度為零；在所有壁面上施加無滑移邊界條件，即所 有速度分量均取為零；由于流體按不可壓縮處理，且其性質(zhì)恒定，所以在這種情況下，壓 力就可只考慮相對值，即在出口處施加的壓力邊界條件是相對壓力為零；由于是湍流分析， 可將出口處局部放大，以使流場能得到充分發(fā)展。在加載時，邊界條件可直接施加在幾

13、何 模型上，其優(yōu)點在于當(dāng)改變有限元網(wǎng)格而重新進(jìn)行分析時，無需在節(jié)點上重新施加邊界條 件；而通常的做法是將邊界條件加載在有限元模型上，這樣當(dāng)改變有限元網(wǎng)格時，必須先 刪去現(xiàn)有節(jié)點上的邊界條件，再施加新的載荷，以保證加載的準(zhǔn)確性。但要注意：無論采 取何種加載方式，ANSYS求解前都將載荷轉(zhuǎn)化到有限元模型上。因此，加載到實體的載 荷將自動轉(zhuǎn)化到其所屬的節(jié)點或單元上。執(zhí)行主菜單PreprocessorLoadsApplyVelocityOn Lines （施加速度在線上）命令；執(zhí) 行主菜單 PreprocessorLoadsApplyPressure DOFOn Lines（施加壓力自由度在線上） 命

14、令。3.4.4 求解 我們選擇軟件默認(rèn)的直接解法，它只尋求分析的穩(wěn)定性，并不強(qiáng)調(diào)求解的速度，而且對計 算機(jī)的內(nèi)存要求不高，在求解器處理每個單元時，同時進(jìn)行整體矩陣的組集和求解。在進(jìn) 行數(shù)值模擬時，存在著劣質(zhì)網(wǎng)格及流動現(xiàn)象本身不穩(wěn)定等因素，有必要采取措施提高收斂 性，使求解達(dá)到穩(wěn)定。ANSYS程序提供的常用工具有松弛系數(shù)、慣性松弛、人工粘性、 速度限值和面積積分階次等。松弛系數(shù)（FLDATA 25）的值是介于0和1之間的小數(shù)， 它表示舊結(jié)果與附加在舊結(jié)果上形成的新結(jié)果的最近一次計算值之間的變化量。采用小的 松弛系數(shù)可減小解的振蕩，提高穩(wěn)定性，但會導(dǎo)致收斂速度降低，迭代次數(shù)增加17，所 以可在初始

15、迭代計算中，采用小的松弛系數(shù)來減小不適當(dāng)?shù)某跏贾狄鸬挠嬎悴环€(wěn)定，當(dāng) 迭代一定次數(shù)后，將以上結(jié)果作為初始值繼續(xù)迭代時，可取較大的松弛系數(shù)以提高收斂速 度。模擬中速度項松弛系數(shù)、壓力項系數(shù)（PRES）、湍流松弛系數(shù)（ENKE）的取值依據(jù) ANSYS軟件給出的標(biāo)準(zhǔn)值，如圖3所示。圖3松弛系數(shù)的取值當(dāng)求解過程中發(fā)生舍入誤差時，慣性松弛（FLDATA 26）就可能對結(jié)果產(chǎn)生影響，它以所 加項分母的形式出現(xiàn)，值越小，所起的作用越大。人工粘性（VISC）用在梯度較大的區(qū)域 以平抑速度解，它有助于可壓縮問題的收斂，也有助于對有分布阻力的不可壓縮問題的速 度解進(jìn)行平抑。模擬中動量（MOME）、壓力（PRES）

16、和渦流（TURB）的慣性松弛、溫 度慣性松弛及人工粘性（VISC）的取值參照圖4所示。對于不可壓縮問題，應(yīng)使人工粘性 的幅值與有效粘性的幅值處于相同的數(shù)量級。程序中默認(rèn)的用于計算單元面積積分的階次 是單點積分，對于軸對稱問題，該值設(shè)為2,這樣可使含有異常形狀單元的問題收斂到更 精確的解。圖4慣性松弛系數(shù)的取值在FLOTRAN求解過程中，程序在每一次總體迭代里對每一個自由度計算出一收斂監(jiān)測 量，包括：速度（VX、VY、VZ）、壓力（PRES）、溫度（TEMP）、湍流動能（ENKE） 和動能耗散率（ENDS）。在批處理或交互式運行過程中，當(dāng)求解進(jìn)行時，程序的“圖形求 解跟蹤（GST）”功能將實時顯

17、示出所計算的收斂監(jiān)測量。圖5為本模擬進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解時 的GST圖形。側(cè)面底部頂部圖5穩(wěn)態(tài)GST圖形3.4.5后處理后處理是將計算所得的結(jié)果可視化。ANSYS有兩個后處理器：通用后處理器，它只能觀 看整個模型在某一時刻的結(jié)果；時間歷程后處理器，可觀看模型在不同時間的結(jié)果。本文 采用通用后處理器進(jìn)行求解。側(cè)面底部SlEhlM -1 7IKKI 14-4 mi-1Anr4“J.ifliLRKk-1L5VMTA1 1頂部圖6為Re = 442320的管路內(nèi)的流體流線圖可看出，水流流出噴嘴后，直接噴向車體。我們可以更改其參數(shù)，如改變水泵的泵入流量 或改變管路直徑大小，即改變進(jìn)口速度的值，得出不同水泵流量下

18、的流線圖和噴淋管路中 各個噴嘴出口流體流速的徑向分布曲線圖，進(jìn)而比較各個噴嘴的流速是否均勻。ANSYS軟件具有較強(qiáng)的后處理功能，通過數(shù)值計算，對計算結(jié)果進(jìn)行后處理后可得到如 圖7所示的噴淋管路中各個噴嘴出口處流體流速的徑向分布曲線圖。圖中橫坐標(biāo)為測點在 噴嘴出口橫截面上所處位置的相對半徑，縱坐標(biāo)為該點的軸向速度。側(cè)面twntwn3UI1 -U.3JL1Hji, J 缸 il皿AM底部頂部圖7噴嘴出口處流體參數(shù)的徑向分布曲線圖4.結(jié)論從圖中我們可以看到噴嘴出口處流體的速度幾乎是接近相同的，這就說明了本設(shè)計的合理 性與經(jīng)濟(jì)性。本仿真的界面友好，提示充分，操作方便、直觀；可以展現(xiàn)淋雨室的工作狀 況，顯著縮短了產(chǎn)品的設(shè)計周期，提高了設(shè)計效率；為后續(xù)過程提供了完備的信息源，具 備一定的產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)處理功能；為淋雨室設(shè)計的系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化奠定了基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)：1中國汽車工業(yè)總公司.汽車產(chǎn)品質(zhì)量檢驗評定：機(jī)械工業(yè)出版社.1991.052中國標(biāo)準(zhǔn)出版社總編室編.中國國家標(biāo)準(zhǔn)匯編(155) GB/T 1244612506:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社出版.1994.13馬敏杰.轎車車身淋雨試驗室的設(shè)計與計算.汽車工藝與材料