案例 | 汽車排氣系統排氣過程仿真

2017-12-28 by:CAE仿真在線來源:互聯網

作者:MattoButson 工程服務經理;Ning Cao 產品設計工程師 Active Exhaust Corp. 多倫多加拿大

由于涉及到多個物理現象,排氣系統設計相對復雜。設計者除了要考慮排氣系統內的氣流流動,還需要考慮它對發動機背壓的影響。同時設計必須能夠減輕排氣歧管內氣流流動產生的振動與噪聲。系統溫度必須維持在一定范圍內確保最大化尾氣后處理性能以及降低對環境及其他車用部件的影響。Active Exhanst在試驗前通過多物理場仿真降低設計驗證的迭代成本。

基于仿真的設計過程

Active Exhanst考慮多個仿真過程。由于流動對設計至關重要,公司首先關注CFD結果。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,包括結構,熱及聲。Active Exhanst選擇ANSYS CFD-Flo求解流體,使用ANSYS Mechnical 求解結構,熱及聲學問題。這些軟件以及集成在workbench里的其他工具使得多個物理場之間可以進行數據交換,進行耦合計算。

有限元分析結果-歧管變形

目前仿真是Active Exhanst的核心設計過程。第一步首先是打開包含CAD模型的文件,然后從結構模型中抽取流體域,添加相關邊界條件,比如排氣系統的進口質量流率,排氣系統的出口壓力以及其他與發動機工作條件相關的參數。隨后使用ANSYS CFD進行流體仿真,可以得到排氣系統的壓降以及進口位置的背壓。由于在真實的幾何模型里模擬流動,通常計算結果與實驗結果吻合得較好。

溫度場分布及流線分布

CFD軟件提供的診斷功能遠超通過實驗獲得的結果,可以提供每一個位置的速度和壓力。比如工程師在計算一個新的排氣系統時,在流線圖上發現了回流區。注意回流區通常會增加壓降。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。重新計算,然后檢查幾何變化是否消除了回流區。這一過程通常會極大地降低背壓。使用 ANSYS workbench的優勢就是當幾何變化時,網格、設置及求解會自動更新,節約開發時間。

消音器里溫度及流場分布

在使用CFD 模擬的同時,Active Exhanst工程師使用ANSYS Mechanical從熱、結構和聲方面分析排氣系統。ANSYS CFD和ANSYS structuralmechanical 軟件的集成使得傳遞CFD計算的溫度給 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外側的溫度以及由于熱膨脹引起的應力。通過輸入汽車的功率譜密度數據,ANSYS Mechanical也可以用于驗證排氣系統的結構完整性。使用這些輸入進行隨機振動分析可以確定頻率響應及應力分布。動力學分析同樣可以確定排氣系統的模態頻率。如果該模態頻率有可能被發動機激活,工程師必須改進設計。

ActiveExhanst下一步仿真是在樣機生產之前對排氣系統聲學性能進行預測。這可以利用ANSYS structural mechanics來求解。通過模態分析的輸出結果來計算消聲器中壓力波的衰減和吸收。基于這一數據,軟件可以模擬頻率普上的傳遞損失和計算聲發射。

基于仿真設計過程的最大優勢是Active Exhaust總是在第一時間獲得準確的設計。雖然每一個設計仍舊需要進行大量的測試,但是前面的仿真可以確保每一臺樣機都能滿足客戶的需求。同樣仿真可以提供更多的結果信息,工程師可以很快的確認問題發生的根本原因,通過改進產品提升性能。公司客戶得益于產品的高性能和較短的開發周期。得益于新的設計方式,Active Exhaust贏得了許多主要的合同。

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