搜索熱交換器設(shè)計(jì)中的有限元分析
2013-06-20 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
應(yīng)用CAE技術(shù)設(shè)計(jì)人員可在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期便發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并加以修改,避免了產(chǎn)品設(shè)計(jì)完成后性能不達(dá)標(biāo)、延誤開(kāi)發(fā)周期、產(chǎn)品成本高居不下的局面。這一設(shè)計(jì)已被越來(lái)越多應(yīng)用于整車和零部件的開(kāi)發(fā)中。據(jù)統(tǒng)計(jì),豐田佳美在采用CAE虛擬樣機(jī)技術(shù)后研發(fā)時(shí)間縮短了10個(gè)月,人力投入減少20%,研發(fā)成本降低了30%,樣車數(shù)量減少了65%0另一個(gè)成功的例子是福特公司,采用了CAE技術(shù)后將開(kāi)發(fā)每款新車的試驗(yàn)次數(shù)從300次降低到80次。
CAE技術(shù)的產(chǎn)生是產(chǎn)品多樣化、智能化和復(fù)雜化的綜合要求,是包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工程分析、數(shù)據(jù)管理、試驗(yàn)、仿真和制造的綜合過(guò)程。CAE技術(shù)的應(yīng)用需要一個(gè)載體,這個(gè)載體就是CAE軟件。CAE軟件是結(jié)合計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程科學(xué)、工程管理學(xué)和現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)而形成的綜合性的知識(shí)密集型信息產(chǎn)品,可以分為專用和通用軟件兩類。專用軟件是對(duì)特定類型對(duì)象開(kāi)發(fā)的用于性能分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化的軟件。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外大公司根據(jù)各自的產(chǎn)品紛紛致力于專用軟件的開(kāi)發(fā),大大地提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。通用軟件是指對(duì)多種類型對(duì)象的物理、力學(xué)性能進(jìn)行分析、模擬、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的軟件,如NASTRAN, ANSYS, ABAQUS,MARC及舊EAS等有限元軟件和FLUENT等有限差分軟件,這些軟件的主要對(duì)象是零部件,包括結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度分析、非線性和熱場(chǎng)計(jì)算等;又如KULI, FLOWMASTER等系統(tǒng)仿真軟件的主要對(duì)象是分系統(tǒng)或系統(tǒng)。以上軟件通常包括優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊,可以對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化(這些軟件可以通過(guò)接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換實(shí)現(xiàn)零件分析和系統(tǒng)分析的有機(jī)結(jié)合。
CAE技術(shù)在車用熱交換器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
車用熱交換器主要包括:發(fā)動(dòng)機(jī)中的機(jī)油冷卻器、中冷器、散熱器以及EGR冷卻器等以及汽車空調(diào)系統(tǒng)中的蒸發(fā)器和冷凝器。車用熱交換器的自主研發(fā)也是我國(guó)汽車自主品牌的一個(gè)重要方面。CAE技術(shù)在國(guó)外車用熱交換器企業(yè)的研發(fā)過(guò)程中被廣泛采用,而國(guó)內(nèi)企業(yè)還處于起步階段。CAE技術(shù)在車用熱交換器中的應(yīng)用主要有以下幾方面:熱交換器傳熱及流動(dòng)性能的仿真、熱交換器可靠性仿真、系統(tǒng)仿真、以及熱交換器專用設(shè)計(jì)軟件等。
CAE技術(shù)在熱交換器傳熱及流動(dòng)性能仿真中的應(yīng)用
熱交換器的傳熱及流動(dòng)特性是熱交換器的首要設(shè)計(jì)要求,因此也是CAE技術(shù)在熱交換器設(shè)計(jì)應(yīng)用中最廣泛的方面〕熱交換器的性能仿真是應(yīng)用通用工程分析軟件對(duì)熱交換器的傳熱性能及流體流動(dòng)阻力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算,不僅可以得到熱交換器的總體性能,而且可以實(shí)現(xiàn)熱交換器內(nèi)部的流體流場(chǎng)、壓力場(chǎng)及溫度場(chǎng)的可視化,能夠獲取用試驗(yàn)方法無(wú)法得到的熱交換器內(nèi)任意點(diǎn)的溫度、壓力和流速等細(xì)節(jié)(見(jiàn)圖1)。此外,還可以了解熱交換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)熱交換器局部流場(chǎng)和溫度場(chǎng)的影響,為結(jié)構(gòu)修改和最優(yōu)方案的確定提供理論依據(jù)。
CAE技術(shù)在熱文換器的可靠性分析中的應(yīng)用
車用熱交換器的工作場(chǎng)合相對(duì)惡劣,特別是重型機(jī)械的應(yīng)用場(chǎng)合,因此熱交換器的可靠性也是熱交換器正常工作的重要保障。CAE技術(shù)對(duì)熱交換器可靠性的仿真主要包括:熱交換器的靜力分析和動(dòng)力分析以及機(jī)械/熱疲勞分析。
靜力分析主要是靜態(tài)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析,通過(guò)分析可以得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移分布情況(見(jiàn)圖2),由此判斷結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下是否安全可靠,結(jié)構(gòu)的哪些部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中,強(qiáng)度不夠,以便對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。
分析和瞬態(tài)動(dòng)力分析及譜分析。熱交換器中常見(jiàn)的分析為穩(wěn)態(tài)動(dòng)力分析,包括模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。模態(tài)分析是用于確定設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)或部件的振動(dòng)特性,即固有頻率和振型(見(jiàn)圖3),可以對(duì)有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析和循環(huán)對(duì)稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。諧響應(yīng)分析是用于分析持續(xù)的周期載荷在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生的持續(xù)周期響應(yīng),確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的載荷時(shí)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù),其目的是計(jì)算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)值對(duì)頻率的曲線(見(jiàn)圖4)。通過(guò)諧響應(yīng)分析,設(shè)計(jì)人員可以預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的持續(xù)動(dòng)力特性,從而驗(yàn)證設(shè)計(jì)能否克服共振、疲勞以及其它受迫振動(dòng)所引起的有害效果。
此外,熱交換器長(zhǎng)期處于車輛顛簸和發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所引起的機(jī)械振動(dòng)和起/停機(jī)引起的冷熱交替的工況下,因此機(jī)械/熱疲勞破壞也是熱交換器常見(jiàn)的失效形式。疲勞分析是以前述分析為基礎(chǔ),將材料的機(jī)械/熱疲勞性能引入計(jì)算,分析薄弱點(diǎn)的循環(huán)極限,從而預(yù)測(cè)熱交換器部件的使用壽命(見(jiàn)圖5)。
CAE技術(shù)在系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用
發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等是由許多管路及部件通過(guò)各種不同的連接方式組合在一起的網(wǎng)絡(luò),整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中各部件相互耦合,且各自的物理參數(shù)不能單獨(dú)求解,所以需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的所有物理量進(jìn)行聯(lián)立求解;因此對(duì)于主機(jī)廠或整車廠來(lái)說(shuō),系統(tǒng)仿真顯得尤為重要。為解決這些問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)者依據(jù)流體網(wǎng)絡(luò)方法編制了有效的系統(tǒng)分析軟件,如商業(yè)軟件KULI(圖6)及FLOWMASTER。它們是面向工程的完備的系統(tǒng)仿真軟件包,對(duì)于復(fù)雜的物理問(wèn)題能夠快速有效地建立精確的系統(tǒng)模型,進(jìn)行仿真計(jì)算和結(jié)果分析,評(píng)價(jià)系統(tǒng)各參數(shù)是否匹配。FLOWMASTER軟件包含了一系列精心設(shè)計(jì)的模塊用于各種各樣的系統(tǒng)管流計(jì)算,能夠幫助工程師快速而準(zhǔn)確地對(duì)各復(fù)雜流體系統(tǒng)進(jìn)行仿真計(jì)算,國(guó)內(nèi)整車與主機(jī)廠(如一汽、玉柴等)已經(jīng)成功地將其引入了發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)等的開(kāi)發(fā)中。
值得一提的是,通過(guò)自帶接口程序,系統(tǒng)仿真軟件可以將計(jì)算結(jié)果輸出至部件仿真軟件,作為部件仿真模型的邊界條件;同時(shí)它也可以接受部件仿真軟件的結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)更精確的系統(tǒng)仿真。
CAE技術(shù)在熱交換器專用設(shè)計(jì)軟件中的應(yīng)用
商業(yè)軟件可以分析熱交換器部件或系統(tǒng)的普遍問(wèn)題,但由于各自廠家的產(chǎn)品各具特殊性,因此國(guó)外眾多熱交換器開(kāi)發(fā)商,如Delphi, Proliance等等公司已經(jīng)根據(jù)各自的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)出專用的熱交換器設(shè)計(jì)軟件。這些軟件適用于特定公司的系列產(chǎn)品,可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初始就進(jìn)行性能的分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化,極大提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率。成熟的專用設(shè)計(jì)軟件的開(kāi)發(fā)不是一蹴而就的,需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)的積累,目前國(guó)內(nèi)部分廠家也積極投入了這方面的研究。
CAE技術(shù)能夠有效改變車用熱交換器
領(lǐng)域的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和方法,提高設(shè)計(jì)能力和效率,因此CAE技術(shù)的應(yīng)用水平將成為衡量一個(gè)企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力的重要標(biāo)志。CAE技術(shù)在車用熱交換器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中會(huì)體現(xiàn)出更大的價(jià)值,并會(huì)有更廣闊的使用空間。
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