豐田案例：齒輪箱Fluent模擬仿真全攻略

2016-09-04 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

本期導(dǎo)讀

輪滑油在齒輪箱中不僅僅是作為潤滑系統(tǒng),它也作為冷卻劑,確保系統(tǒng)不會過熱甚至著火。

齒輪箱在許多行業(yè)中是常見的,包括汽車制造業(yè)。設(shè)計(jì)師們也需要一個快速且經(jīng)濟(jì)的方法去優(yōu)化它們的冷卻系統(tǒng)。為此豐田公司用ANSYS Fluent模擬了驅(qū)動裝置的冷卻系統(tǒng)。

齒輪網(wǎng)格劃分。注:該圖片并非豐田公司產(chǎn)品

齒輪箱過熱的原因

齒輪系統(tǒng)中的熱量通常來自摩擦。這種摩擦主要由齒輪嚙合和軸承和軸的運(yùn)動產(chǎn)生。這種熱形成機(jī)制在它影響到周圍的環(huán)境之前會把熱量轉(zhuǎn)移到外殼的輪滑油中。

“為了測試系統(tǒng),僅僅確保任何齒輪接觸點(diǎn)的輪滑是不夠的。還必須評估冷卻性能與油流動損耗。Dr. Gilles Eggenspiele,一位資深產(chǎn)品經(jīng)理解釋說:“ 這有助于確定油面的最佳高度,”

為了更好地評估驅(qū)動裝置,工程師們不僅要分析油的流動,而且要分析外部空氣的流動。一般來說這是一個很復(fù)雜的流體仿真,需要計(jì)算機(jī)具備極其強(qiáng)大的計(jì)算能力。目前的方法是將流體和車輛氣流建模分別采用數(shù)據(jù)耦合。這便使得計(jì)算步驟減少了很多,大大地減少了計(jì)算量。

齒輪箱輪滑油的模擬仿真過程

對流體體積的模擬仿真通常被用來研究輪滑油與驅(qū)動單元中空氣的表面作用。這項(xiàng)技術(shù)是用來檢測兩種互不相溶流體的相互作用。Eggenspieler說 “表面相互作用可以生成表面張力所形成的液滴。隨著液體的流動,網(wǎng)格將動態(tài)細(xì)化基于接口的位置”。一旦界面區(qū)域顯示出來,通過仿真過程我們就能知曉油與空氣的動態(tài)特征。

Eggenspieler補(bǔ)充道:“圍繞著接口,網(wǎng)格會更完善,通常是2-3梯度的單元細(xì)化,這種細(xì)化需要對仿真過程進(jìn)行適當(dāng)?shù)那蠼?。沒有接口的區(qū)域網(wǎng)格就會粗化,” 這種網(wǎng)格細(xì)化同時也不會降低求解速度。如果不是模型網(wǎng)格較好,那么仿真過程會需要很強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)性能才能進(jìn)行求解。

以一個重新嚙合區(qū)為例。注:該圖片并非豐田公司產(chǎn)品。

在模擬仿真中,齒輪建模使用了動態(tài)網(wǎng)格。Eggenspieler解釋道:“建立動態(tài)網(wǎng)格必須定義一個齒輪重新嚙合時的區(qū)域?；贏NSYS進(jìn)行第一設(shè)定轉(zhuǎn)速表面運(yùn)動。本質(zhì)上這種系統(tǒng)是以模擬時長乘以位移速度。這種表面作用會自動地重新劃分網(wǎng)格,”這意味著齒輪幾何形狀必須精確建模這樣劃分網(wǎng)格才可以確保準(zhǔn)確的流體流動。Eggenspieler 建議 “如果你一開始的網(wǎng)格建立的很完善,那么接下來的一切事情都很好解決.。畢竟齒輪是完全對稱的幾何體。最初畫網(wǎng)格,你必須確保你有一個尺寸函數(shù)。一般來說齒寬是齒高的10分之一。當(dāng)然每個公司都有他們自己的網(wǎng)格繪制方法?！?

然而,繪制網(wǎng)格并不像它聽起來這么容易。 Eggenspieler 澄清道, “需要2-3次的試驗(yàn)才能確定網(wǎng)格的精確優(yōu)化與快速求解.。當(dāng)你繪制一個能根據(jù)水/油相互作用而自動細(xì)化的網(wǎng)格時,你僅僅只得到了第一次仿真的最佳方案。工程師們必須確保他們有最佳的模擬裝置。首先,這會使得工程師們節(jié)省一大筆在選擇方案一還是方案二時所用的時間。這些最優(yōu)實(shí)踐法能夠重復(fù)使用多次甚至數(shù)年。一旦確定流體流動,運(yùn)用馮卡門類比法可以確定油的傳熱系數(shù) 。當(dāng)這些數(shù)據(jù)加上空氣流動的仿真之后,驅(qū)動裝置熱傳播的精確結(jié)果就能夠計(jì)算出來了。一個齒輪系統(tǒng)的仿真實(shí)例(不代表豐田的設(shè)計(jì))看下面的視頻:

體積流體仿真的好處

最終仿真過程模型需要130萬個網(wǎng)格。該模型顯示驅(qū)動單元的底部冷卻適當(dāng)而頂部過熱。通過重新定位驅(qū)動裝置散熱片,豐田公司能在加熱裝置初始設(shè)計(jì)時就被固定的情況下減少整機(jī)重量。

但是模擬仿真也有缺點(diǎn),畢竟仿真不能代替所有試驗(yàn)。工程師們還是必須進(jìn)行一些現(xiàn)場試驗(yàn)。 Eggenspieler 指出, “我們的模擬仿真與現(xiàn)場試驗(yàn)之間誤差率是很小的。但是人們最終還是會做現(xiàn)場試驗(yàn)。進(jìn)行模擬仿真的意義是: 需要進(jìn)行100次試驗(yàn)才能做的設(shè)計(jì),通過仿真以后你可能只需要做3-4次試驗(yàn)以及余下一些極端情況下的試驗(yàn)。仿真不可能完全代替試驗(yàn),但是可以用來加快設(shè)計(jì)速度,并且在設(shè)計(jì)初期就能夠提出性能評估,即使在第一臺樣機(jī)已經(jīng)生產(chǎn)出來的情況下。豐田為例,使用模擬仿真技術(shù),可以減少他們的驅(qū)動單元的重量達(dá)10%,同時提高了冷卻性能。

至于體積流體仿真方法的應(yīng)用,除了齒輪還有很多,其他應(yīng)用包括船體運(yùn)動,空泡螺旋槳,熔融金屬,海浪,石油和天然氣以及更多。

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