【案例分析】基于ANSYS CFD的自行車設計

2016-11-01 by:CAE仿真在線來源:ANSYS

作者:David Higgins Larisa Marsh

本文介紹了Avanti Bikes采用ANSYS提供的流體動力學軟件進行自行車的開發(fā),其中設計的一款競賽自行車還贏得英聯(lián)邦運動會金牌和新西蘭鐵人三項賽的冠軍。

Chrono Evo II和Pista Evo II是Avanti Bikes目前速度最快的競速自行車,馳騁于各種分秒必爭的自行車賽事中。在2010年舉辦的英聯(lián)邦運動會上,Alison Shanks騎乘Avanti賽車勇奪女子3000米個人追逐賽金牌;Cameron Brown則憑借Avanti賽車的優(yōu)異性能奪得2011年新西蘭鐵人三項賽冠軍。

該項目不僅獲得新西蘭最優(yōu)設計最高獎,還榮獲備受矚目的2012年國際紅點設計大獎。用于計時賽或鐵人賽(Chrono)和賽道賽(Pista)的比賽自行車均采用ANSYS提供的流體動力學軟件開發(fā)而成。為設計這兩款自行車,Dynamic Sports Engineering(DSE)的工程師首先使用ANSYS CFD-Flo計算流體動力學(CFD)軟件優(yōu)化單個部件的空氣動力學特性,比如頭管、前叉、中軸和座撐。

接著工程人員將各個部件組成完整結構,進行系統(tǒng)仿真,測試自行車整體在負20度到正20度側風條件下的空氣動力性能。工程人員手動完成一系列設計的測試工作,最終得到一個最優(yōu)解決方案,可以使阻力降低20%左右(與之前的型號相比)。阻力的下降可以使賽手在一小時的比賽中節(jié)省大約一分鐘的時間。

圖1 Avanti開發(fā)的Chrono Evo II

1業(yè)界領先的競賽自行車制造商

Avanti在1985年發(fā)布自己的首款自行車,現(xiàn)在提供的型號超過110款,主要在新西蘭和澳大利亞銷售。Avanti與新西蘭一家當時只有兩名工程師的小型工程咨詢公司DSE達成協(xié)議,DSE公司幫助Avanti從空氣動力學角度設計新自行車。DSE的創(chuàng)始人David Higgins從那時起就開始為Avanti公司工作。

DSE的工程師使用CFD-Flo軟件。這是一種產(chǎn)品設計專用軟件,并得到ANSYS CFX的支持。該軟件能直接用Pro/ENGINEER®中完成的自行車初始設計。向?qū)Чδ芸梢砸龑Чこ處熗瓿砂ㄟ吔鐥l件規(guī)范在內(nèi)的仿真物理設置,并驗證是否已經(jīng)輸入全部必要信息。

CFDFlo軟件采用先進的技術,具有運行時間短,項目周轉快的特點,可以通過ANSYS Workbench環(huán)境高效地將CFD集成到設計流程中。DSE按照自行車不同部件接觸空氣流的近似順序,逐一對這些部件的空氣動力學屬性進行研究。

國際自行車聯(lián)盟是自行車比賽運動的主管機構,規(guī)定車架管材的長度不得大于寬度的三倍,最大深度80毫米,最小寬度25毫米。車架由兩個相接的三角框構成,一個朝向自行車的前方,一個朝向自行車的后方。計時賽/鐵人賽自行車與賽道自行車的區(qū)別在于:前者針對典型的戶外有風條件設計,而后者則針對室內(nèi)無風條件而設計。

2前叉和前部連接設計

為構建叉腿,該公司首先對一種專用的前叉設計進行評估。這種設計包含成對的翼面結構。可將氣流導離車輪。但在實際情況下,Avanti Pista等賽道賽車采用的是碟形車輪,需要將氣流附著在車輪的后側(讓氣流包住車輪)。

因此,工程師認為這并不是理想的自行車前叉設計方案。接下來,工程師決定使用常規(guī)的前叉,并在多個不同氣流角度條件下對不同的前叉深度和寬度進行評估,最終將最佳角度確定為正10度左右。

根據(jù)這項研究結果,該公司開發(fā)出了一系列新的前叉設計。最新前叉設計的單獨阻力僅為27克力,而前面提到的專用前叉設計的阻力是36克力,從這個角度來說,這是最先進的前叉設計。

圖2 前叉噴射流

工程人員隨后開始研究其他車架組件,首先進行的是前部連接設計,也就是前管和上管在車把下相連的位置。在上一代設計中,剎車位于前叉的后部,車把位于上管上方,而且上管向自行車前方傾斜。工程師根據(jù)分析結果對設計進行了調(diào)整,讓車把與上管水平對齊,剎車位于前叉的內(nèi)側。

將剎車置于流線型前叉結構的內(nèi)部有利于降低剎車的紊流效應。另外,可以增加計時賽/鐵人賽用車和賽道用車從前到后的深度。新的設計在處理自行車側風方面更加優(yōu)秀,能將其轉換為側向力而非阻力。

圖3 前叉阻力(隔離):不同迎風角下前叉阻力的降低程度

3后部連接設計

接下來工程師進行自行車的后接頭設計,即立管、上管和后上叉相結合的位置。前一代自行車采用較寬的車架構件,后剎車位于臨近后上叉頂部的位置。

CFD顯示這個區(qū)域的空氣動力學性能較差,因此需要進行重新設計。工程師修改了立管的外形,使其與后車輪外形相匹配。就如何將后上叉安裝到立管上這個問題,開發(fā)小組嘗試了九種不同方法,最終采用了美國國家航空咨詢委員會(NACA)建議的對稱外形。

工程師還重新設計了中軸區(qū)域,這里是腳踏板與車架相連的地方。對于后剎車來說,常規(guī)公路自行車的后剎車通常位于后上叉的頂部,而新設計將后剎車置于中軸后方、后下叉下方的位置,這樣能夠顯著降低阻力。

此外,工程師還將Evo II兩款自行車的每條鋼線都整合到車架內(nèi)部,開辟了完全內(nèi)部走線之先河。

鋼線從車閘扳手開始在自行車內(nèi)部穿行,經(jīng)過車把和把立,直至變速器和剎車。將鋼線置于內(nèi)部不僅可以降低阻力,還能使車身更加美觀。

圖4 在每一個版本的后上叉設計中,氣流均未附著在Pista Evo II的后輪上

圖5 從對后上叉最終設計的仿真中可以看出,車輪周圍的氣流狀況有所改善

4完整結構設計

工程師完成自行車單個部件的設計后,需要將各個部件組合成完整的系統(tǒng),并對整體結構進行分析。求解每個復雜自行車整車模型需要大約八個小時。

初步結果令人滿意,隨后開發(fā)小組又對系統(tǒng)進行了精細調(diào)節(jié),以實現(xiàn)進一步改進。接著,開發(fā)小組構造第一批原型,并在各種風角下進行風洞測試。測試證明,用ANSYS軟件開發(fā)的新自行車設計與上一代設計相比可將阻力降低20%。

圖6 不僅要仿真單獨部件,還需要將自行車作為一個完整系統(tǒng)進行整體仿真,這樣可以進行微調(diào),從而優(yōu)化自行車的性能

圖7 僅針對賽道賽車—30英里每小時下(阻力轉換為自行車軸向力):最新設計的自行車其阻力比早期的兩款自行車(分別用淺藍色和深藍色線段代表)下降了20%。CFD仿真結果為紅色線段

5好評如潮

Avanti最終開發(fā)出的Evo II自行車贏得了自行車媒體的一致好評?！禕iking Australia》報道稱:“這是一輛非常了不起的自行車,與Avanti以往的設計有很大不同。

Avanti充分利用最先進的技術,將一輛近乎完美的自行車投入市場。碳纖維車架是設計人員的嘔心瀝血之作。這一構思從圖紙到成型歷經(jīng)了無數(shù)個步驟。不管看似多么微小的細節(jié)都有助于自行車更好地適應環(huán)境條件并對賽手的操縱做出響應,從而對自行車的最終性能起到?jīng)Q定作用。”

新西蘭最佳設計獎的產(chǎn)品類評委對Avanti這款屢獲殊榮的自行車做出了高度評價,稱其為“具備最高制作和技術水平的世界級產(chǎn)品,是新西蘭產(chǎn)品設計的杰出代表。這款超輕便的高性能自行車體現(xiàn)了設計人員對細節(jié)絲絲入扣的關注。這款設計足以讓新西蘭成為自行車運動(世界最嚴苛的運動之一)和休閑領域的佼佼者?！?