搜索熱交換器設計中的有限元分析
2013-06-20 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
應用CAE技術設計人員可在產品設計前期便發(fā)現設計缺陷并加以修改,避免了產品設計完成后性能不達標、延誤開發(fā)周期、產品成本高居不下的局面。這一設計已被越來越多應用于整車和零部件的開發(fā)中。據統(tǒng)計,豐田佳美在采用CAE虛擬樣機技術后研發(fā)時間縮短了10個月,人力投入減少20%,研發(fā)成本降低了30%,樣車數量減少了65%0另一個成功的例子是福特公司,采用了CAE技術后將開發(fā)每款新車的試驗次數從300次降低到80次。
CAE技術的產生是產品多樣化、智能化和復雜化的綜合要求,是包括產品設計、工程分析、數據管理、試驗、仿真和制造的綜合過程。CAE技術的應用需要一個載體,這個載體就是CAE軟件。CAE軟件是結合計算力學、計算數學、相關的工程科學、工程管理學和現代計算技術而形成的綜合性的知識密集型信息產品,可以分為專用和通用軟件兩類。專用軟件是對特定類型對象開發(fā)的用于性能分析、預測和優(yōu)化的軟件。近年來國內外大公司根據各自的產品紛紛致力于專用軟件的開發(fā),大大地提高了產品設計效率。通用軟件是指對多種類型對象的物理、力學性能進行分析、模擬、預測、評價和優(yōu)化,以實現產品技術創(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,這些軟件的主要對象是零部件,包括結構剛度、強度分析、非線性和熱場計算等;又如KULI, FLOWMASTER等系統(tǒng)仿真軟件的主要對象是分系統(tǒng)或系統(tǒng)。以上軟件通常包括優(yōu)化設計模塊,可以對結構參數進行優(yōu)化(這些軟件可以通過接口實現數據交換實現零件分析和系統(tǒng)分析的有機結合。
CAE技術在車用熱交換器設計中的應用
車用熱交換器主要包括:發(fā)動機中的機油冷卻器、中冷器、散熱器以及EGR冷卻器等以及汽車空調系統(tǒng)中的蒸發(fā)器和冷凝器。車用熱交換器的自主研發(fā)也是我國汽車自主品牌的一個重要方面。CAE技術在國外車用熱交換器企業(yè)的研發(fā)過程中被廣泛采用,而國內企業(yè)還處于起步階段。CAE技術在車用熱交換器中的應用主要有以下幾方面:熱交換器傳熱及流動性能的仿真、熱交換器可靠性仿真、系統(tǒng)仿真、以及熱交換器專用設計軟件等。
CAE技術在熱交換器傳熱及流動性能仿真中的應用
熱交換器的傳熱及流動特性是熱交換器的首要設計要求,因此也是CAE技術在熱交換器設計應用中最廣泛的方面〕熱交換器的性能仿真是應用通用工程分析軟件對熱交換器的傳熱性能及流體流動阻力進行數值計算,不僅可以得到熱交換器的總體性能,而且可以實現熱交換器內部的流體流場、壓力場及溫度場的可視化,能夠獲取用試驗方法無法得到的熱交換器內任意點的溫度、壓力和流速等細節(jié)(見圖1)。此外,還可以了解熱交換器的結構參數變化對熱交換器局部流場和溫度場的影響,為結構修改和最優(yōu)方案的確定提供理論依據。
CAE技術在熱文換器的可靠性分析中的應用
車用熱交換器的工作場合相對惡劣,特別是重型機械的應用場合,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技術對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力分析以及機械/熱疲勞分析。
靜力分析主要是靜態(tài)結構強度分析,通過分析可以得到結構應力、位移分布情況(見圖2),由此判斷結構在工作載荷作用下是否安全可靠,結構的哪些部位會產生應力集中,強度不夠,以便對結構進行改進設計。
分析和瞬態(tài)動力分析及譜分析。熱交換器中常見的分析為穩(wěn)態(tài)動力分析,包括模態(tài)分析和諧響應分析。模態(tài)分析是用于確定設計中結構或部件的振動特性,即固有頻率和振型(見圖3),可以對有預應力的結構進行模態(tài)分析和循環(huán)對稱結構模態(tài)分析。諧響應分析是用于分析持續(xù)的周期載荷在結構系統(tǒng)中產生的持續(xù)周期響應,確定線性結構在承受隨時間按正弦規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應的一種技術,其目的是計算出結構在幾種頻率下的響應值對頻率的曲線(見圖4)。通過諧響應分析,設計人員可以預測結構的持續(xù)動力特性,從而驗證設計能否克服共振、疲勞以及其它受迫振動所引起的有害效果。
此外,熱交換器長期處于車輛顛簸和發(fā)動機運轉所引起的機械振動和起/停機引起的冷熱交替的工況下,因此機械/熱疲勞破壞也是熱交換器常見的失效形式。疲勞分析是以前述分析為基礎,將材料的機械/熱疲勞性能引入計算,分析薄弱點的循環(huán)極限,從而預測熱交換器部件的使用壽命(見圖5)。
CAE技術在系統(tǒng)仿真中的應用
發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和空調系統(tǒng)等是由許多管路及部件通過各種不同的連接方式組合在一起的網絡,整個網絡中各部件相互耦合,且各自的物理參數不能單獨求解,所以需要對整個系統(tǒng)的所有物理量進行聯立求解;因此對于主機廠或整車廠來說,系統(tǒng)仿真顯得尤為重要。為解決這些問題,國內外學者依據流體網絡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,對于復雜的物理問題能夠快速有效地建立精確的系統(tǒng)模型,進行仿真計算和結果分析,評價系統(tǒng)各參數是否匹配。FLOWMASTER軟件包含了一系列精心設計的模塊用于各種各樣的系統(tǒng)管流計算,能夠幫助工程師快速而準確地對各復雜流體系統(tǒng)進行仿真計算,國內整車與主機廠(如一汽、玉柴等)已經成功地將其引入了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及空調系統(tǒng)等的開發(fā)中。
值得一提的是,通過自帶接口程序,系統(tǒng)仿真軟件可以將計算結果輸出至部件仿真軟件,作為部件仿真模型的邊界條件;同時它也可以接受部件仿真軟件的結果,從而實現更精確的系統(tǒng)仿真。
CAE技術在熱交換器專用設計軟件中的應用
商業(yè)軟件可以分析熱交換器部件或系統(tǒng)的普遍問題,但由于各自廠家的產品各具特殊性,因此國外眾多熱交換器開發(fā)商,如Delphi, Proliance等等公司已經根據各自的產品開發(fā)出專用的熱交換器設計軟件。這些軟件適用于特定公司的系列產品,可以在產品設計初始就進行性能的分析、預測和優(yōu)化,極大提高了產品設計效率。成熟的專用設計軟件的開發(fā)不是一蹴而就的,需要大量基礎數據和經驗的積累,目前國內部分廠家也積極投入了這方面的研究。
CAE技術能夠有效改變車用熱交換器
領域的傳統(tǒng)設計思想和方法,提高設計能力和效率,因此CAE技術的應用水平將成為衡量一個企業(yè)技術創(chuàng)新能力的重要標志。CAE技術在車用熱交換器產品的設計中會體現出更大的價值,并會有更廣闊的使用空間。
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