【案例分析】基于ANSYS CFD的自行车设计

2016-11-01  by:CAE仿真在线  来源:ANSYS

作者:David Higgins  Larisa Marsh 

本文介绍了Avanti Bikes采用ANSYS提供的流体动力学软件进行自行车的开发,其中设计的一款竞赛自行车还赢得英联邦运动会金牌和新西兰铁人三项赛的冠军。

Chrono Evo II和Pista Evo II是Avanti Bikes目前速度最快的竞速自行车,驰骋于各种分秒必争的自行车赛事中。在2010年举办的英联邦运动会上,Alison Shanks骑乘Avanti赛车勇夺女子3000米个人追逐赛金牌;Cameron Brown则凭借Avanti赛车的优异性能夺得2011年新西兰铁人三项赛冠军。

该项目不仅获得新西兰最优设计最高奖,还荣获备受瞩目的2012年国际红点设计大奖。用于计时赛或铁人赛(Chrono)和赛道赛(Pista)的比赛自行车均采用ANSYS提供的流体动力学软件开发而成。为设计这两款自行车,Dynamic Sports Engineering(DSE)的工程师首先使用ANSYS CFD-Flo计算流体动力学(CFD)软件优化单个部件的空气动力学特性,比如头管、前叉、中轴和座撑。

接着工程人员将各个部件组成完整结构,进行系统仿真,测试自行车整体在负20度到正20度侧风条件下的空气动力性能。工程人员手动完成一系列设计的测试工作,最终得到一个最优解决方案,可以使阻力降低20%左右(与之前的型号相比)。阻力的下降可以使赛手在一小时的比赛中节省大约一分钟的时间。

1业界领先的竞赛自行车制造商

Avanti在1985年发布自己的首款自行车,现在提供的型号超过110款,主要在新西兰和澳大利亚销售。Avanti与新西兰一家当时只有两名工程师的小型工程咨询公司DSE达成协议,DSE公司帮助Avanti从空气动力学角度设计新自行车。DSE的创始人David Higgins从那时起就开始为Avanti公司工作。

DSE的工程师使用CFD-Flo软件。这是一种产品设计专用软件,并得到ANSYS CFX的支持。该软件能直接用Pro/ENGINEER®中完成的自行车初始设计。向导功能可以引导工程师完成包括边界条件规范在内的仿真物理设置,并验证是否已经输入全部必要信息。

CFDFlo软件采用先进的技术,具有运行时间短,项目周转快的特点,可以通过ANSYS Workbench环境高效地将CFD集成到设计流程中。DSE按照自行车不同部件接触空气流的近似顺序,逐一对这些部件的空气动力学属性进行研究。

国际自行车联盟是自行车比赛运动的主管机构,规定车架管材的长度不得大于宽度的三倍,最大深度80毫米,最小宽度25毫米。车架由两个相接的三角框构成,一个朝向自行车的前方,一个朝向自行车的后方。计时赛/铁人赛自行车与赛道自行车的区别在于:前者针对典型的户外有风条件设计,而后者则针对室内无风条件而设计。

2前叉和前部连接设计

为构建叉腿,该公司首先对一种专用的前叉设计进行评估。这种设计包含成对的翼面结构。可将气流导离车轮。但在实际情况下,Avanti Pista等赛道赛车采用的是碟形车轮,需要将气流附着在车轮的后侧(让气流包住车轮)。

因此,工程师认为这并不是理想的自行车前叉设计方案。接下来,工程师决定使用常规的前叉,并在多个不同气流角度条件下对不同的前叉深度和宽度进行评估,最终将最佳角度确定为正10度左右。

根据这项研究结果,该公司开发出了一系列新的前叉设计。最新前叉设计的单独阻力仅为27克力,而前面提到的专用前叉设计的阻力是36克力,从这个角度来说,这是最先进的前叉设计。

图2 前叉喷射流

工程人员随后开始研究其他车架组件,首先进行的是前部连接设计,也就是前管和上管在车把下相连的位置。在上一代设计中,刹车位于前叉的后部,车把位于上管上方,而且上管向自行车前方倾斜。工程师根据分析结果对设计进行了调整,让车把与上管水平对齐,刹车位于前叉的内侧。

将刹车置于流线型前叉结构的内部有利于降低刹车的紊流效应。另外,可以增加计时赛/铁人赛用车和赛道用车从前到后的深度。新的设计在处理自行车侧风方面更加优秀,能将其转换为侧向力而非阻力。

3后部连接设计

接下来工程师进行自行车的后接头设计,即立管、上管和后上叉相结合的位置。前一代自行车采用较宽的车架构件,后刹车位于临近后上叉顶部的位置。

CFD显示这个区域的空气动力学性能较差,因此需要进行重新设计。工程师修改了立管的外形,使其与后车轮外形相匹配。就如何将后上叉安装到立管上这个问题,开发小组尝试了九种不同方法,最终采用了美国国家航空咨询委员会(NACA)建议的对称外形。

工程师还重新设计了中轴区域,这里是脚踏板与车架相连的地方。对于后刹车来说,常规公路自行车的后刹车通常位于后上叉的顶部,而新设计将后刹车置于中轴后方、后下叉下方的位置,这样能够显著降低阻力。

此外,工程师还将Evo II两款自行车的每条钢线都整合到车架内部,开辟了完全内部走线之先河。

钢线从车闸扳手开始在自行车内部穿行,经过车把和把立,直至变速器和刹车。将钢线置于内部不仅可以降低阻力,还能使车身更加美观。

图4 在每一个版本的后上叉设计中,气流均未附着在Pista Evo II的后轮上

图5 从对后上叉最终设计的仿真中可以看出,车轮周围的气流状况有所改善

4完整结构设计

工程师完成自行车单个部件的设计后,需要将各个部件组合成完整的系统,并对整体结构进行分析。求解每个复杂自行车整车模型需要大约八个小时。

初步结果令人满意,随后开发小组又对系统进行了精细调节,以实现进一步改进。接着,开发小组构造第一批原型,并在各种风角下进行风洞测试。测试证明,用ANSYS软件开发的新自行车设计与上一代设计相比可将阻力降低20%。

图6 不仅要仿真单独部件,还需要将自行车作为一个完整系统进行整体仿真,这样可以进行微调,从而优化自行车的性能

图7 仅针对赛道赛车—30英里每小时下(阻力转换为自行车轴向力):最新设计的自行车其阻力比早期的两款自行车(分别用浅蓝色和深蓝色线段代表)下降了20%。CFD仿真结果为红色线段

5好评如潮

Avanti最终开发出的Evo II自行车赢得了自行车媒体的一致好评。《Biking Australia》报道称:“这是一辆非常了不起的自行车,与Avanti以往的设计有很大不同。

Avanti充分利用最先进的技术,将一辆近乎完美的自行车投入市场。碳纤维车架是设计人员的呕心沥血之作。这一构思从图纸到成型历经了无数个步骤。不管看似多么微小的细节都有助于自行车更好地适应环境条件并对赛手的操纵做出响应,从而对自行车的最终性能起到决定作用。”

新西兰最佳设计奖的产品类评委对Avanti这款屡获殊荣的自行车做出了高度评价,称其为“具备最高制作和技术水平的世界级产品,是新西兰产品设计的杰出代表。这款超轻便的高性能自行车体现了设计人员对细节丝丝入扣的关注。这款设计足以让新西兰成为自行车运动(世界最严苛的运动之一)和休闲领域的佼佼者。”

图8 风洞测试与仿真预测的关联性良好

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