车用热交换器设计中的CAE技术

2017-03-02 by:CAE仿真在线来源:互联网

领域的传统设计思想和方法,提高设计能力和效率,因此CAE技术的应用水平将成为衡量一个企业技术创新能力的重要标志。CAE技术在车用热交换器产品的设计中会体现出更大的价值,并会有更广阔的使用空间。

应用CAE技术设计人员可在产品设计前期便发现设计缺陷并加以修改,避免了产品设计完成后性能不达标、延误开发周期、产品成本高居不下的局面。这一设计已被越来越多应用于整车和零部件的开发中。据统计,丰田佳美在采用CAE虚拟样机技术后研发时间缩短了10个月,人力投入减少20%,研发成本降低了30%,样车数量减少了65%0另一个成功的例子是福特公司,采用了CAE技术后将开发每款新车的试验次数从300次降低到80次。
CAE技术的产生是产品多样化、智能化和复杂化的综合要求,是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造的综合过程。CAE技术的应用需要一个载体,这个载体就是CAE软件。CAE软件是结合计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学和现代计算技术而形成的综合性的知识密集型信息产品,可以分为专用和通用软件两类。专用软件是对特定类型对象开发的用于性能分析、预测和优化的软件。近年来国内外大公司根据各自的产品纷纷致力于专用软件的开发,大大地提高了产品设计效率。通用软件是指对多种类型对象的物理、力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化,以实现产品技术创新的软件,如NASTRAN,ANSYS,ABAQUS,MARC及旧EAS等有限元软件和FLUENT等有限差分软件,这些软件的主要对象是零部件,包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等;又如KULI,FLOWMASTER等系统仿真软件的主要对象是分系统或系统。以上软件通常包括优化设计模块,可以对结构参数进行优化(这些软件可以通过接口实现数据交换实现零件分析和系统分析的有机结合。
CAE技术在车用热交换器设计中的应用
车用热交换器主要包括:发动机中的机油冷却器、中冷器、散热器以及EGR冷却器等以及汽车空调系统中的蒸发器和冷凝器。车用热交换器的自主研发也是我国汽车自主品牌的一个重要方面。CAE技术在国外车用热交换器企业的研发过程中被广泛采用,而国内企业还处于起步阶段。CAE技术在车用热交换器中的应用主要有以下几方面:热交换器传热及流动性能的仿真、热交换器可靠性仿真、系统仿真、以及热交换器专用设计软件等。
CAE技术在热交换器传热及流动性能仿真中的应用
热交换器的传热及流动特性是热交换器的首要设计要求,因此也是CAE技术在热交换器设计应用中最广泛的方面〕热交换器的性能仿真是应用通用工程分析软件对热交换器的传热性能及流体流动阻力进行数值计算,不仅可以得到热交换器的总体性能,而且可以实现热交换器内部的流体流场、压力场及温度场的可视化,能够获取用试验方法无法得到的热交换器内任意点的温度、压力和流速等细节(见图1)。此外,还可以了解热交换器的结构参数变化对热交换器局部流场和温度场的影响,为结构修改和最优方案的确定提供理论依据。

CAE技术在热文换器的可靠性分析中的应用
车用热交换器的工作场合相对恶劣,特别是重型机械的应用场合,因此热交换器的可靠性也是热交换器正常工作的重要保障。CAE技术对热交换器可靠性的仿真主要包括:热交换器的静力分析和动力分析以及机械/热疲劳分析。
静力分析主要是静态结构强度分析,通过分析可以得到结构应力、位移分布情况(见图2),由此判断结构在工作载荷作用下是否安全可靠,结构的哪些部位会产生应力集中,强度不够,以便对结构进行改进设计。

分析和瞬态动力分析及谱分析。热交换器中常见的分析为稳态动力分析,包括模态分析和谐响应分析。模态分析是用于确定设计中结构或部件的振动特性,即固有频率和振型(见图3),可以对有预应力的结构进行模态分析和循环对称结构模态分析。谐响应分析是用于分析持续的周期载荷在结构系统中产生的持续周期响应,确定线性结构在承受随时间按正弦规律变化的载荷时的稳态响应的一种技术,其目的是计算出结构在几种频率下的响应值对频率的曲线(见图4)。通过谐响应分析,设计人员可以预测结构的持续动力特性,从而验证设计能否克服共振、疲劳以及其它受迫振动所引起的有害效果。

此外,热交换器长期处于车辆颠簸和发动机运转所引起的机械振动和起/停机引起的冷热交替的工况下,因此机械/热疲劳破坏也是热交换器常见的失效形式。疲劳分析是以前述分析为基础,将材料的机械/热疲劳性能引入计算,分析薄弱点的循环极限,从而预测热交换器部件的使用寿命(见图5)。

CAE技术在系统仿真中的应用
发动机冷却系统、润滑系统和空调系统等是由许多管路及部件通过各种不同的连接方式组合在一起的网络,整个网络中各部件相互耦合,且各自的物理参数不能单独求解,所以需要对整个系统的所有物理量进行联立求解;因此对于主机厂或整车厂来说,系统仿真显得尤为重要。为解决这些问题,国内外学者依据流体网络方法编制了有效的系统分析软件,如商业软件KULI(图6)及FLOWMASTER。它们是面向工程的完备的系统仿真软件包,对于复杂的物理问题能够快速有效地建立精确的系统模型,进行仿真计算和结果分析,评价系统各参数是否匹配。FLOWMASTER软件包含了一系列精心设计的模块用于各种各样的系统管流计算,能够帮助工程师快速而准确地对各复杂流体系统进行仿真计算,国内整车与主机厂(如一汽、玉柴等)已经成功地将其引入了发动机冷却系统、润滑系统及空调系统等的开发中。

值得一提的是,通过自带接口程序,系统仿真软件可以将计算结果输出至部件仿真软件,作为部件仿真模型的边界条件;同时它也可以接受部件仿真软件的结果,从而实现更精确的系统仿真。
CAE技术在热交换器专用设计软件中的应用
商业软件可以分析热交换器部件或系统的普遍问题,但由于各自厂家的产品各具特殊性,因此国外众多热交换器开发商,如Delphi,Proliance等等公司已经根据各自的产品开发出专用的热交换器设计软件。这些软件适用于特定公司的系列产品,可以在产品设计初始就进行性能的分析、预测和优化,极大提高了产品设计效率。成熟的专用设计软件的开发不是一蹴而就的,需要大量基础数据和经验的积累,目前国内部分厂家也积极投入了这方面的研究。
CAE技术能够有效改变车用热交换器
领域的传统设计思想和方法,提高设计能力和效率,因此CAE技术的应用水平将成为衡量一个企业技术创新能力的重要标志。CAE技术在车用热交换器产品的设计中会体现出更大的价值,并会有更广阔的使用空间。

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