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同步CFD分析方法加速汽车设计

摘要

计算流体力学(CFD)分析软件的一个新种类“同步CFD”被证明在分析热、流体和气体流动状况方面效率非常高，帮助工程师在没有CFD 专家的情况，在他们的工作台上就能作出关键的设计决定。这种非常直观的集成在MCAD 环境中的流程，帮助设计工程师在多种汽车部件和系统如加热系统、冷却系统、油路系统、刹车系统、排气系统、车身板件等等产品的设计早期优化设计，降低制造成本。

传统和前端CFD 方法在使用上复杂、操作不灵活、或操作耗时，然而使用同步CFD 技术，结构设计团队可以加快设计流程，提高设计效率，减少设计返工，以此提高利润。本文包含了Mentor Graphcis 公司同步CFD 技术在汽车设计方面的两个案例。

众所周知，CFD（计算流体动力）形式的计算机模拟/虚拟模型技术，极大地降低了产品成本，加快了产品上市时间。然而，许多经营有益于电池内阻下降、放电功率提升；3是涂覆可禁止或下降隔膜氧化者尚未意识到软件的进步正使得小型和中型企业更易获取利润。多亏了诸如FloEFD（工程流体动力）这一类软件，我们无需再雇用或培训CFD 专家，外包分析给咨询公司，或对多个物理原型进行测试。如今在任何规模的公司，接受过一般培训的设计工程师都能够运用其现有的知识成功地进行流体流动和热分析，从而极大减少了所需原型的数量。

实现这一突破是因为FloEFD 简化了建立和运行流体流动或热分析的过程。当然，在一些要求高的应用中需要先进的专业知识，调整CFD 格划分和求解设置以便通过收敛求解。然而，我们的经验表明：利用现有知识，设计工程师无需特殊CFD 方面的培训，可以解决他们遇到的分析工作的80%-90%。这使得CFD 不再局限于专家领域，成为主流趋势，代表了设计过程中的根本性变化。正如CAD 从二维转向三维需要思维的飞跃，FloEFD 也是如此——而且结果也许更重要。

基于这些因素，CFD 的应用范围得到了极大的扩展。虽然汽车工业中的许多经营者可能认为流体流动分析是专门用来研究汽车外观的气体流动，但这实际上只是FloEFD 应用的开始。另一个可能想到的显著应用是研究阀内流体以确定阀的尺寸。然而，FloEFD 正用于优化设计和制造各种各样的零件，如泵、制动系统、过滤器、燃料电池、集合管、车灯车管、变速器和其他许多组件。值得注意的是，装置或加工过程中的热传导，不可避免地受流体流动效应的影响，因此，FloEFD 同样善于分析各种尺寸部件和系统的热效应。

仿真和模拟的目的是检查和确定新产品相关的重要设计决策，并尽量在设计的早期执行这些步骤。当处理的产品复杂度高时，这样做尤为关键。大多数汽车相关产品都被认为是复杂或较为复杂的产品。一个系统可能包含上千个单一零件。研发时间根据终端产品的复杂度，从数周到数年不等，而每一天，都意味着成本上升。图1 描述不同复杂度产品样机所需的时间和成本。请注意，这并不是一个完整的项目时间表，只不过是制造样机的部分。

图 1：制造物理样机的成本。资料来源：Aberdeen Group 调研

看完图 1 后，结论就是物理样机实在昂贵。所以最优秀的公司都努力用虚拟样品来替代物理样品。这是实际市场研究所证实了的事实。

FloEFD 仅为一个项目就可能省下数百万一个工程团队采购任何硬件或软件的最低限度是：可以节省我的时间和金钱吗？FloEFD 软件包，一般而言，获得永久许可证的成本在其第一个所应用的项目中就可以收回，然后逐年赚取利润。

对于上述时间和成本论令人信服的证据是由Aberdeen Group 进行的一项研究（工程决策支持：驱使做出更好的产品决定和加快产品推向市场的速度）。这项研究首次通过几大关键绩效指标对190 家公司进行比较，这些指标同满足成本/收入目标和确定产品推出日期相关，然后将其研究的公司分为三组：“最顶尖的”、“行业平均水平”和“落伍者”。表 1 少1.1 个物理模型情况下所节省的时间和成本表

资料来源: Aberdeen Group, 2007

表 1：Aberdeen Group 的研究表明: 使用的物理原型越少，尽可能使用软件中的虚拟模型，则可以极大地节省时间和金钱。

毫无疑问，行业先驱所采取的策略是尽可能地用虚拟模★9） 传感器动态精度：载荷局限内型替代物理原型。这些行业先驱采用的虚拟模型为平均7.3 个，而落后者只有2.8 个。下表格是少1.1 个物理模型情况下所节省的时间和成本。根据产品的复杂性和虚拟模型数，落伍者需要更多的物理原型。行业先驱平均物理模型为2.7 个，而落后者为3.8 个，如表1 显示：对于低复杂度的产品来说，节省的成本接近于一万美元；而对于高复杂度的产品来说，节省值超过一百万美元。几十年来，工程师和数学家一直试图通过计算流体力学(CFD)仿真，增强对流体力学和热传现象的理解与预测。目标是明确的—— 由此优化涉及到流体流动方面的产品设计和流程， 将物理实验的需求将到最低，最大限度减少时间，降低成本。

财政收益同样延长了产品的使用寿命。正如Autosim 财团（由欧洲委员会资助的项目）声明的那样，晚上市六个月的产品，与准时上市相比，即使已纳入财政预算，也会在五年内平均减少33%的收入。而且，正如表1 所示，只要减少一个物理原型，开发周期就可以减少14 天到100 多天。

如今，关键信息就是几乎所有的设计工程团队都可以做到节省这些时间和成本。

FloEFD 推动CFD 成为主流工程设计工具

任何一个工程团队都可以使用电脑模拟工程系统，而且下面的概念也无新的变化。数世纪以来，科学家使用数学模型描玉溪述我们的世界。牛顿与莱布尼兹分别发展了不同的微积分学以便将动力加入到模型中。事实上，利用一个相对简洁的模型，牛顿预测了行星轨道。该壮举具有革命性意义。它甚至挑战了人类对宇宙的看法。以后的几十年以及几世纪，研究员发现了描述不管是机械、机构、化学甚至整个电磁波领域的各种物理现象的公式。对于流体或者气体的流动，最基本的关系是最初于19 世纪早期提出的Navier-Stokes 方程。尽管由于现实问题非常复杂，Navier-Stokes 方程的作用有限，它很难找到一个解析解法，所以找到利用粗略近似数值方法变得必要，这就有了现在我们熟悉的计算流体动力学。

只有在 20 世纪50 年代，随着计算机的出现，CFD研究才真正开始，但研究基于研究员开发和编写的程序，即我们熟知的编码，一般在学术界或政府支持的项目上。这些程序一般是专为单个案例编写的。直到20 世纪80 年代，商业程序开始出现，CFD 使用面扩大，但这些程序需要专业人士操作，他们必须了解正确设置软件的技巧比如获取好的格、选择最好的求解和调整操作等。尽管如此，利用这些软件包，如果工程师能够定义几何模型，确定物理条件和描述一些初参数，他们仍可以模拟流场。

之前的软件版本开始广泛应用于解决商业CFD 软件的各种问题，软件供应商在过去的10 来年致力于提高格工具和求解器。接下来，即就是现在正在进行的步骤是平衡这些改进，取得新的突破，因而有了FloEFD（工程流体动力学）软件的问世，这一步骤的重要性如同第一次将商业软件介实验器材绍给世人。

操作 FloEFD 软件所需的技能仅为CAD 系统的知识和产品物理知识，

绝大部分设计工程师已经掌握了这两方面知识

此处的关键字是”工程”——该软件是专为日常的设计工程师而非专家设计。它移除了CFD 主流使用的所有障碍。直到目前为止，最大障碍是传统的CFD 软件要求用户对计算流体动力方面有很深的认识，以便求得准确结果。相比之下，FloEFD 的突破性优势包括其使用本地三维CAD 数据，自动定义流动空间和为其生成栅状格，以及管理基于对象特征的流动参数——所有这些综合在一起，通过方便的向导指示进行处理，工程师无需了解CFD 的计算部分。相反，他们可以专注于产品的流体动力性，这已成为了他们职责的一部分，因为对此他们都是训练有素和经验丰富的。使用FloEFD 软件所需的技能只是要了解CAD 系统和产品物理性，而绝大多数的设计工程师都已经具备这两项技能。

区分 FloEFD 的一重要方面在于它无缝集成于工程师所熟悉的机械CAD 软件包。安装FloEFD 软件后，所有需运行流动或热分析的菜单和命令都集成于CAD 软件包。FloEFD 将CAD 和CFD 两者的功能紧密结合（见图1），其拥有的几大主要优势在于：

工程师无需从CAD 环境中将文件输出至分析软件包，并花时间去建立“已准备就绪的CFD”几何模型，这一过程所耗费的时间如果不是几天就是几小时。相反，FloEFD 利用工程师在机械CAD 软件包生成的同一几何模型，包括对模型的任何修改，都自动导入至FloEFD 分析。

FloEFD 软件自动判定您所感兴趣的流体区域，而传统的CFD 软件需要用户自己定义其感兴趣的计算区域。

FloEFD 软件清楚地设立、运行格划分和求解。CFD 过于讨巧各方，它提供了广泛的选择，但大多数情况下并不需要。而FloEFD 软件能自动选择适合的求解结果，设置求解方式以得出解决方案。工程师也不必担心如何确定流动特性改变的时间和地点，因为FloEFD 支持层流-过渡-湍流模拟。

只需设置一次边界条件，由于操作环境统一，对应于几何形状，这些参数保持不变，除非工程师对其进行修改。

同样 FloEFD 加快了迭代设计过程；工程师能快速、轻易地将所学知识运用于分析和改进设计中。使用传统的CFD 软件，每次几何形状产生变化后，都必须重新生成格，这通常涉及到耗费时间的手动介入。相比之下，当几何形状产生变化，FloEFD 软件立即运行，自动生成新的格，在先前定义的边界条件下工作。因此，从变化的几何形状到运行求解和检验结果，完成这一步骤的速度大大加快。

总的来说，由于将CAD 和CFD 两者功能紧密结合，FloEFD 使得工作流程明显加快，运行分析时无需再执行好些人工设置的步骤。

图 2：在Pro/ENGINEER Wildfire 环境下对进气管进行流体流动分析

——FloEFD 软件能够分析物理设计的变化

处于概念阶段的时候，制造商通过FloEFD 进行模拟仿真，使得他们能探讨设计方案，发现设计缺陷，优化产品性能，然后开始详细设计或生成物理模型。FloEFD 支持“what-if”分析。工程师不必重新加载、确定边界条件和材料特性，就能修改实体模型。该软件还有助于进行参数分析，比如，对同一阀中各管壁的厚度进行多次分析，以确定最佳厚度。

广泛应用

直到最近，经理们一致认为：“我看不出FloEFD 是如何帮助我的职员更好地设计他们的产品。毕竟，流体流动并非我们设计中所考虑的主要因素。”与此同时，行业优秀企业却已发现FloEFD 所带来的巨大利益远远超出传统应用范围，诸如空气动力学。仅仅在汽车工业中，工程师就已使用FloEFD 软件设计下列产品和工艺，其中包括：

燃料喷射器、散热器、催化转换器、排气和排放控制系统、歧管、阀门、喷嘴、水泵和各种液压系统

通风罩下气流和散热管理

乘客舒适度和环境控制系统

水套、发动机机体和气缸内的冷却液流量

电子冷却系统，制动系统，动力传动元件和头灯等

热交换器和散热器的性能

通过过滤器的流量和压力降

燃料电池性能

整个车辆或诸如后视镜、挡风玻璃刮水器、扰流器等部件的空气动力性

该份列表清楚地表明，FloEFD 在汽车制造业以外的众多行业中仍十分有用。事实上，只有极少数的行业或产品领域无法受益。

为什么同步CFD 能缩短设计师的工作流程，提高公司的利润？

同步计算流体力学(CFD)是一项突破性技术，使得设计工程师能在整个产品生命周期，在他们熟悉的MCAD界面下，执行前端和同步CFD 分析，从而缩短设计时间，与传统方法和产品相比，缩短时间以数量级计。

与传统CFD 工具相比，同步CFD 能缩短高达%的时间，方便用户优化产品性能和可靠性，同时减少实验样品和研发成本，消除由交货期或产品质量问题引起的损失。

传统 CFD

在传统 CFD 中，首先要将模型从CAD 系统导出，导出的模型再导入到用户的CFD 工具中，然后进行格划分，求解，结果后处理以及将报告返回给设计团队。CFD 分析部分的工作通常是由专门的分析团队完成，或者外包，因此设计团队必须清楚说明需要解决的问题。当拿到结果报告后，实质上所分析的模型已经“过时”，因为随着设计工作的推进，设计不断更新，因此这就造成了结果总不能及时与设计相匹配。

前端 CFD

前端 CFD 试图通过CAD 和CFD 工具之间更为合理的界面来缓解上述设计师面临的难题。它带来了更为简洁的模型导入，但是CFD 分析工作仍是在CAD 系统之外进行。CAD 和CFD 工具之间频繁的模型导入可导致信息的减损。

同步 CFD

同步 CFD 工作流程完全不一样。它无缝集成在MCAD 环境中，所以分析工作是在MCAD 环境中完成。尽管将CFD 无缝集成到CAD 工具中要求高难度技术，然而它却能输送非凡的效益。为取得最佳产品质量必须不断更改设计，所有设计更改直接在CAD 模型上完成，因此保证设计和CFD 分析总是同步。

传统 CFD

前端 CFD

进一步分析CFD 流程，可看到分析过程中的多个步骤。传统和前端CFD 中，需要将模型从CAD 系统中导出，再导入到CFD 工具中，并进行模型处理，使实体模型适合分析之用。当有任何设计更改发生时，如果为了保证设计和分析的同步，这些步骤就必须重复。

通常，这个方法要求分析的流体区域是密闭空间。在CAD 术语中，这是指修复几何模型，使得模型缝合起来，CFD 分析中通常称为“模型处理”。这是CFD 分析必然要求的步骤，因此三个方法都包含此步骤。

这些系统要求建立一个空间体，以代表流体区域。大多数传统CFD 格工具在固体模型上划分格，因此它们要求提供固体模型。然而，CFD 仿真求解的是流体区域，这就必须在CAD 系统里面用一个大的实体通过布尔操作分割出额外的一个体来。通常这些操作在CAD 系统里面完成，反向得到流体区域，然后转入CFD 系统进行格划分。

同步 CFD

然而，同步CFD 却是不同的工作方法。用来做CFD 分析的模型是原始的CAD 模型。这意味着不需要模型转换步骤，设计工程师也从未离开CAD 系统。

因此，同步CFD 不需要“模型转换”或“定义流体区域”步骤。格生成的步骤仍需要，但它所需要的时间仅数分钟，而不是来回反复消耗数小时。

同步CFD 提供的另一优势没有体现在图表中。当设计工程师自己操作设计分析后，他们自然很快领会如何在CAD 工具中建立适合分析的模型，消除“模型处对高份子聚合物的大部份利用而言理”步骤，因此节省的时间比图表显示的还要多。

用户案例

工程师告知其使用软件享受到的优势时，便是对该软件包价值的真正考验。此处就有两个故事表明如今数以千计使用FloEFD 软件的用户对其感到非常满意。

Ventrex 汽车：节省50 个模型，上市时间提前四个月

正如早前在白皮书中解释的那样，运行虚拟样机而不是制造物理模型能极大地节省时间和成本。这显然是位于奥地利格拉茨的Ventrex 汽车有限公司的经验之谈。该公司为所有主要汽车制造商供应压缩机和空气调节阀。

近来的挑战是研发适合新型二氧化碳制冷剂的阀门，其取代了那些适于氢氟碳化合物的阀门。这些新流体在7 倍乃至10 倍更高压力下运行，许多空调系统的部件诸如用于系统排气和进气的阀门需要重新设计，FloEFD 的关键优势在于它能仿真新设计中的压力降而无需建立真实物理模型，它还能提供诊断信息，如流场内每点的流速和流场，使得工程师能够确定最优设计。

图 3：Ventrex 汽车有限公司阀门生产情况。FloEFD 软件加速新阀门上市时间达4 个月

Ventrex 长期以来一直使用CATIA，因此他们选择FloEFD.V5，可直接嵌入CAD 环境中。不是将模型留在

了CAD 软件中，Ventrex 工程师只要执行菜单选择，就将CATIA 中的数据导入到了FloEFD 中进行模拟，自动确定阀内有流体流动的空隙所在之处，工程师仅需指定边界条件以及该边界条件下的进口和出口压力。该公司的项目经理表示：“几小时内，我们就对初步的概念设计有了完整的模拟，并能够集中精力去改善它。”

结果是“嵌入CAD 的CFD 软件，其确定仿真结果几乎同我们改变设计的速度一致。我们能够将新型二氧化碳阀的流速提高15%，同时几乎减少50 个模型，上市时间提前四个月。

Miniature Precision Components：快速评估12 个设计方案。

在汽车和商业行业中，全球公认的居于领先地位的创新设计和世界一流热塑性零件生产商——MiniaturePrecision Components（MPC）公司，其提供功能化热塑检波器性注射、挤压和吸气式吹塑成型配件/辅助配件。MPC 总部设在美国Wisconsin 的Walworth, 公司拥有约1500 名员工。

生产零排放车辆这一长期性任务的过渡性步骤是生产由电力或氢燃料电池所驱动的车辆，在美国几个大洲中，允许发放牌照给继续使用汽油发动机的部分零排放车辆（PZEVs）。为了符合PZEV 资格，车辆必须满足“超低排放车辆”的标准，其燃料系统实现零蒸发排放物。PZEV 主要特点是车辆在进气口对氢氟碳化合物进行密封，以防止发动机停止后含杂质氢氟碳化合物发生泄漏——它必须这样做，以避免空气进入发动机引起背压明显增加。因为背压增加将对燃料效率和性能产生不利影响。

在竞争激烈的氢氟碳化合物密封装置设计中，MPC 公司的工程师从物理设计生成CATIA 模型开始。他们先分析各种基于经验形成的初步模型。使用FloEFD.V5 软件来分析很简易，仅需定义边界条件和运行流动分析。很快他们便发现采用5 个辐条的模型得到的背压最低，但还是不够低。然后泡沫机工程师数十次修改5 个辐条的设计，每次均改变了辐条的几何形状和碳元素间距。负责该项目的工程师表示：“最终，我至少能够在该软件中实现背压目标。我们建立快速模型，并根据CFD 预测发现背压处于0.1 英寸水中最低。”

大幅提高生产力的简便步骤

迄今为止，我们希望已使您确信FloEFD 为您做出巨大贡献，努力减少成本和加速产品上市时间，同时优化产品设计，从而提升客户满意度。仅在第一个项目中，就可收回投资在软件上的费用。这是因为该软件嵌入到工程师已使用的CAD 系统中，可直接使用，而且学习时间特别短—— 在数小时内，使用FloEFD软件的工程师便可收获颇多。

如果您是使用下列任何一种主流三维CAD 软件包，我们将提供集成于FloEFD 的解决方案，这样您就可以快速将其投入使用:

CATIA V5 – FloEFD.V5

Pro/ENGINEER Wildfire – o

几乎其他任何一种CAD 软件包，如Autodesk Inventor、Siemens NX，Solid Edge, CoCreate, SpaceClaim

等都可以选用——FloEFD。这里，您可以将CAD 模型导入FloEFD 环境下，并立即获得FloEFD 设计过程中的所有特性和功能。(end)