汽车淋雨试验室喷淋装置的模拟仿真
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汽车淋雨试验室喷淋装置的模拟仿真
作者：东北林业大学交通学院孔庆华柏丽敏
1
淋雨室概况
汽车淋雨试验是一种人工环境实验方法，它用于测试汽车的防
雨密封性能，模拟汽车在使
用条件下遇到自然降雨或滴水环境因素后的影响。淋雨试验方
法的研究和应用已有多年历
史。
早在
7
0
年代法国
航空
标准、
美国军用标准和英国军用标准中均正式规定了有关人工淋
雨、暴雨和防滴水方面
的条款。我国也于
1990
年做出规定：
GB/T 12480-90
客车防雨密
封性试验方法。
2
研究目的和意义
< br>随着国民经济的快速发展，对产品的设计过程要尽快采用现代设计方法，以便从根本上保
< br>证产品的质量和水平。
CAD
/
CAE
/CAM
技术的普遍应用为产品的设计开发提供了可靠
的先
进手段，
一度被人们称为
3C
。
计算机软硬件功能的飞速发展，
有力的促
进了
3C
技术的应
用不断向纵深发展
，
人们逐渐体会到计算机辅助设计的真正含义。
针对车辆产品的
总目标，
着重从软件的求解功能、数据结构、前后处理器的功能、用户界面、易学易用性
等方面进
行比较。
Ansys
软件不
仅求解问题的功能完全满足其要求，而且在应用方面，图形用户界
面（
< br>GUI
）给用户的应用提供了直观的途径，引导用户一步一步的进行分析。因此本
文采
用
Ansys
软件进行参数化设计与仿真。
参数化建模是指先用一组参数来定义几何图形
(
体素
)
尺寸数值并约束尺寸关系
,
然后提供给
设计者进行几何造型使用。它的主题思想是用几何约
束、数学方程与关系来说明产品模型
的形状特征
,
从而得到一簇在形状或功能上具有相似性的设计方案。
产品设计的目的是为了
满足工业生产、科学研究和实际生活的需要。对于实际需要提出的各种各样的要求
,
工业产
品在功能上
,
型号上都要不断的进行改进。
如果以往的设计不能满足功能的
要求
,
就要重新设
计产品
;
如果仅是应用工况的不同造成的产品在尺寸方面的不同
,
只需要开发不同尺寸型号
的产品就可以了。对于系列化、
通用化和标准化的定型产品
,
设计所采用的数学模型及产品
的结构都是相对固定不变的
,
所不同的只是
产品的结构尺寸有所差异
,
而结构尺寸的差异是
由于相同数目及类型的已知条件在不同规格的产品设计中取不同值造成的。对于这类产品
进行设计时
,
采用参数化建模方法对尺寸进行替换
,
这样对于不同结构尺寸的产品只需要改
变
相应参数化尺寸的值就可以自动迅速的得到产品的模型
,
省去了
大量重复过程
,
提高了设
计生产效率。
3
实验室的参数化设计与模拟仿真
3.1 ANSYS
软件概述
ANSYS
是目前世界顶端的有限元商业应用程序。美国
John
Swanson
博士于
1970
年
创
建
ANSYS
公司后
,
便开发出了该应用程序
,
以
此用计算机模拟工程结构分析
,
历经
3
0
多年
的不断完善和修改
,
现成为全球的工程应用最受欢迎的应用程序。其最新版本是
ANSYS8
.1
。
该
应用程序的主要特点是紧跟计算机硬件、软件发展的最新水平
,
功能丰富
,
用户界面好
,
前
后处理和图形功能完备
,
并且使用高效的有限元系统。它拥有丰富的、完善的单元库、材料
模型库和求解器
,
保证了它能够高效地求解各类结构的静力、动力、振动、线性和非线
性问
题
,
并能有效地求解温度场问题、
散热场以及多场耦合问题
;
它的友好的
图形界面和程序结构
使用户易学易用
,
通常专业人员在一个月左右的时间内就能掌握其应用方法和技巧
;
它的完
全交互式前后处理和图形文件
,
大大减轻了用户创建工程模型
,
生成有限元模型以及分析和<
/p>
评价结果的工作量
;
它的统一和集中的数
据库
,
保证了系统各模块之间的可靠和灵活的集成
;
它的
DDA
模块实现了它与多个
CAD
软件产品的有效连接。
ANSYS
的
各种产品适应于各
种计算机平台的版本
,
为用户提供了各种可能的选择。
当今
ANSYS
的全球用户高达
5000
多家。
二十世纪九十年代我国引入该应用程序后
,
广泛
用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源工程、汽车交通、国防军
工、
电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学
研究
,
为各领域的产品设计、结构分析和科学研究作出了应有的
贡献。
3.2
仿真的必要性
首先根据流体力学和能量转换理论设计淋雨实验室喷淋系统，选择最佳节能效果和最低经
济成本的设计方案。对每个喷头的喷水量进行分析计算，把计算出来的数据录入计算机，
利用
ANSYS
模拟软件，对淋雨试验进行模拟仿真，以
达到设计结果的可视化。可以让用
户通过可视化的模拟仿真系统直接对设计的实验设备有
所了解，并可以根据用户的要求随
意调整各个参数，通过人机交互达到改进设计的目的，
从而满足不同用户的各种需求。例
如，
试验对象可以是整车
,
也可以是车身部分。
如果为卡车
,
只对驾驶室部分进行淋雨试验就
足够了
,
同时也可节约资金。实现缩短设计周期、优化设计方案、节约设计成
本的目的，以
此促进我国汽车工业和国民经济的快速发展。
3.3
参数化有限元模型的建立
进入
ANSYS
的前处理模块
,
在工具菜单中
(UtilityMenu)
中选择
Parameters
选项下
ScalarParameters
< br>项
,
调出参数尺寸定义界面，
如
图
1
所示。
本文以一个喷头的参数为
例，
将模型中需要进行参数化的尺寸依次输入定义，完成参数化过程。实际问题中
,
需要参数化
的尺寸是有限的
,
在定义参数尺寸时
,
要注意
不要使得模型过约束。然后在
ANSYS
中开始
建模
,
在模型中的尺寸如果是参数化的
,
要用尺寸的定义名输入
,
否则参数化信息没有进入模
型。
<
/p>
在参数化模型建立后
,
进行正常的单元定
义
,
实参数定义
,
单元划分
,
加载
,
求解工作。
在这些过
程进行后
,
通过
ANSYS
的
LGWRITE
命令保存命令流文
件
,
文件名为
。
Jobname
为自定义的分析文件名名称。用记事本打开
,
可以看到操作的步骤都被一一被
AN
SYS
以一定的格式记录下来
,
对其
中的尺寸定义部分进行编辑
,
保存文件。
开始一个新的
分析过程
,
用
ANSYS
的
/INPUT
命令将
文件读入
ANSYS,
由于是批处理文
件
,
因此程序自动进行分析过程得到参数化尺寸编辑后的模型及其计算结果。
从上述论述中
,
可以看到应用
ANSYS
的参数化模型建立功能可以方便的得到相同结构不同尺寸模型的模
型结果和分析结果。只有在参数化模型建立后
,
才
可以进行进一步的优化分析过程。
3.4
仿真过程
本文主要采用
ANSYS
软件对淋雨实验室喷淋系统进行仿真分析研究。产品的各项性能均
符合国
家标准
GB/T 12480-90
客车防雨密封性试验方法。
3.4.1
模型的建立
有限元模型是进行
有限元分析
的计算模型或数学模型，它为计算提供原始的数据。建模是
整个有限元
分析过程的关键，模型合理与否将直接影响计算结果的精度、计算时间的长短
及计算过程
能否完成。
由于用管路是轴对称图
形，二维模型就能清楚地显示其中水的流动情况，因此为了节省计
算机使用空间和减少计
算时间，本文利用
ANSYS
的前处理模块分别建立顶部、侧
面和底
部各一个管路的二维模型。如下图所示是他们的二维几何模型示意图。
图
2
二维几何模型
3.4.2
模型的网格划分
< br>有限元法的基本思想是把复杂的形体拆分为若干个形状简单的单元，利用单元节点变量对
< br>单元内部变量进行插值来实现对总体结构的分析，将连续体进行离散化即称网格划分。离
< br>散而成的有限元集合将替代原来的弹性连续体，所有的计算分析都将在这个模型上进行。
< br>因此，网格划分将关系到有限元分析的规模、速度和精度以及计算的成败。实验表明：如
< br>果网格划分太稀就会使计算精度不够，达不到预期效果；但是，相反的随着网格数量的增
< br>加，计算精确度逐渐提高，计算时间增加不多；但当网格数量增加到一定程度后，再继续
< br>增加网格数量，计算精确度提高甚微，而计算时间却大大增加。在进行网格划分时，应注
< br>意网格划分的有效性和合理性。这样就存在一个最佳网格密度问题，本模型首先采用整体
< br>智能网格划分，然后在拐角处进行人工控制网格划分对其进行细化，以便于有限元计算结
< br>果符合实际情况。
3.4.3
限制边界条件
加载即用边界条件数据描述结构的实际情况，即分析结构和外
界之间的相互作用。分析时
假定入口流场均匀，且无径向分量。以单级单吸离心清水泵为
例，当流量
Q=100m3/h
，扬
程
h=50m
，
转速
n=2900r/min
，
功率
F
=22KW
，
进口直径
d0=100m
m
，
泵体耐压
p=1.0MPa
，
排水口直径
d1=80mm
，叶轮名义外径
d2=200mm
时，可取入口速度为管路里按照公式
v=Q/A
计算所得的速度，轴向和周向速度为零；在所有壁面上施加无滑移边界条件，即所
有速度分量均取为零；由于流体按不可压缩处理，且其性质恒定，所以在这种情况下，压
力就可只考虑相对值，
即在出口处施加的压力边界条件是相对压力为零；
由于是湍流分析，
可将出口处局部放大，以使流场能得到充分发展。在加载
时，边界条件可直接施加在几何
模型上，其优点在于当改变有限元网格而重新进行分析时
，无需在节点上重新施加边界条
件；而通常的做法是将边界条件加载在有限元模型上，这
样当改变有限元网格时，必须先
删去现有节点上的边界条件，再施加新的载荷，以保证加
载的准确性。但要注意：无论采
取何种加载方式，
ANSYS
求解前都将载荷转化到有限元模型上。因此，加载到实体的载
荷
将自动转化到其所属的节点或单元上。
执行主菜单
Preprocessor>Loads>Apply>Velocit
y>On Lines
（施加速度在线上）命令；执
行主菜单<
/p>
Preprocessor>Loads>Apply>Pressure DOF>On
Lines
（
施加压力自由度在线上）
命令。
3.4.4
求解