Ansys Fluent
в автомобилестроении

Параметрическое моделирование и проектирование натурных испытаний очень распространены в автомобильной промышленности, но такие подходы требуют больших вычислительных затрат и большого количества времени. Например, в подходе DOE моделирование идет до тех пор, пока не будут смоделированы все возможные комбинации параметрических переменных. Если используются несколько переменных, количество итераций становится слишком большим, и может потребоваться несколько дней для того чтобы завершить моделирование и определить, какая комбинация приводит к желаемому результату. Также стоит отметить, что инженерам, которые отвечают за моделирование, необходимо понимать, как работает тот или иной компонент, который они моделируют, и сразу же определять необходимые параметры.

Метод сопряженного моделирования впервые появился в мире авиастроения в 1970-х годах и только совсем недавно нашел свое применение в автомобильном производстве. Этот метод оказался гораздо более эффективным способом для решения задач, связанных с оптимизацией формы и уменьшением сопротивления. Настройка сопряженного моделирования не требует четкого определения всех параметров, как при использовании метода DOE. Инженеры определяют конкретные цели, и сопряженный метод меняет саму расчетную сетку для достижения установленной цели в рамках заданных производственных ограничений. В отличие от подхода DOE, сопряженный метод включает свободную форму оптимизации, которая требует меньшего количества симуляций для достижения оптимизации конструкции. Также этот метод изменяет уже существующую вычислительную сетку, поэтому нет необходимости каждый раз строить новую сетку. Как следствие, вычислительные ресурсы и время, необходимые для получения результата, обычно на порядки ниже, чем при других подходах.

/    Цель проекта

Инженеры компании SAIC Volkswagen применяли программное решение Ansys Fluent для снижения сопротивления воздуха на существующем серийном внедорожнике Volkswagen. Специалистам необходимо было получить представление об областях с особой чувствительностью к сопротивлению, а затем сосредоточиться на поиске способов снижения сопротивления в данных точках.

Одной из таких областей были боковые зеркала внедорожника. Инженеры SAIC Volkswagen создали поверхностную сетку в ANSA (их программного обеспечения для предварительной обработки), а затем импортировали ее в Ansys Fluent для создания объемной вычислительной сетки. После чего было проведено моделирование с использованием сопряженного решателя Ansys Fluent для оптимизации корпуса зеркала, чтобы достичь наименьшего коэффициента сопротивления. Моделирование заняло около четырех часов на вычислительном кластере с 512 ядрами и 64 ГБ памяти. , и дало представление об изменениях, которые можно внести в конструкцию для достижения наименьшего коэффициента сопротивления. С другой стороны, если бы моделирование на аналогичном кластере осуществлялось бы с помощью подхода DOE, то, скорее всего, потребовалось бы два-три дня для его завершения.

Возможность сократить время моделирования с нескольких дней до нескольких часов дает много преимуществ. В рамках проектирования есть только то количество времени, которое необходимо для того, чтобы дать рекомендации по изменениям, которые улучшат аэродинамику автомобиля. При использовании сопряженного решателя Ansys Fluent, инженеры могут выполнить гораздо большее количество симуляций, за время, отведенное на поиск решения. Это дает дополнительные возможности для инженеров. Например, если проектировщику не нравится то, как изменится внешний вид детали из-за оптимизации, он может применить другие изменения, которые иначе скажутся на внешнем виде. После этого, время, сэкономленное с помощью метода сопряженного моделирования, может быть использовано для запуска дополнительных итераций, чтобы найти наиболее подходящее решение..

Помимо этого, сэкономленное время может быть использовано для поиска других областей, где уменьшение сопротивления приведет к увеличению эффективности. В дополнение к анализу зеркал для снижения лобового сопротивления, инженеры использовали Ansys Fluent для анализа спойлера, передних стоек лобового стекла и задних фар. Решатель Ansys Fluent не только выполнил все эти задачи в течение отведенного времени, но и позволил инженерам определить возможности для снижения сопротивления во всех проанализированных областях.

/    Реализация проекта

В целом, возможности для оптимизации, предоставленные смежным решателем Ansys Fluent, могут обеспечить явный толчок для повышения топливной эффективности внедорожника за счет снижения лобового сопротивления. Инженеры SAIC Volkswagen использовали Fluent наряду с новейшей обобщенной моделью K-Omega (GEKO) для расчета стационарного состояния и высокоточной моделью вихревых процессов, смешанных с переходными напряжениями (SBES), поэтому инженеры компании были уверены, что решения, предложенные Fluent, были оптимальными в созданных условиях. В итоге, оптимизация, предложенная Ansys Fluent, предсказала 10-кратное снижение коэффициента сопротивления при моделировании стационарного состояния и 8-кратное снижение при моделировании переходных процессов.

Тем не менее, требовалось подтвердить точность полученных результатов. Для этого готовый автомобиль оснастили оптимизированными версиями компонентов, а затем подвергли испытаниям в Шанхайском автомобильном центре аэродинамических труб (SAWTC) в Университете Тунцзи. Поездка в аэродинамической трубе показала, что результаты сокращения коэффициента сопротивления в Ansys Fluent соответствуют результатам, измеренным в самой аэродинамической трубе.

/    Результаты работы

Будет ли соответствие результатов моделирования в Ansys Fluent и реальных результатов, полученными в SAWTC, причиной устранения необходимости проведения дорогостоящих испытаний в аэродинамической трубе? Это не совсем верно, ведь последнее слово все же остается за реальными тестами в аэродинамической трубе. Однако знание того, что результаты симуляций в Fluent почти полностью соответствуют реальным испытаниям, дает инженерам уверенность в том, что и в будущем точность результатов моделирования будет высокой. Время, полученное благодаря использованию сопряженного подхода к моделированию, может быть использовано для выполнения куда большего числа симуляций, чем это было ранее.

В конечном счете, компания получила улучшенный автомобиль с более эффективным использованием ресурсов, сниженным количеством выбросов в атмосферу и увеличенным запасом хода, что хорошо не только для SAIC Volkswagen или других производителей, но и для их потребителей, а также окружающей среды.