重型工程装备的1&3D热管理仿真
文摘
科技
2023-09-27 11:37
北京
概述
随着重型装备系统变得越来越复杂，管理并重用系统中的余热，同时使其保持最佳运行温度，这方面的挑战性也在不断提高。因此，对工程装备进行优化设计，使其具有高效而强大的热管理系统就尤为重要，因为重型非公路用车具有独特的热力学特性。重型装备常被用于一些难以想象的严酷环境中，从零度以下的北极地区到极其炎热的热带地区，从满是灰尘的非洲煤矿到充满泥泞的阿根廷牧场。经过冷却格栅的气流很容易被泥土或冰块堵塞；重型装备往往移动速度较低，这就意味着，从外部进入的气流可能速度很低；灰尘可能进入发动机舱，降低冷却模块的能力。同时密集的工作负荷也增加了热失控事件 （例如火灾）的风险。所有这一切都必须在设计阶段加以考虑。避免热失控风险的解决方案往往就是让冷却系统的组件性能大于要求。但是，燃油经济性通常是所有车队管理人员首要考虑的事项，无论是公路用车还是工程用车都是如此。这就让设计师不得不平衡热安全性和燃油经济性。随着客户对动力系统和发动机舱集成度越来越高的需求，重型机械的冷却系统设计也变得愈发困难。西门子工业软件Simcener平台为用户在重型机械热管理工程实践中提供了一套全面的综合仿真解决方案。步骤一：通过系统仿真进行功能设计
使用系统仿真解决方案具有几项核心优势。其中最显著的一项就是速度。系统仿真速度极快，因为不需要计算机辅助设计 (CAD) 模型，计算时间只需几秒或几分钟，并且前处理和后处理也相对简单。从热管理角度而言，系统仿真可分析部件在车舱环境和发动机温度等不同热输入下的性能反应和表现。理想情况下，系统仿真设计需要易于使用，图形化方法就是关键所在。最佳解决方案让工程师们通过选择组件模型的方式，并将其放入基于物理架构的系统模型中。这样就可以轻松测试许多不同的解决方案，例如试验不同型号的部件以确定发生热失控事件的可能性。使用系统仿真方法可以构建整个车辆模型，包括变速器、发动机、液压系统、电子元件、风扇和冷却模块（见图 1）。此类模型不需要太多的数据或时间即可构建。一旦完成系统仿真之后，用户就可以获取大量的输出数据，例如风扇速度或散热器上的空气质量流速。数据通常以图表形式显示，可供进行完整的系统评估。此外，多个热模型可以同时构建并相互关联，例如动力系统模型和车舱模型，而且外部情况（例如：严酷的天气）也可以考虑在内；这样，多个系统之间的连锁效应就可以通过仿真得出。尽管此类模型是一维的，但它们可供设计师在设计过程的早期准确确定关键部件的型号，例如散热器与风扇的匹配。它们还可供尽早对所有部件进行可靠性分析，这样设计师就能发现冷却泵故障之类问题。为了确定重型机械冷却系统的选型匹配，工程师需要研究发动机和车舱内的完整能量平衡，同时充分考虑整车和所有子系统之间的热耦合。 Simcenter Amesim软件是西门子工业软件提供的一种完整系统仿真解决方案。它所提供的多学科统一建模环境可准确模拟发动机冷却和冷启动阶段（包含风扇、换热器和泵之类所有部件），并可以集成HVAC、发动机和液压系统。可准确研究系统及其随着时间变化的表现，并可准确确定部件选型和比较不同架构、控制策略（见图 2）。系统模型还可以提供完整的车舱热仿真功能，包括加热、 通风和空调系统。如果没有系统仿真解决方案，在样机制作阶段之前，即使对车辆在冷却过程中的空调系统性能等基本热管理子系统进行分析，对于开发人员而言，也是一个极为挑战且漫长的过程。此外，一旦构建并验证了系统仿真模型，就可以将其用作未来开发工作的起点。用户无需从头开始，而是只要输入新参数，匹配不同车辆约束即可。这种强大的技术可供用户在几秒钟的时间内对整个任务曲线进行建模和仿真。使用 Simcenter Amesim 的客户HatzDiesel 改进了其柴油发动机设计的冷却系统：系统仿真速度快，无需太多的数据输入，但仅有系统仿真方法还不够。实际上，Simcenter Amesim提供的仿真数据：风扇速度或空气质量流速等，为另外一种仿真分析提供了必要的输入，即计算流体力学仿真CFD。这些数据在多物理场CFD 仿真软件Simcenter STAR-CCM+ 中设置边界条件时是必不可少的（见图 3）。这意味着，CFD工程师通过直接使用Simcenter Amesim 中的数据，就可开始仿真工作，无需等待试验数据。不过在研究完整CFD仿真之前，用户还可以考虑另一种概念，即嵌入式CFD仿真。图 3：Simcenter Amesim数据用于设置CFD仿真中的边界条件步骤二：嵌入式CFD-方案验证
除了使用系统仿真结果用于功能预设计以外，还可以通过嵌入式 CFD 方法进一步获益。这是一种有效的耦合模式，是系统仿真和CFD仿真的衍生方案。嵌入式CFD方法兼具系统仿真才有的仿真速度和CFD方法的保真度。越来越多的重型车辆制造商主要研发 (R&D) 部门不再只是采用系统仿真加CFD仿真的传统方法，而是转而采用并行使用不同仿真类型的方法以实现最快的开发时间。嵌入式CFD，能够更快迭代，便于其他工程师开始对控制器之类其他机器部件进行分析工作，比以前的速度要快很多。最终，这种方法实现了更快的整机开发设计验证（见下方图 4）。使用 Simcenter 解决方案时，嵌入式CFD是一种引导式的自动化过程。它从 Simcenter Amesim模型开始。例如，基本的发动机舱或操作舱的形状尺可以快速的通过模版进行定义，并不是通过 CAD完成的。之后，Simcenter STAR-CCM+使用自动化多面体网格划分功能创建仿真模型。用户只需引入环境的边界条件即可。流程高度自动化的水平，意味着这些仿真无需资深CFD工程技术人员即可实现。得益于系统仿真与CFD 仿真软件解决方案的这种 “智能耦合”， Simcenter Amesim 仅在需要的时候才触发CFD仿真，在后台运行并将结果发送回Simcenter Amesim以供后处理。整个系统都可通过 Simcenter Amesim 的简单图形用户界面来操作。Simcenter STAR-CCM+的用户CNH Industrial表示，使用CFD仿真能够帮助企业设计更好的工程装备：步骤三：完整 CFD 三维热流场仿真
完成系统仿真和混合仿真后，工程师们就可以了解机器的性能并准确确定选型方案。此时恰好可以开始生成CAD模型，进行数字化测试阶段的纯CFD分析。本质上而言，使用CFD仿真可以轻松执行数百、甚至数千种不同的仿真，这就意味着实际物理测试更像一种确认与验证过程。这大幅降低了在物理原型中发现重大热问题而需要回退到制图变更阶段的风险。此外，由于仿真工具可供工程师运行比物理样机多出很多的工况，因此成果就不只是更快、更低价地开发机器。它还意味着，产品本身比不用仿真工具开发的机器更加可靠。完整的 CFD 仿真是工程师可以详细确定是否所有组件都已达到目标温度的阶段。此时必须考虑更加详细的 3D 环境以及所有 3D 效应和相互作用。同时，必须正确分析部件设计，可考虑材料属性以确保冷却方案的可行和高效。现代化CFD仿真工具意味着，可以在几天的时间内运行成百上千种场景，这些过程过去需要几周的时间。这种提速也是流程自动化的重要成果。如果考虑传统热管理系统设计工作流程，通常需要对成千上万种不同部件进行建模，才能详细对其进行研究。如今，OEM 在手动准备这些模型。他们随后使用单独的程序来对机器的不同部件进行分析，例如车舱热热舒适性和动力系统热管理，最后再将所有这些集成到一起。但是，最好的现代化CFD系统将数据与CAD系统联系起来，实现自动化工作流来迅速产生成果。应用此方法的一个典型例子就是研究进入车辆进气口的气流。下面的图 5 添加了流线用于可视化仿真，这样用户就能直观地查看发生的情况。图 5：使用 Simcenter STAR-CCM+ 模拟整机周围流场使用模型放大发动机舱，可以获得更加详细的视图。在图6中，气流根据温度绘色。热空气从发动机舱出来，气流流线显而易见。如果在设计早期执行，这种仿真可以指导用户改进风扇布置。当然，不仅是车辆移动的时候，类似的仿真也可以在车辆怠速，或者车辆在停止时也可以运行仿真。图7的车辆处在怠速且稍微顺风的工况下，结果发动机舱很热，表明周围有热空气，并被吸回发动机中。当然这不仅仅是散热器的问题。现代化CFD软件的真正功能在于为成千上万个零件建模的能力，涵盖所有相关的物理场。例如，如果需要进行材料属性分析，任何材料的基本属性，例如铝或钢，都可以输入模型中，从而结合这些材料的不同热传导属性进行仿真。另一个示例是零部件分析。模型包含将近14,000个零件。此类零部件现在可以在虚拟环境中进行热测试，这与先前OEM只能到物理样机制作阶段才知道零件是否会有故障的时代大不相同。但我们如何处理从CFD仿真中获得的信息呢？如何使用这些信息找到更好的零部件和整机设计呢？其中一个示例是使用这些分析结果减少换热器周围的热空气循环。这些信息还可以帮助定位换热器和出风口以实现最大的均匀性。通过优化流经换热器的气流，我们可以降低风扇的速度或选型，两种方式都可以帮助减少风扇噪声。我们还可以优化流经进气口的气流，确保冷空气被吸入而限制热空气循环（见图 8）。此外，CFD 还可以用来确保电子元件和其他温度敏感的组件不会放置在热空气聚集的区域，目标是降低或消除热故障发生的可能性，这些工作在生成第一个物理样机之前就可以实现。结论
重型装备的现代化热管理仿真方法应该融合系统仿真、嵌入式CFD仿真和完整CFD仿真（见下图 9）。这种方法可以在设计阶段早期就布置各种组件，让用户明白风扇和换热器等零部件需要满足哪些条件，才能提供满意的油耗和可靠的热安全性。嵌入式CFD方法可以在 CAD 完成之前的设计早期阶段使用更具预测性的三维模型。最后，最为复杂的部分就是完整 CFD 模型，这是以复杂的3D CAD模型为基础的。为了尽可能高效的推进产品开发，此过程需要并行耦合各种仿真方法。设计师需要根据需要使用系统、嵌入式CFD和 CFD 仿真。这也可以是一个循环迭代过程，因为完整CFD 阶段发现的新问题可能引发新一轮的系统和嵌入式CFD仿真，这样才能快速找到解决方案。需要谨记的是，必须快速确定设计影响因素并获得结果。重型装备OEM如今所处的市场环境竞争水平史无前例，这就需要以更加严苛的热属性需求，开发更加复杂的设备，并且上市时间也要不断缩短。使用西门子公司的 Simcenter仿真解决方案可以比使用物理样机的传统方法，进行更多的仿真和虚拟测试。本质上将物理样机制作阶段转化为验证过程，而在此过程中发现设计中重大热问题的概率极低。显著的成效就是，所需的物理样机数量减少一半，因而得以削减开发成本，大幅提高重型装备OEM的竞争优势。图 9：融合系统仿真、嵌入式 CFD 和完整 CFD 仿真参考资料
Lockridge, D. (2021) 编撰 9 ways innovative fleets save fuel，重型卡车运输：加利福尼亚州托伦斯
Winter, T. (2021) 编撰 Manufacturer uses Simcenter Amesim to design diesel engines faster and more efficiently，西门子：慕尼黑
Romain, N. 和 Frederick, R. (2021) 编撰保护重型装备在恶劣工作条件下免于过热[点播式网络研讨会]，西门子：慕尼黑。
Hayfield, H. (2021) 编撰 Construction moves inexorably towards electrification，《国际工业车辆技术》：伦敦。
Lyne, A. 等人 (2021) 编撰 Emerging technology for heavy-duty and off-highway vehicle development [2021年6月 22 日实时研讨会 ]，机械工程师学会：伦敦。
西门子 (2021) 编撰 Auto supplier cuts number of physical prototypes in half，西门子：慕尼黑。
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作者：景腾跃
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