熱交換器設(shè)計中的有限元分析

2013-06-20 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

應(yīng)用CAE技術(shù)設(shè)計人員可在產(chǎn)品設(shè)計前期便發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷并加以修改,避免了產(chǎn)品設(shè)計完成后性能不達標、延誤開發(fā)周期、產(chǎn)品成本高居不下的局面。這一設(shè)計已被越來越多應(yīng)用于整車和零部件的開發(fā)中。據(jù)統(tǒng)計,豐田佳美在采用CAE虛擬樣機技術(shù)后研發(fā)時間縮短了10個月,人力投入減少20%,研發(fā)成本降低了30%,樣車數(shù)量減少了65%0另一個成功的例子是福特公司,采用了CAE技術(shù)后將開發(fā)每款新車的試驗次數(shù)從300次降低到80次。

CAE技術(shù)的產(chǎn)生是產(chǎn)品多樣化、智能化和復(fù)雜化的綜合要求,是包括產(chǎn)品設(shè)計、工程分析、數(shù)據(jù)管理、試驗、仿真和制造的綜合過程。CAE技術(shù)的應(yīng)用需要一個載體,這個載體就是CAE軟件。CAE軟件是結(jié)合計算力學、計算數(shù)學、相關(guān)的工程科學、工程管理學和現(xiàn)代計算技術(shù)而形成的綜合性的知識密集型信息產(chǎn)品,可以分為專用和通用軟件兩類。專用軟件是對特定類型對象開發(fā)的用于性能分析、預(yù)測和優(yōu)化的軟件。近年來國內(nèi)外大公司根據(jù)各自的產(chǎn)品紛紛致力于專用軟件的開發(fā),大大地提高了產(chǎn)品設(shè)計效率。通用軟件是指對多種類型對象的物理、力學性能進行分析、模擬、預(yù)測、評價和優(yōu)化,以實現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的軟件,如NASTRAN, ANSYS, ABAQUS,MARC及舊EAS等有限元軟件和FLUENT等有限差分軟件,這些軟件的主要對象是零部件,包括結(jié)構(gòu)剛度、強度分析、非線性和熱場計算等;又如KULI, FLOWMASTER等系統(tǒng)仿真軟件的主要對象是分系統(tǒng)或系統(tǒng)。以上軟件通常包括優(yōu)化設(shè)計模塊,可以對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化(這些軟件可以通過接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換實現(xiàn)零件分析和系統(tǒng)分析的有機結(jié)合。

CAE技術(shù)在車用熱交換器設(shè)計中的應(yīng)用

車用熱交換器主要包括:發(fā)動機中的機油冷卻器、中冷器、散熱器以及EGR冷卻器等以及汽車空調(diào)系統(tǒng)中的蒸發(fā)器和冷凝器。車用熱交換器的自主研發(fā)也是我國汽車自主品牌的一個重要方面。CAE技術(shù)在國外車用熱交換器企業(yè)的研發(fā)過程中被廣泛采用,而國內(nèi)企業(yè)還處于起步階段。CAE技術(shù)在車用熱交換器中的應(yīng)用主要有以下幾方面:熱交換器傳熱及流動性能的仿真、熱交換器可靠性仿真、系統(tǒng)仿真、以及熱交換器專用設(shè)計軟件等。

CAE技術(shù)在熱交換器傳熱及流動性能仿真中的應(yīng)用

熱交換器的傳熱及流動特性是熱交換器的首要設(shè)計要求,因此也是CAE技術(shù)在熱交換器設(shè)計應(yīng)用中最廣泛的方面〕熱交換器的性能仿真是應(yīng)用通用工程分析軟件對熱交換器的傳熱性能及流體流動阻力進行數(shù)值計算,不僅可以得到熱交換器的總體性能,而且可以實現(xiàn)熱交換器內(nèi)部的流體流場、壓力場及溫度場的可視化,能夠獲取用試驗方法無法得到的熱交換器內(nèi)任意點的溫度、壓力和流速等細節(jié)(見圖1)。此外,還可以了解熱交換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對熱交換器局部流場和溫度場的影響,為結(jié)構(gòu)修改和最優(yōu)方案的確定提供理論依據(jù)。

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CAE技術(shù)在熱文換器的可靠性分析中的應(yīng)用

車用熱交換器的工作場合相對惡劣,特別是重型機械的應(yīng)用場合,因此熱交換器的可靠性也是熱交換器正常工作的重要保障。CAE技術(shù)對熱交換器可靠性的仿真主要包括:熱交換器的靜力分析和動力分析以及機械/熱疲勞分析。

靜力分析主要是靜態(tài)結(jié)構(gòu)強度分析,通過分析可以得到結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移分布情況(見圖2),由此判斷結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下是否安全可靠,結(jié)構(gòu)的哪些部位會產(chǎn)生應(yīng)力集中,強度不夠,以便對結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。

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分析和瞬態(tài)動力分析及譜分析。熱交換器中常見的分析為穩(wěn)態(tài)動力分析,包括模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析。模態(tài)分析是用于確定設(shè)計中結(jié)構(gòu)或部件的振動特性,即固有頻率和振型(見圖3),可以對有預(yù)應(yīng)力的結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析和循環(huán)對稱結(jié)構(gòu)模態(tài)分析。諧響應(yīng)分析是用于分析持續(xù)的周期載荷在結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中產(chǎn)生的持續(xù)周期響應(yīng),確定線性結(jié)構(gòu)在承受隨時間按正弦規(guī)律變化的載荷時的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù),其目的是計算出結(jié)構(gòu)在幾種頻率下的響應(yīng)值對頻率的曲線(見圖4)。通過諧響應(yīng)分析,設(shè)計人員可以預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性,從而驗證設(shè)計能否克服共振、疲勞以及其它受迫振動所引起的有害效果。

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此外,熱交換器長期處于車輛顛簸和發(fā)動機運轉(zhuǎn)所引起的機械振動和起/停機引起的冷熱交替的工況下,因此機械/熱疲勞破壞也是熱交換器常見的失效形式。疲勞分析是以前述分析為基礎(chǔ),將材料的機械/熱疲勞性能引入計算,分析薄弱點的循環(huán)極限,從而預(yù)測熱交換器部件的使用壽命(見圖5)。

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CAE技術(shù)在系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用

發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)和空調(diào)系統(tǒng)等是由許多管路及部件通過各種不同的連接方式組合在一起的網(wǎng)絡(luò),整個網(wǎng)絡(luò)中各部件相互耦合,且各自的物理參數(shù)不能單獨求解,所以需要對整個系統(tǒng)的所有物理量進行聯(lián)立求解;因此對于主機廠或整車廠來說,系統(tǒng)仿真顯得尤為重要。為解決這些問題,國內(nèi)外學者依據(jù)流體網(wǎng)絡(luò)方法編制了有效的系統(tǒng)分析軟件,如商業(yè)軟件KULI(圖6)及FLOWMASTER。它們是面向工程的完備的系統(tǒng)仿真軟件包,對于復(fù)雜的物理問題能夠快速有效地建立精確的系統(tǒng)模型,進行仿真計算和結(jié)果分析,評價系統(tǒng)各參數(shù)是否匹配。FLOWMASTER軟件包含了一系列精心設(shè)計的模塊用于各種各樣的系統(tǒng)管流計算,能夠幫助工程師快速而準確地對各復(fù)雜流體系統(tǒng)進行仿真計算,國內(nèi)整車與主機廠(如一汽、玉柴等)已經(jīng)成功地將其引入了發(fā)動機冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)及空調(diào)系統(tǒng)等的開發(fā)中。

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值得一提的是,通過自帶接口程序,系統(tǒng)仿真軟件可以將計算結(jié)果輸出至部件仿真軟件,作為部件仿真模型的邊界條件;同時它也可以接受部件仿真軟件的結(jié)果,從而實現(xiàn)更精確的系統(tǒng)仿真。

CAE技術(shù)在熱交換器專用設(shè)計軟件中的應(yīng)用

商業(yè)軟件可以分析熱交換器部件或系統(tǒng)的普遍問題,但由于各自廠家的產(chǎn)品各具特殊性,因此國外眾多熱交換器開發(fā)商,如Delphi, Proliance等等公司已經(jīng)根據(jù)各自的產(chǎn)品開發(fā)出專用的熱交換器設(shè)計軟件。這些軟件適用于特定公司的系列產(chǎn)品,可以在產(chǎn)品設(shè)計初始就進行性能的分析、預(yù)測和優(yōu)化,極大提高了產(chǎn)品設(shè)計效率。成熟的專用設(shè)計軟件的開發(fā)不是一蹴而就的,需要大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗的積累,目前國內(nèi)部分廠家也積極投入了這方面的研究。

CAE技術(shù)能夠有效改變車用熱交換器

領(lǐng)域的傳統(tǒng)設(shè)計思想和方法,提高設(shè)計能力和效率,因此CAE技術(shù)的應(yīng)用水平將成為衡量一個企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新能力的重要標志。CAE技術(shù)在車用熱交換器產(chǎn)品的設(shè)計中會體現(xiàn)出更大的價值,并會有更廣闊的使用空間。

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