排气系统设计人员利用多物理场仿真技术减少了测试前设计验证所需的高成本迭代工作

排气系统设计人员利用多物理场仿真技术减少了测试前设计验证所需的高成本迭代工作

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设计排气系统是一件非常复杂的事情,需要去考虑多种不同的物理现象。设计人员必须考虑排气系统内部的气流及其对发动机回压的影响。气流在经过排气歧管时会产生振动和噪声,设计时应尽量消除。系统温度必须保证最大限度地提高排气后处理性能,并且将对环境和相邻车辆组件的影响降到最低。Active Exhaust 公司采用多物理场仿真技术在测试之前对设计进行验证,减少了高成本的迭代工作。

Active Exhaust 是一家世界级工业发动机和车辆应用尾气管理系统供应商。公司专注于开发5 马力到700 马力之间的移动和固定发动机的声音、排放以及热管理解决方案。

公司总部位于加拿大多伦多,包括研发、产品工程和客户支持及北美制造中心。公司约有275 名员工,此外,其在中国和印度有两家海外合资公司,并在美国设有仓库。Active Exhaust 的技术所面向的市场包括:消费者和商业草坪护理设备、建筑和农业机械、焊机和发电机、以及全地形越野车、露营车和多用途运载车等。

  • 1、通过测试验证设计

过去公司使用的是根据现有管道和消声器元件内部开发的2D 设计工具。设计工程师使用这些工具完成了粗略的设计,但设计几何结构的精确度、文档和范围都不理想。发动机制造商必须遵守美国环保局和农业部制定的最为严格的规范。作为一项增值服务,Active Exhaust 直接与各审批机构合作,为其客户群简化该程序。由于设计性能中的不确定性,所有全新的排气系统都必须通过实验室的标准验证,例如压力降、马力、扭矩、热、振动、声学、排放、清洁度、微粒和泄露测试。

这个过程高度依赖物理测试,以对设计性能进行验证。Active Exhaust 在产品发货给客户之前已经通过其大量的测试设备进行了最终验证。这些数百万美元的测试设备包括5 台电涡流测功机,性能高达10,000 转/ 分,400 牛米和160 千瓦。当这些顶级设备装备到发动机上后,数据采集系统就会不定期收集流体、压力、噪声、加速度、温度和其它测量数据,以精确识别排气脉动。但是,公司最近开拓的市场上,发动机太大以至于超出了内部测功机的测量范围。如果采取第三方测试,则公司成本会急剧提升,无法保持竞争力。如继续采取物理测试方法对这些大型系统进行设计,则成本过高,因为构建原型需要额外成本,进行分析也需要外部人力。

Active Exhaust 意识到,他们基于测试的设计过程还存在其它问题。每当设计不满足要求时,团队都必须快速地响应并重新设计,重构建原型,然后重复测试,这样做成本会很高。额外的设计迭代耗费了大量时间,并存在产品发布延迟的风险。物理测试所得的测量数据也受到了传感器技术的物理限制的影响:测试产生的数据经常不足以判定问题的根本原因所在。

例如,物理测试无法检测到回流,而该现象可能会明显增加排气压力降。此外,测试的高昂成本意味着团队评估替代设计方案的机会有限,而这些替代方案可能会提供更优化的性能与成本。

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FEA 的结果显示了歧管总管的变形

  • 2、基于仿真的设计过程

Active Exhaust 考虑了几种不同的仿真选项。由于流体的流动对于设计至关重要,公司首先要关注的是计算流体动力学(CFD)解决方案。工程师发现了几款符合公司需求的软件套件,但ANSYS 软件独树一帜,因为它能够解决设计中涉及的其它物理问题,包括机械、热和声学问题。Active Exhaust最终选择了ANSYS CFD-Flo 来进行流体仿真,以及ANSYS Mechanical进行结构、热和声学相关仿真。这些和其它ANSYS 工具都集成在ANSYSWorkbench 环境中,可以提供与CAD系统之间的双向数据传输、通用用户界面、与不同物理场的集成以及众多其它功能。

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排气扩压器内部的排气温度分布

目前,仿真已经是Active Exhaust公司设计过程的核心工作。第一步通常是打开一个在Creo® 软件中创建的含有CAD 几何结构的文件。然后,ActiveExhaust 从固体模型中抽取流体体积并为其增加边界条件,如在排气进口的质量流率、排气出口压力和其它从发动机工况条件中获取的参数。

然后使用ANSYS CFD 对排气系统进行流动仿真。该仿真过程会计算排气系统的压力降以及排气进口处所产生的回压。

由于流动仿真是基于实际排气几何结构,结果通常与物理测量非常地接近。

CFD 软件提供了远超出测试结果的诊断能力,包括了流动路径中每个点的速度和压力。例如,工程师在运行新的排气系统的流动仿真时能发现流动路径上的回流区。当意识到回流通常会增加系统的压力降,工程师则会对CFD 模型的几何结构作出更改,例如减少主流动路径上的任何阻碍或者弯曲度。然后,工程师会再次运行仿真,查看在更改后回流区是否已经消除。如果回流区依然存在,工程师会继续修改模型几何结构,直至回流区完全消除。这一过程通常会大幅降低回压。使用ANSYS Workbench的优势在于当几何结构更改时,网格、设置和求解会自动更新,从而缩短了开发过程所需的时间。

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文丘里式吸气器内部的流场流线和温度分布

在使用CFD 仿真的同时,Active Exhaust 的工程师还通过ANSYS Mechanical 从热学、结构和声学的角度分析排气系统。ANSYS CFD 和ANSYS结构力学软件完美结合,使CFD 计算得出的内部温度数据能方便地传输到ANSYS Mechanical,并作为输入条件进行热学分析,从而得出了排气系统的外部温度和热膨胀造成的应力。此外,ANSYS Mechanical 还可用于验证排气系统的结构完整性,只需要输入车辆的功率谱密度数据即可。通过该输入数据进行随机振动仿真,即可决定频率响应和应力分布。此外,动力学分析还能够确定排气系统的模态频率。如果发动机可能激活该模态频率,则工程师需要对设计进行更改。

Active Exhaust 仿真的下一步就是在原型设计阶段前预测排气系统的声学性能。ANSYS 结构力学软件将模态分析输出的数据作为输入,计算消声器对压力波(声音)的衰减和吸收。根据相关数据,软件对经过频谱的传输损耗进行仿真,并计算出噪声发射级别。Active Exhaust 能够利用原始发动机声学库中的电源阻抗数据得出插入损耗值,该值一直在业界被广泛用于对比。

基于仿真的设计过程带来的最重要的优势体现在,Active Exhaust 现在几乎每次都能够首轮就得到正确的设计方案。他们仍然对每次新设计进行排气测试,但之前的仿真确保了第一次原型几乎能完全满足客户要求。此外,仿真还提供更多其它的诊断信息,让工程师能快速发现问题根源所在,并做出性能方面的实质性改进。更高的性能和更短的研制周期让公司的客户也能从中大获裨益。Active Exhaust 大幅降低了设计成本,并希望在排气系统进入生产阶段时回馈客户。由于采用了全新的设计方法,Active Exhaust 已经赢得了多个重要合同。

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消声器内部的流场流线和温度分布显示了流体流线和等温线