《汽車動力裝置仿真與設(shè)計》 課件 第一章 緒論

汽車動力裝置仿真與設(shè)計第1章緒論

1.1汽車動力裝置開發(fā)流程與仿真應(yīng)用1.2仿真概述一直以來內(nèi)燃機(jī)是汽車的主要動力裝置，近年來新能源汽車蓬勃發(fā)展，汽車動力裝置更迭對汽車行業(yè)帶來巨大變局。習(xí)近平總書記指出，“當(dāng)前中國處于近代以來最好的發(fā)展時期，世界處于百年未有之大變局，兩者同步交織、相互激蕩”，對于汽車能源動力領(lǐng)域，汽車產(chǎn)生的石油資源消耗和生態(tài)環(huán)保問題凸顯，汽車能源動力的綠色發(fā)展勢在必行。《國家節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖2.0》提出到2035年新能源汽車銷量占50%，氫燃料電池汽車保有量達(dá)到100萬輛左右。可見，當(dāng)前及未來汽車行業(yè)的動力裝置呈現(xiàn)出內(nèi)燃機(jī)、動力電池和氫燃料電池共存的狀態(tài)。本章將主要講解汽車動力裝置的開發(fā)流程、仿真在其中的應(yīng)用以及仿真基礎(chǔ)。汽車動力裝置開發(fā)流程與用途、設(shè)計目的等相關(guān)，常劃分為以下幾個階段：產(chǎn)品開發(fā)計劃階段、產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)階段、樣機(jī)試制和試驗(yàn)驗(yàn)證階段、設(shè)計定型和生產(chǎn)階段等。1.產(chǎn)品開發(fā)計劃階段調(diào)研市場需求、國家政策法規(guī)、現(xiàn)有研發(fā)技術(shù)水平、現(xiàn)有零部件制造企業(yè)的工藝和加工供給能力，組織產(chǎn)品研發(fā)團(tuán)隊(duì)，調(diào)研國內(nèi)外相似產(chǎn)品的性能和結(jié)構(gòu)方案、產(chǎn)品開發(fā)和使用數(shù)據(jù)，確定參考樣機(jī)。通過與樣機(jī)對比、經(jīng)驗(yàn)公式計算和簡單的熱力學(xué)、動力學(xué)和整機(jī)一維仿真來確定待開發(fā)產(chǎn)品的基本性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)。編制設(shè)計任務(wù)書，主要包括：1）開發(fā)該產(chǎn)品的目的、用途和適用范圍；2）引用文件；3）主要設(shè)計參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)要求；4）系統(tǒng)組成和總體布置、子系統(tǒng)研發(fā)要求；5）檢驗(yàn)要求；6）試驗(yàn)要求；7）標(biāo)識編號要求，包括產(chǎn)品和技術(shù)文件等的標(biāo)識編號；8）工作分工和研究進(jìn)度要求；9）其他，如包裝運(yùn)輸儲存、經(jīng)濟(jì)效益分析、質(zhì)保能力和顧客滿意度等要求。2.產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)階段開展總體布置設(shè)計和零部件設(shè)計。確定零部件結(jié)構(gòu)和尺寸，按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)編制零部件CAD目錄，進(jìn)行詳細(xì)三維CAD設(shè)計，繪制整機(jī)布置圖和零部件圖紙。常用的三維CAD軟件包括CreoPTC

、CATIA、UG(UnigraphicsNX)和SOLIDWORKS等。仿真計算根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)書要求，可不同程度地加入到產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計中。開展汽車動力裝置的流體力學(xué)計算、熱管理計算和零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計算等，內(nèi)燃機(jī)還需要動力學(xué)仿真、潤滑仿真和燃燒仿真等。3.樣機(jī)試制和試驗(yàn)驗(yàn)證階段繪制加工毛坯圖，明確零部件加工精度和工藝方法。根據(jù)不同加工方式、公差等研發(fā)要求，決定零部件加工數(shù)量和裝配方式。對加工產(chǎn)品開展檢驗(yàn)，包括目視檢驗(yàn)，幾何檢驗(yàn)，根據(jù)設(shè)計任務(wù)書開展各個零部件詳細(xì)檢驗(yàn)如金相組織、表面粗糙度和清潔度等，并進(jìn)行裝配檢驗(yàn)。開展性能試驗(yàn)、可靠性試驗(yàn)、耐久試驗(yàn)、電磁兼容性試驗(yàn)以及配套試驗(yàn)等，考核評價產(chǎn)品各項(xiàng)指標(biāo)參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計任務(wù)書要求。通過將仿真與試驗(yàn)結(jié)合，可以減少試驗(yàn)次數(shù)，補(bǔ)充試驗(yàn)無法獲得的數(shù)據(jù)。同時，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用于標(biāo)定仿真模型，使仿真更加準(zhǔn)確。4.設(shè)計定型和生產(chǎn)階段在綜合樣機(jī)試驗(yàn)、配套試驗(yàn)和仿真模擬計算結(jié)果基礎(chǔ)上，常會進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化布置方案、性能和結(jié)構(gòu)設(shè)計細(xì)節(jié)。又一次完成設(shè)計優(yōu)化后，繼續(xù)開展試制和試驗(yàn)驗(yàn)證工作，直到達(dá)到任務(wù)書要求。整理設(shè)計任務(wù)書、產(chǎn)品圖紙、檢驗(yàn)和試驗(yàn)報告、仿真計算報告等技術(shù)文件，經(jīng)相關(guān)部門鑒定批準(zhǔn)后，開展小批量生產(chǎn)，進(jìn)一步解決設(shè)計開發(fā)階段未發(fā)現(xiàn)的問題，經(jīng)過嚴(yán)格的設(shè)計和工藝調(diào)整后，才最終進(jìn)行正式商業(yè)化生產(chǎn)。產(chǎn)品開發(fā)流程與仿真圖1-1產(chǎn)品開發(fā)流程與仿真與傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)過程相比，由仿真驅(qū)動的產(chǎn)品開發(fā)過程在開發(fā)前期投入的工作量和成本較高，但整個產(chǎn)品開發(fā)積累的產(chǎn)品開發(fā)時間、成本、工作量和成熟度方面均有顯著的優(yōu)勢。當(dāng)前在汽車動力裝置的研發(fā)過程中仿真模擬計算已經(jīng)成為重要的技術(shù)手段之一，其幾乎在整個開發(fā)流程中都有應(yīng)用，常用于評估產(chǎn)品技術(shù)方案可行性、完成關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化與確定、減少試驗(yàn)次數(shù)、補(bǔ)充試驗(yàn)無法獲得的數(shù)據(jù)和獲得更深入的產(chǎn)品性能、理論和技術(shù)理解。而仿真的輸入數(shù)據(jù)和結(jié)果驗(yàn)證常來源于試驗(yàn)測試，仿真使用的數(shù)學(xué)模型常通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論推導(dǎo)獲得。專業(yè)的車輛動力總成仿真計算軟件包含了對內(nèi)燃機(jī)、動力電池、燃料電池和混合動力系統(tǒng)的仿真計算，如AVLSimulationSuite系列軟件、GT-Suite系列軟件和RicardoSuite系列軟件等。對內(nèi)燃機(jī)、動力電池和燃料電池中的具體某個方向的仿真研究而言：1）燃燒和流動計算軟件，如StarCCM+、Fluent、AVLFIRE、CONVERGE、KIVA和OpenFoam等。2）結(jié)構(gòu)溫度和應(yīng)力計算軟件，如ABAQUS、ANSYS等。3）疲勞強(qiáng)度計算軟件，如FEMFAT、ANSYSnCodeDesignLife和FE-Safe等。4）內(nèi)燃機(jī)工作過程計算軟件，如GT-POWER、AVLBOOST和RicardoWAVE等。5）動力學(xué)計算軟件，如AVLEXCITE、ADAMS等。6）聲學(xué)計算軟件，如LMSVirtualLab等?，F(xiàn)有的流體和結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)?；诰W(wǎng)格進(jìn)行計算，常見的通用網(wǎng)格前處理軟件，如HyperMesh；仿真計算結(jié)果后處理軟件，如Tecplot、ANSYSEnsight等；作圖軟件，如Origin、Grapher等。此外，格子玻爾茲曼法、分子動力學(xué)、量子力學(xué)和量子化學(xué)也逐漸應(yīng)用于汽車動力裝置的仿真中。為更高效的開展仿真研發(fā)工作，大型企業(yè)常開發(fā)專用的仿真管理平臺或仿真自動化平臺，通過將不同功能的軟件集成到平臺中方便研發(fā)人員開展工作，這對Linux系統(tǒng)的Shell命令、Windows系統(tǒng)的cmd命令、Web網(wǎng)頁界面編程和軟件開發(fā)接口編程（如Python語言）等提出了學(xué)習(xí)要求。當(dāng)前數(shù)字化和智能化趨勢對汽車動力裝置的開發(fā)影響顯著，與人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算、5G通信和數(shù)字孿生的深度融合推動汽車動力裝置仿真和設(shè)計更加高質(zhì)量的發(fā)展。第1章緒論

1.1汽車動力裝置開發(fā)流程與仿真應(yīng)用1.2仿真概述為什么要畫網(wǎng)格？內(nèi)燃機(jī)、燃料電池和動力電池的零部件或者流場在實(shí)際物理上一般是連續(xù)的，具有無窮多個自由度。為能夠開展數(shù)學(xué)仿真計算，需要把無窮多個自由度等效減少到有限個自由度，才能實(shí)現(xiàn)求解。因此，對零部件或者流場幾何區(qū)域通過劃分網(wǎng)格進(jìn)行離散化，實(shí)現(xiàn)有限個自由度來表達(dá)某零部件或者流場區(qū)域。1.2.1網(wǎng)格離散化a)圓形和正方形的二維網(wǎng)格模型b)球形和正方體的三維的網(wǎng)格模型圖1-2網(wǎng)格實(shí)例網(wǎng)格數(shù)目越多，網(wǎng)格越密集，劃分出來的網(wǎng)格更加接近真實(shí)的幾何形狀。但計算所需要的時間越長，內(nèi)存要求越高。通常對計算區(qū)域中精度要求高的區(qū)域劃分網(wǎng)格比較密集，其他位置相對稀疏；對形狀簡單的區(qū)域網(wǎng)格較為稀疏，對需要表達(dá)細(xì)節(jié)形狀的區(qū)域加密網(wǎng)格。比如曲軸應(yīng)力計算時，過渡圓角位置網(wǎng)格需要加密，因?yàn)樵撐恢萌菀桩a(chǎn)生疲勞破壞。這意味著高質(zhì)量網(wǎng)格的劃分，需要研究人員針對具體工程問題中哪些位置是關(guān)注位置、哪些現(xiàn)象可能在哪些位置發(fā)生和以什么樣的尺度發(fā)生等具有一定深度的理論和工程經(jīng)驗(yàn)。1.2.2計算流體力學(xué)計算流體力學(xué)仿真計算通常的步驟為：（1）前處理：1）確定流體計算區(qū)域，通常將包圍流體的幾何表面抽取出來，該操作常使用CAD軟件和網(wǎng)格前處理軟件的幾何處理模塊實(shí)現(xiàn)。2)對流體區(qū)域劃分網(wǎng)格，建立網(wǎng)格模型。使用網(wǎng)格前處理軟件實(shí)現(xiàn)。（2）求解器：1）確定流體的流動/傳熱特性參數(shù)，同時根據(jù)所要解決的問題，選擇流體計算模型。2）定義進(jìn)、出口和壁面邊界條等。3）定義求解方法，流場初始化，定義收斂條件和迭代次數(shù)，提交計算。（3）后處理：結(jié)果分析，常分析流速、壓降、流動均勻性和流體傳熱等。1.2.3計算結(jié)構(gòu)力學(xué)對于結(jié)構(gòu)的溫度、應(yīng)力計算，常使用有限元法，使用有限元法進(jìn)行仿真計算通常的步驟為：（1）前處理：1）零部件結(jié)構(gòu)CAD模型。2)對零部件結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，建立離散網(wǎng)格模型，建立接觸關(guān)系，建立裝配關(guān)系等。3）定義位移約束條件等。約束自由度，避免產(chǎn)生整體約束不足而引起計算不收斂；位移約束等對位移、應(yīng)力和振動等結(jié)果等影響顯著。（2）求解器：1）定義結(jié)構(gòu)材料參數(shù)。2）選擇計算模型。3）定義初始條件和載荷等。4）定義迭代參數(shù)和收斂條件，提交計算。（3）后處理：結(jié)果分析，常分析應(yīng)力和變形等。1.2.4多體動力學(xué)（1）前處理：1）組成系統(tǒng)的零部件結(jié)構(gòu)CAD建模。2)對零部件結(jié)構(gòu)劃分網(wǎng)格，建立離散網(wǎng)格模型，建立接觸關(guān)系，建立裝配關(guān)系等；根據(jù)計算需要定義模態(tài)縮減所需的主節(jié)點(diǎn)。后續(xù)動力學(xué)計算中保留的主節(jié)點(diǎn)要傳遞載荷等數(shù)據(jù)。3）定義位移約束條件等。定義結(jié)構(gòu)材料參數(shù)。4）對各個零部件網(wǎng)格進(jìn)行模態(tài)縮減。（2）求解器：1）構(gòu)建多體動力學(xué)模型，各零部件通過模態(tài)縮減模型導(dǎo)入，零部件之間的連接通過線性或者非線性模型構(gòu)建，如摩擦副的潤滑油膜可以耦合潤滑方程聯(lián)合求解。2）定義初始條件和載荷等。3）定義迭代參數(shù)和收斂條件，提交計算。（3）后處理：結(jié)果分析，常分析運(yùn)動、振動和受力結(jié)果。【例1-1】管道流動仿真計算。一根圓管的內(nèi)徑為0.04m，長度為2m，水從一端流入的速度為0.1m/s，流出出口的壓力為0Pa，求要通過CFD仿真分析管內(nèi)流速情況。【解】（1）前處理：1）確定流體區(qū)域幾何，建立流體求解區(qū)域的幾何CAD模型。圖1-3管道內(nèi)流體區(qū)域的幾何1.2.5實(shí)例應(yīng)用2)對流體區(qū)域劃分網(wǎng)格，建立網(wǎng)格模型。圖1-4管道流動網(wǎng)格模型（2）求解器：1）水的密度998.2kg/m3，粘度0.001003Pa·s，入口速度0.1m/s，圓管的內(nèi)徑為0.04m,則Re=3980，可見Re>2300需使用湍流計算方程，這里使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε雙方程模型計算湍流，近壁面使用增強(qiáng)壁面函數(shù)。2）邊界條件：速度入口0.1m/s，湍流強(qiáng)度I=0.16Re-0.125，I=5.677%，水力直徑0.04m；壓力出口為0Pa；管道壁面為固定壁面。3）使用Simple方法和二階迎風(fēng)求解，定義壓力、密度、體積力、動量、湍動能、湍流耗散率和湍流粘度的亞松弛因子分別為0.3、1、1、0.7、0.8、0.8、1。流場初始化，從入口初始化：速度0.1m/s，壓力為0Pa，湍動能k為4.834249e-05m2/s2，湍流耗散率ε為1.972502e-05m2/s3。定義各參數(shù)的收斂殘差為1e-6，最大迭代次數(shù)1000步，提交計算。（3）后處理：出口速度分布云圖見圖1-5。管內(nèi)速度分布云圖見圖1-6。可見，速度在壁面處為0，中心位置速度最大。在該工作條件下的直管內(nèi)速度幾乎沒有損失。圖1-5出口速度分布云圖圖1-6管道內(nèi)流速云圖14:5320Python3.8.10下載地址：/downloads/release/python-3810/Python科學(xué)計算1.2.6Python數(shù)值計算編程基礎(chǔ)也可選擇最新的Python版本進(jìn)行安裝Python官方網(wǎng)站/編程語言排名2024年2月(Tiobe)圖1-7Python安裝/tiobe-index/14:5321Numpy、Scipy和Matplotlib：分別從/pypi/numpy，/pypi/scipy，/pypi/matplotlib/下載64位的Numpy、Scipy和Matplotlib，文件名分別為：numpy-1.21.1-cp38-cp38-win_amd64.whl；scipy-1.7.1-cp38-cp38-win_amd64.whl；matplotlib-3.4.2-cp38-cp38-win_amd64.whl。Python科學(xué)計算///14:5322在cmd命令提示符中依次輸入：pipinstallnumpy-1.21.1-cp38-cp38-win_amd64.whlpipinstallscipy-1.7.1-cp38-cp38-win_amd64.whlpipinstallmatplotlib-3.4.2-cp38-cp38-win_amd64.whl安裝完成提示

SuccessfullyinstalledNumpy，Scipy或Matplotlib。Windows系統(tǒng)下打開cmd命令提示符，使用cd進(jìn)入安裝包的下載文件夾Python科學(xué)計算14:5323Python科學(xué)計算【例1-2】使用Nu