有限元分析在汽车工程中的应用，优化车身结构设计，提高碰撞安全性和耐久性
优化发动机舱内的气流对于确保设备安全可靠地运行至关重要。此外，它还可以减少车辆的行驶阻力，提高性能和燃油效率。然而，在实验室或风洞中对发动机舱内的冷却效果进行测试是不够的。因为设备需要能够在诸如沙漠、雪原和潮湿的气候等极具挑战性的现实环境下运行。因此，设计人员经常会选择牺牲重量和性能的过度设计。
仿真技术使工程师能够可视化发动机舱内的气流和温度分布。为了同时达到冷却和燃油效率目标，我们可以对风扇和通风口的设计进行优化，与此同时，对实际天气工况进行虚拟分析也有助于减少所需的物理原型的数量。所有这些因素都可以缩短开发时间并降低成本，使工程师能够改进尺寸、重量和效率，从而获得竞争优势。
本文将介绍SIMULIA软件如何解决发动机舱内冷却仿真面临的挑战，从而节省时间和金钱。
01发动机舱内冷却面临的挑战
发动机会产生大量的热量，如果不能正确散热，就会导致性能下降、故障、灾难性故障，甚至有引发火灾的危险。冷却气流可以保持热效率，防止部件过热以及后续的安全和耐用性问题。需要平稳加热避免热冲击效应，同时为了防止温度热点引起结构部件失效，均匀的冷却气流分布至关重要。
空气冷却是发动机舱热管理的重要组成部分，在设计时需要考虑发动机周围和整个车身的空气流动。从广义上讲，发动机舱内冷却分析可分为两类：
- 对于道路应用，车辆通常以足够的速度移动，冲压空气可以用来冷却发动机，这时冲压空气会由于汽车高速运动强制进入发动机舱。使用冲压空气减少了对风扇冷却的需求，但也增加了汽车气动阻力，因此降低了燃油效率。此外，还需要注意的是，当冲压空气不可用时（例如在低速爬坡时），要确保具备足够的冷却能力。
- 本文将重点讨论的另一类是非公路设备和固定式机械，它们不能利用强制冲压空气。所有的气流都需要风扇来驱动。这些风扇会占用设备内部的空间，增加设备的总重量。为了设备在任何可能的条件下都能提供足够的冷却，需要遵守尺寸、重量、噪声和最小功率需求等其他设计限制下对风扇进行优化。
重型机械必须在极具挑战性的环境中工作。根据应用的不同，这种挑战性环境可能是赤道上炎热潮湿的地区，也可能是寒冷干燥的高海拔地区（气压普遍很低）。对于移动车辆来说，路面本身就是车辆空气动力学的重要因素，且周围的障碍物（如树木或隧道墙壁）也会影响气流。这些场景很难用比例模型和风洞来再现，因为物理原型通常被运送到有代表性的环境中进行测试。这个过程是缓慢且成本高昂的，会潜在地影响开发进程以及产品上市的时间安排，这是因为只有在产品开发后期阶段，完整的原型和测试设施可用时才能进行真实环境测试。
最坏的情况决定了冷却风扇的大小。这很难在实验室中测试，因此设备通常在设计时保留非常宽的安全裕度。如果能够更准确地描述最坏情况下的冷却效果，就有可能减小冷却设备的尺寸和重量，从而释放空间，或者减少车辆的总质量。
02使用SIMULIA进行仿真的优势
通过仿真助力发动机舱内冷却设计,即可有效避免试错的过程。在物理样机搭建之前用户便可以分析冷却系统在任何环境下的表现。我们不仅可以对不同的环境温度和风场进行建模,而且也可以对路面状况和物理环境进行建模。
使用虚拟测试不仅降低了与物理样机制造相关的成本,而且也支持在设计流程的早期识别并解决潜在问题。采用仿真技术不仅降低了与产品开发相关的风险,而且还降低了成本、加快了上市进程。
通过仿真,工程师可以洞察发动机内部的气流模式和热量分布。多物理场仿真同时模拟风扇和热交换器等部件,使其更容易确定冷却问题的根本原因并找到解决方案。瞬态仿真能够预测发动机工作中温升过程,有效保障产品使用寿命。
SIMULIA仿真工具可以与设计和优化产品结合使用。基于CAD数据可立即转化为仿真模型,因此在设计流程中可以考虑冷却系统。为了考虑发动机舱所有部件温升过程以及对气流影响,工程师可以在仿真模型中涵盖整个系统。
风扇叶片的精确几何结构会影响它们的性能。SIMULIA软件可以高效地仿真真实旋转风扇场景,从而对精确设计(而不仅是基本的简化模型)进行优化。
SIMULIA提供了针对发动机舱内冷却需求量身定制的行业解决方案,因此工程师无需成为仿真专家就可以快速上手仿真。工程师可以跨专业(如发动机设计或车身概念)协作,从而在冷却方案和其他因素之间做出正确的权衡取舍,并更快地推出最终设计。基于云的自动化解决方案可用于非公路用发动机舱内冷却仿真,与传统手动方法相比可节省80%的时间。
结论
发动机舱内冷却对于实现安全可靠的性能至关重要。道路车辆和固定设备的冷却模块都可以通过仿真分析和优化来满足设计目标。工程师可以预测设备在极具挑战性的现实环境和气候条件下的性能，节约样机制作并将其运送到测试地点的高成本过程。在设计流程中运用仿真技术不仅有助于节省时间和资金，而且能够帮助减小冷却模块的尺寸和重量，并降低认证不合格的风险。SIMULIA提供完整的发动机舱内冷却仿真工具，其中包括针对极具挑战性非公路应用的云端自动化解决方案。
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