汽車淋雨實驗室參數化設計與模擬仿真內容

一、 AN軟件概述

A N SY S是目前世界頂端的有限元商業應用程序。美國John Sw ans on博士于1970年創建A N—SYS公司后，便開發出了該應用程序，以此用計算機模擬工程結構分析，歷經30多年的不斷完善和修改，現成為全球的工程應用的應用程序。其版本是AN SYS8.1。

二、參數化設計的必要性

首先根據流體力學和能量轉換理論設計淋雨實驗室噴淋系統，選擇節能效果和經濟成本的設計方案。對每個噴頭的噴水量進行分析計算，把計算出來的數據錄入計算機，利用A N SYS模擬軟件，對淋雨試驗進行模擬仿真，以達到設計結果的可視化。可以讓用戶通過可視化的模擬仿真系統直接對設計的實驗設備有所了解，并可以根據用戶的要求隨意調整各個參數，通過人機交互達到改進設計的目的，從而滿足不同用戶的各種需求。實現縮短設計周期、優化設計方案、節約設計成本的目的。

三、仿真過程

本文主要采用AN SY S軟件對淋雨實驗室噴淋系統進行仿真分析研究。產品的各項性能均符合國家標準GB／T 12480—90客車防雨密封性試驗方法。

1、模型的建立

有限元模型是進行有限元分析的計算模型或數學模型，它為計算提供原始的數據。建模是整個有限元分析過程的關鍵，模型合理與否將直接影響計算結果的精度、計算時間的長短及計算過程能否完成。由于用管路是軸對稱圖形，二維模型就能清楚地顯示其中水的流動情況，因此為了節省計算機使用空間和減少計算時間，本文利用ANSYS的前處理模塊分別建立頂部、側面各一個管路的二維模型。如圖1所示。

2、模型的網格劃分

有限元法的基本思想是把復雜的形體拆分為若干個形狀簡單的單元，利用單元節點變量對單元內部變量進行插值來實現對總體結構的分析，將連續體進行離散化即稱網格劃分。離散而成的有限元集合將替代原來的彈性連續體，所有的計算分析都將在這個模型上進行。因此，網格劃分將關系到有限元分析的規模、速度和精度以及計算的成敗。實驗表明：如果網格劃分太稀就會使計算精度不夠，達不到預期效果；隨著網格數量的增加，計算度逐漸提高，計算時間增加不多；但當網格數量增加到一定程度后，再繼續增加網格數量，計算度提高甚微，而計算時間卻大大增加。在進行網格劃分時，應注意網格劃分的有效性和合理性。這樣就存在一個網格密度問題，本模型首先采用整體智能網格劃分，然后在拐角處進行人工控制網格劃分對其進行細化，以便于有限元計算結果符合實際情況。

3、限制邊界條件

加載即用邊界條件數據描述結構的實際情況，即分析結構和外界之間的相互作用。分析時假定入口流場均勻，且無徑向分量。以單級單吸離心清水泵為例，當流量Q=100 m 3／h，揚程h=50 m，轉速=2 900 dmin，功率F=22 kW，進口直徑d0=100 l-nn'l，泵體耐壓P=1．0 M Pa，排水口直徑dl=80 l-nn'l，葉輪名義外徑d2=200 m m時，按照一元束流理論，可取入1 2I速度為管路里按照公式=Q[A計算所得的速度，軸向和周向速度為零；在所有壁面上施加無滑移邊界條件，即所有速度分量均取為零；由于流體按不可壓縮處理，且其性質恒定，所以在這種情況下，壓力就可只考慮相對值，即在出口處施加的壓力邊界條件是相對壓力為零；由于是湍流分析，可將出口處局部放大，以使流場能得到充分發展。在加載時，邊界條件可直接施加在幾何模型上，其優點在于當改變有限元網格而重新進行分析時，無需在節點上重新施加邊界條件；而通常的做法是將邊界條件加載在有限元模型上，這樣當改變有限元網格時，必須先刪去現有節點上的邊界條件，再施加新的載荷，以保證加載的準確性。但要注意：無論采取何種加載方式，AN—SY S求解前都將載荷轉化到有限元模型上。因此，加載到實體的載荷將自動轉化到其所屬的節點或單元上。

執行主菜單Pr epr oces sor>Loads>Appl y>V e—l oei ty>On Li nes(施加速度在線上)命令；執行主菜單Pr epr ocess or>Loads>A ppl y>Pres sur e DO F>O n Li nes(施加壓力自由度在線上)命令。

4、求解過程

我們選擇軟件默認的直接解法，它只尋求分析的穩定性，并不強調求解的速度，而且對計算機的內存要求不高，在求解器處理每個單元時，同時進行整體矩陣的組集和求解。在進行數值模擬時，存在著劣質網格及流動現象本身不穩定等因素，有必要采取措施提高收斂性，使求解達到穩定。AN SYS程序提供的常用工具有松弛系數、慣性松弛、人工粘性、速度限值和面積積分階次等。松弛系數(FLD隊25)的值是介于0和1之間的小數，它表示舊結果與附加在舊結果上形成的新結果的最近一次計算值之問的變化量。采用小的松弛系數可減小解的振蕩，提高穩定性，但會導致收斂速度降低，迭代次數增加，所以可在初始迭代計算中，采用小的松弛系數來減小不適當的初始值引起的計算不穩定，當迭代一定次數后，將以上結果作為初始值繼續迭代時，可取較大的松弛系數以提高收斂速度。模擬中速度項松弛系數、壓力項系數(PRES)、湍流松弛系數(EN KE)的取值依據A NSY S軟件給出的標準值，如圖2所示。

當求解過程中發生舍人誤差時，慣性松弛(FLDAT A 26)就可能對結果產生影響，它以所加項分母的形式出現，值越小，所起的作用越大。人工粘性(V Isc)用在梯度較大的區域以平抑速度解，它有助于可壓縮問題的收斂，也有助于對有分布阻力的不可壓縮問題的速度解進行平抑。模擬中動量(M OM E)、壓力(P砥強)和渦流(TU RB)的慣性松弛、溫度慣性松弛及人工粘性(V ISC)的取值參照圖3所示。對于不可壓縮問題，應使人工粘性的幅值與有效粘性的幅值處于相同的數量級。程序中默認的用于計算單元面積積分的階次是單點積分，對于軸對稱問題，該值設為2，這樣可使含有異常形狀單元的問題收斂到更的解。在FLO TRA求解過程中，程序在每一次總體迭代里對每一個自由度計算出一收斂監測量。包括：速度(Ⅵ(、V Y、v z)、壓力(PI也S)、溫度(TEM P)、湍流動能(EN K E)和動能耗散率(EN DS)。在批處理或交互式運行過程中，當求解進行時，程序的圖形求解跟蹤GST功能將實時顯示出所計算的收斂監測量。圖4為本模擬進行穩態圖3慣性松弛系數的取值C um ulative lnterati o n N um ber側求解時的GST圖形。

5、后處理

后處理是將計算所得的結果可視化。AN SYS有2個后處理器：①通用后處理器，它只能觀看整個模型在某一時刻的結果；②時間歷程后處理器，可觀看模型在不同時間的結果。本文采用通用后處理器進行求解。圖5為的管路內的流體流線圖。我們可以更改其參數，如改變水泵的泵人流量或改變管路直徑大小，即改變進口速度的值，得出不同流量下的流線圖和噴淋管路中各個噴嘴出口流體流速的徑向分布曲線圖，進而比較各個噴嘴的流速是否均勻。

AN SYS軟件具有較強的后處理功能，通過數值計算，對計算結果進行后處理后可得到噴淋管路中各個噴嘴出口處流體流速的徑向分布曲線圖，如圖6所示。圖中橫坐標為測點在噴嘴出口橫截面上所處位置的相對半徑，縱坐標為該點的軸向速度。http://m.zgshfp.com