通過高精度熱流體分析，

優化道路施工重型設備的冷卻性能

概要

道路施工重型機械的行業杰出者酒井重工業利用MSC Software開發和提供的熱流體分析軟件“CFD Cradle -- STREAM ”作為檢查路面切縫機“Road Cutter”發動機艙冷卻性能的一部分，并進行了驗證。這是對由 12,628 個零件和周圍空間組成的發動機艙使用 4100 萬個高分辨率網格的大規模熱流體分析進行的。結果，STREAM 在分析值和測量值之間表現出驚人的 0.08 至 1.93°C 的高精度。結果表明，它可以通過熱流體分析顯著提高設計/試驗過程的效率。

檢查大型、重型機械“路面切縫機”機艙的冷卻性能

酒井重工業在壓路機和路面切縫機等道路施工重型設備方面擁有日本第一的市場份額，正在加速設計和原型產品的數字化。隨著 SolidWorks 對 3D CAD 的全面開發，目前專注于加快使用 CAE 的開發。這背后是對符合廢氣法規等法律體系的需求，以及對用于道路建設的重型機械的高功能性和高附加值的需求。酒井重工業開發本部產品開發部開發組第5組組長黑須崇說：“除了符合廢氣排放法規的發動機環境現代化要求，緊急制動和周邊監視器等安全設備的擴展也是加速道路施工重型設備轉型改進的一個因素。如何減少設計和樣機制作所需的時間，如何減少返工和簡化流程-我們為加快開發做出了各種努力，其中最重要的是數值仿真分析。”

“ 我們已經確認基于STREAM，在電子元件基礎上的熱對策，可以通過修改各種條件，進行仿真，試錯。這正是我們通過實驗比較驗證了 STREAM 分析精度的結果。”

—— 酒井重工業株式會社，產品開發部組長，黑須崇

酒井重工業擁有一個設計團隊，負責設計、制作樣機和評估模型。公司的主要產品之一是一種名為“Road Cutter”的路面切縫機。這臺全長10多米的重型機械，通過車體中央的刀鼓旋轉，實現刮掉舊瀝青，是大型修路作業不可缺少的重型機械。

“在挖路機中，發動機和車身的電子控制正在迅速發展。隨著電子元件數量的增加，需要考慮溫度和加速度。特別是對于挖路機的發動機，在工作時因為它在高負荷、高轉速的情況下連續使用時，需要高效冷卻。另外，與卡車不同，在行駛過程中無法使用風冷，因此使用風扇強制冷卻是必不可少的。”（黑須先生）

考慮到電子元件，在機艙內采取防熱措施是公司開發團隊共同面臨的挑戰之一。不僅設計困難，而且使用實物進行評估測試所需的時間也大大增加。

“我一直在想是否可以使用熱流體分析來減少實物試驗并縮短開發周期。因此，與MSC Software合作，我們使用了熱流體分析軟件“STREAM”，評估路面切縫機引擎室內的溫度。”（黑須先生）

12628 個零件，使用 4100 萬個單元網格

酒井重工業在2010年后開始進行使用 CAE。 黑須先生等人在通過力學分析和結構分析證明其效果的同時， 擴大了 CAE 的應用領域。 事實上，使用CAE能夠將設計和試制所需時間縮短至1/2到1/3。

“本次挖路機機艙溫度評估對應的是所謂的‘熱平衡測試’。機艙內溫度與噪音是矛盾的關系，為了降低噪音，有必要減小開度。這是有效的，但如果氣流變差，熱平衡會變差。如果在修改實機的同時反復試驗和調試，以保持溫度和噪音在標準值內，這需要幾個月的時間，”黑須說。

Kurosu 等人將驗證的目的設置如下：

①通過比較機艙內溫度的測量值與 STREAM 的熱流體分析結果來評估分析精度。

②可視化通過散熱器的流量和機艙內的流速分布，以獲得對設計有用的信息。

③評估熱流體分析的溫度，評估方法是否可以應用于除路面切縫機以外的產品。

“路面切縫機是我們使用的最大的重型設備，由于機艙的大小和結構的復雜性，它是最難分析的。路面切縫機的驗證結果是實用的。我認為相同的分析方法可以應用于所有其他重型機械。”（黑須先生）

“STREAM 是一款在熱流體分析軟件方面成績斐然、網格結構獨特的產品。它導入 SolidWorks 等 3D CAD 數據并自動生成網格，并建立分析模型，大大增加了分析前處理的準備時間。尤其是 STREAM使用接近全模型的大尺度模型進行分析是有效的。在這次驗證中，經過半天的準備和夜間分析處理，第二天得到了分析結果，我們做到了。”

——MSC DEP系統事業部，蒲原將隆先生

黑須先生準備的原始數據具有12628個CAD零件，SolidWorks的數據容量達到了3.54GB。分析空間定義為寬8m x 深8m x 高5.5m，STREAM生成的網格達到4100萬個單元。STREAM 使用正交結構化網格在短短 6 分鐘 內完成了4100 萬個 的網格劃分。

分析模型

?CAD零件數：12,628個

?數據容量：3.54GB（SolidWorks）、691MB（中間文件Parasolidxb）

解析空間

網格

?4,100萬個網格（具有多塊的高分辨率細節）

實現分析值和測量值之間的最小誤差 0.08  ℃

浦原先生解釋了 STREAM 對路面切縫機發動機室的溫度評估如下： “主要的一點是，我們使用了以發動機和散熱器為中心的，一個由大量零件組成的復雜分析模型。 這可以對無需簡化的完整模型精確分析。 我們嘗試了幾種物理模型，并最終選擇了最適合的湍流模型，使得 STREAM 的計算結果最接近于測量值。 ”

STREAM 分析發動機艙內四個位置、ECM（發動機控制模塊）、交流發電機（產生交流電的設備）、啟動電機和電池繼電器的溫度，并分析發動機艙內的溫度分布和速度分布。最終，STREAM 得出了極其準確的分析結果。

“STREAM 的分析值與實測值的差值最低為 0.08 ℃，最高為 1.93 ℃，這讓我感到很驚訝。2 ℃ 的差值可以說是在誤差范圍內。此外，熱流體分析獲得足夠的精度，對我們未來設計開發工作是非常重要的。“黑須先生說。

此外，通過溫度分布和速度分布的可視化，機艙內的情況一目了然。MSC Software DEP 系統部門工程部門花房干治說：“在實驗中，我們使用了一個8平方米的巨大分析模型，包括機艙內外。我們可以發現設計人員沒有想到的地方，沒有實際測量溫度的地方的溫度分布等。發現潛在的問題也是仿真的意義之一，STREAM可以通過這種方式補充設計師的經驗和知識，從而獲得更完整的設計。”

在 STREAM 的熱流體分析中，可以輕松更改各種條件，例如散熱器風扇規格、發動機艙內的防風結構以及發動機艙周圍的外部氣溫。

“我們已經確認 基于STREAM 可以在改變考慮電子元件的熱對策條件下的各種測試仿真。這正因為通過前期的驗證案例，確信了 STREAM 軟件的計算結果的高精度。” （黑須先生）

溫度分布分析示例                           速度分布分析示例

使用 CAE 轉變整個設計和開發流程

酒井重工業采用了MSC One的許可，MSC軟件提供的各種CAE如 Cradle STREAM（熱流體分析）、Adams（機構分析）、Apex（結構分析）、Actran（聲學分析）等都利用了該應用程序。 MSC軟件銷售事業部技術管理部徐芝蘭說： “熱流體分析和機理分析的分析結果也可以用于與聲學分析。 它可以應用于復雜的分析，如熱對策和噪聲對策、重型機械操作和噪聲控制。 ”

黑須先生表示，這次驗證讓他對使用CAE產生好感。酒井重工業的管理層也表現出使用CAE的積極意愿。

“減少樣機數量、縮短開發周期、發現缺陷并及早修復，CAE 可以實現的事情非常廣泛。在我看來，整個設計和開發過程更加高效、靈活。我們想把它變得具有敏捷性。為了對整個車身進行分析，我們需要更高性能的CAE服務器。希望MSC軟件和SYNNEX Japan能夠繼續提供更好的產品和技術支持。”