2023 年 3 月 9 日? 5 分鐘閱讀    

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Toyota Motorsports 是一家位于德國科隆的高性能測試和開發機構。他們的重點之一是汽車和賽車運動的底盤和發動機設計。專門從事賽車發動機的高科技開發，渦輪增壓器組件已經是最先進的。為了進一步提高性能，豐田必須依靠傳統的試錯程序和原型之外的東西，因為這些東西的周轉時間太長了。與手動實現相比，數值優化使工程師能夠探索和評估更多的設計備選方案。

轉向數值優化的另一個原因是，壓縮機葉輪的設計工作已經非常接近它們所用材料的結構-機械極限。大多數形狀變化會立即導致超出可接受的壓力水平。僅考慮空氣動力學行為的優化并不能保證最終設計在結構上也是可行的。需要同時進行包括空氣動力學和結構力分析在內的優化。換句話說：將計算流體動力學 (CFD) 與計算結構力學 (CSM) 模擬相結合的多學科優化。

耦合 CFD-CSM 工作流程

本文將介紹用于廢氣渦輪增壓器的離心式壓縮機的多學科 CFD-CSM 優化。所研究的壓縮機級包括一個帶六個主葉片和六個帶無葉片擴散器的分流葉片的徑向葉輪。要實現兩個空氣熱力學目標、一個結構力學目標和兩個空氣動力學目標：

1. 增加等熵效率

2. 相同或更高的絕對總壓比

3. 與原始幾何形狀相同的扼流圈質量流量

4. 向失速裕度方向擴展操作范圍

5. 最大 von Mises 應力低于極限

CFD 和 CSM 模擬被集成到 Cadence 的Fidelity Optimization中的單一優化工作流程中。每個新設計首先由 CSM 求解器進行結構檢查，只有那些不超過最大 von Mises 應力的設計才會被納入更耗時的 CFD 過程。結構上不可接受的設計被輸入到學習數據庫中以驅動優化器。

參數化和網格劃分

共有 154 個參數定義了葉輪、經向通道和實體。然而，定義葉輪輪轂殼的參數與基本設計保持不變，以排除許多結構機械不可行的設計。并且為了進一步減少自由參數的數量，也沒有修改沿弧度曲線的厚度分布。最終，33 個參數被視為優化的設計變量，例如輪轂和護罩的形狀、外傾曲線以及子午線和切線葉片位置。

強大的網格生成設置對于自動優化工作流程至關重要，在這種工作流程中，新設計可能與原始設計有很大差異，具體取決于修改后的幾何參數的范圍。Fidelity Automesh用于流體域。通過具有三種不同網格分辨率的網格收斂研究確保了網格獨立性：1、2 和 3 百萬點。200 萬點結構化多塊網格效果最好。此外，還進行了穩健性測試以確保整個設計空間的高質量。覆蓋整個設計空間范圍的數百個隨機生成的幾何圖形被自動網格化。所有幾何形狀都是成功的，并且正交性從未低于 20°。

優化和結果

一天半時間并行生成四個數據庫，然后合并。在 292 個數據庫設計中，270 個樣本滿足所有網格和收斂質量標準，這足以開始優化。

在優化過程中創建的每個新設計都會再次添加到初始數據庫中，隨著預期的最優值越來越接近而豐富它。隨著第一次優化的運行，很明顯并非所有目標都可以實現。他們決定在開始新的優化運行之前停止優化并調整不同目標的優先級。這個過程被重復了幾次并被證明是有用的，因為 - 先驗 - 目標只能在項目開始時模糊地確定。

結果

下面的圖 1 總結了數據庫最佳點 (OP2) 的結果以及等熵效率和總壓力升高的優化運行。

圖 1：數據庫和優化的結果：最佳點的等熵效率與總壓力比

紅色區域內的所有設計都顯示總壓力和效率增加。初始設計位于此框的左下角。將兩個最佳設計（D1 黃色和 D1 綠色）相互比較并與原始設計進行比較。這兩種設計都實現了所有優化目標并顯示出實質性的改進。除了效率提高和總壓比外，選擇時還考慮了工作范圍和結構機械結果。

下面的圖 2 顯示了所選優化設計與原始設計之間的幾何差異。

圖 2：原始幾何形狀與選定設計 D1 和 D2 的比較

對于這兩種幾何結構，都模擬了完整的速度線（圖 3）。設計 D1 顯示，相對于原始設計，總壓比增加了 8.0%，同時失速裕度也有所擴大。除了運行范圍的擴大之外，最值得一提的改進是接近失速的速度線的正斜率，與原始設計相比，即使在喘振線附近也能確保穩定運行。所有選擇的設計都保持最小的扼流圈質量流量。效率提高了 1.1%。最高的壓力比增加設計也提供了最高的效率增益。

圖 3：與原始設計（紅色）相比，設計 D1（黃色）和 D2（綠色）的速度線

D1 相對于 1.4% 的效率提高。相比之下，與 D1 相比，D2 具有略低的總壓比和效率改進，但具有擴展的喘振限制。這是多目標優化的經典沖突，不同的目標有時會朝著相反的方向行動。最終決定權在用戶。

設計 D1 中的 von Mises 應力超過最大允許限值約 3%，這仍在公差限值內。

結論

多學科 CFD-CSM 離心式壓縮機優化取得成功，在確保結構完整性的同時實現了所有空氣動力學目標。優化的結果很滿意：

1. 效率提高高達 1.4%（個百分點）

2. 總壓比提高高達 8.0%

3. 保持阻塞質量流量

4. 浪涌線延長達 5%

5. Von Mises 應力低于極限

文章來源：cadence博客