水力性能優化的案例
葉輪蓋板切割對中低比轉速離心泵水力性能的影響（上）
摘 要：通過數值計算和實驗研究了采用新方法 - 泵葉輪蓋板切割（PIST）來改造泵葉輪對流場和泵性能的影響。本研究的主要目的是研究輸送單相液體離心泵在中低比轉速下的水力性能，該泵通過PIST方法進行了改進。在這種類型的蓋板切割中，不同的切割尺寸僅適用于閉式葉輪的蓋板，而輪轂和葉片的幾何形狀（直徑）保持不變。這種改進增加了葉輪和殼體之間與蓋板側的間隙，為泵送含有未溶解氣體的流體創造了理想的條件。計算流體動力學軟件（ANSYS-CFX）用于預測離心泵的水力性能。兩個著名的湍流模型，即重整化群（RNG）k-ε模型和剪切應力輸運（SST）k-ω模型，用于預測流型。通過實驗和非定常數值模擬與穩態數值數據的對比，驗證了計算結果。在確保流場模擬方法的準確性后，通過改變葉輪蓋板直徑對兩臺泵進行進一步的數值分析。綜合研究了幾何變化對性能曲線、效率、流場、泵內部壓力分布以及作用于兩種泵類型的徑向力的影響。結果表明，蓋板切割降低了設計點的揚程和效率。對施加在旋轉部件上的徑向力的檢查表明，在兩種泵類型中，由于葉輪出口周圍缺乏均勻的壓力分布，蓋板切割的葉輪比閉式葉輪承受更高的徑向力。因此，將獲得的相關信息用于修改現有系數以預測徑向力。
關鍵詞：離心泵；蓋板切割；實驗研究；CFD；性能影響
1. 前言
葉輪切割是一種特殊技術，它可以減小離心泵葉輪的直徑，使葉輪在相同轉速下具有更小的直徑。在某些條件下，切割葉輪會使葉輪出口處的切向葉尖速度降低，從而使泵的工作狀態符合系統的要求，這也可以減少泵送系統的過度噪音或振動。
展開 優化技術在水泵水力設計的應用
但是初步設計的產品如果通過CFD仿真得到的性能曲線不能滿足使用要求，往往需要不斷地修改流道形狀、進出口角度、幾何參數等，再通過仿真計算獲得結果。每改變一個參數都要重新在CFD中計算，如此往復，直到產品的性能能夠滿足設計要求，這樣設計者會花費很大的精力在上面。
基于葉輪機械設計-仿真-優化的一體化思路，在ANSYS Workbench平臺上可實現葉輪機械參數化設計、數值分析和優化設計的所有功能，其中一款專業分析軟件——OptiSLang是一款多學科優化、隨機分析、穩健與可靠性優化設計軟件，在真正意義上地進行葉輪機械的快速優化，幫助工程師更高效便捷地進行產品研發設計。
下面對ANSYS軟件水泵水力設計及優化流程做個詳細講解。
ANSYS水泵水力設計流程
1、傳統一維設計流程
傳統的離心泵葉片設計是基于一元設計理論設計方法，通過給定外特性參數以及介質屬性，利用相似換算或者速度系數的理論方法，確定葉輪的主要尺寸b2、D2、β2等參數，做幾次的經驗值修正，然后對葉片進行繪制，葉片繪型方法為方格網保角變換法。
方格網保角變換法的缺陷:
該方法一元設計理論流動是軸對稱的，即每個軸面上的流動均相同。
展開 優化技術在水泵水力設計的應用（上）
但是初步設計的產品如果通過CFD仿真得到的性能曲線不能滿足使用要求，往往需要不斷地修改流道形狀、進出口角度、幾何參數等，再通過仿真計算獲得結果。每改變一個參數都要重新在CFD中計算，如此往復，直到產品的性能能夠滿足設計要求，這樣設計者會花費很大的精力在上面。
基于葉輪機械設計-仿真-優化的一體化思路，在ANSYS Workbench平臺上可實現葉輪機械參數化設計、數值分析和優化設計的所有功能，其中一款專業分析軟件——OptiSLang是一款多學科優化、隨機分析、穩健與可靠性優化設計軟件，在真正意義上的進行葉輪機械的快速優化，幫助工程師更高效便捷地進行產品研發設計。
OptiSLang——技術特色與應用
什么是OptiSLang
OptiSLang 是進行參數敏感性分析、多學科優化、穩健性、可靠性分析與設計優化的算法工具包。
展開 優化技術在水泵水力設計的應用（下）
ANSYS水泵優化流程
基于后處理結果對水力設計進行優化、迭代，以滿足客戶使用要求。最終得到滿足要求的高性能葉輪水力。
OptiSLang敏感性分析
在Workbench的Toolbox中，雙擊OptiSLang下的Sensitivity。
進入參數化設計，在DOE里選擇拉丁超立方抽樣，樣本點先取100個（后續根據情況可繼續加點）。
基于離散元仿真軟件DEMms的雙錐水力旋流器-顆粒分離性能分析
兩段錐形水力旋流器作為關鍵分離設備，其底流管直徑與入口速度對分離性能的影響機制復雜，亟需高精度模擬技術予以揭示。基于此，團隊創新開發氣-液-固三相湍流模擬方法（VOF - RSM - DEM），其中自主研發的 DEMms 軟件，憑借獨特的算法架構與模擬能力，成為攻克該難題的核心技術支撐。
創新算法架構，實現顆粒運動精準建模
DEMms 軟件基于離散元法構建核心算法體系，深度融合牛頓第二定律與歐拉第二運動定律，為顆粒的平移與旋轉運動提供精確的動力學描述。在顆粒與流體、顆粒與顆粒及壁面的交互過程中，軟件通過多物理場耦合算法，實現對曳力、升力、碰撞力等復雜作用力的實時計算。
值得一提的是，軟件引入的隨機跟蹤模型，采用拉格朗日隨機軌道理論，能夠準確捕捉瞬時湍流速度脈動對顆粒軌跡的影響，使模擬結果與實際工況的吻合度大幅提升。通過這種精細化的算法設計，DEMms 軟件成功將顆粒運動模擬精度提升至新高度。
嚴謹驗證流程，確保模擬結果可靠性
為驗證 DEMms 軟件在三相湍流模擬體系中的有效性，研究團隊開展了系統性驗證工作。
以標準旋流器為研究對象，通過網格無關性驗證，確定了最優網格劃分方案，有效避免因網格誤差導致的模擬偏差。在與實驗數據的對比中，軟件模擬的切向速度、軸向速度與實際測量值呈現高度一致性，壓降和液體分流比的相對誤差控制在工程可接受范圍內，分離效率曲線的擬合度也達到理想水平。
這種從算法設計到模擬驗證的全流程技術把控，充分證明了 DEMms 軟件在水力旋流器流體動力學行為及分離性能模擬方面的可靠性與準確性。
深度應用剖析，挖掘分離性能關鍵規律
依托 DEMms 軟件構建的高精度模擬體系，研究人員對兩段錐形水力旋流器展開深入研究。
展開 優化技術在水泵水力設計的應用（下篇）
水泵優化流程
基于后處理結果對水力設計進行優化、迭代，以滿足客戶使用要求。最終得到滿足要求的高性能葉輪水力。
OptiSLang敏感性分析
1、在Workbench的Toolbox中，雙擊OptiSLang下的Sensitivity。
2、進入參數化設計，在DOE里選擇拉丁超立方抽樣，樣本點先取100個（后續根據情況可繼續加點）。
3、100個樣本點計算完成后，可以看到feasible下有綠色true和紅色false出現，提示信息顯示部分樣本點未能完成計算。
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在Workbench中， 可使用HPC快速計算，根據資源配置，可選擇同時計算多個點，以節省計算時間。
接下來為每個響應變量建立高質量響應面即MOP-最優預測元模型
5、在參數分析階段建立MOP后，后續優化、穩健性可靠性分析均可將MOP作為求解器來進行，而不再需要借助于CAE求解器，因此可以極大地提高分析效率。
6、從預測系數CoP，從中找到敏感性大的參數：對揚程H和效率efficiency敏感性大的設計變量。
OptiSLang優化分析
1、在彈出的Optimization NLPQL窗口中，保留敏感性大的幾個參數，其余的被過濾掉。
2、然后點擊Import criteria，進行單目標優化，構造目標函數和約束函數，設置H≥35，設置efficiency為MAX。
3、鼠標右鍵點擊Optimization中的NLPQL，開始驗證對比最佳設計點，在response values中可以看到最優MOP和calculation結果對比。
展開 優化技術在水泵水力設計的應用（上篇）
ANSYS水泵優化流程包括哪幾步？
……
更多步驟分解和實操教程敬請關注下期內容《優化技術在水泵水力設計的應用（下篇）》
結構優化在車身剛度性能優化中的應用
車身性能開發金字塔的最底層是消費者最易感知的性能，即操穩性能，而操穩性能直接相關的就是車身的整體剛度性能。（車身扭轉剛度、區域剛度是和車身操穩性能相關的，因此車身扭轉剛度的性能目標應該滿足操穩性能要求，也應該由操穩性能需求來定義。）
通常更高的車身剛度性能對于操穩、NVH、耐久性能是有益的，那是不是說為了提升上述相關性能可以過度提高剛度性能呢？當然不是，剛度性能提升是要滿足結構最優化設計原則，即通過結構優化設計來提升材料有效利用率，而不是靠粗暴地堆疊材料來提升剛度性能。在提升剛度性能時還要考慮輕量化要求，只有通過結構優化設計才能夠在滿足剛度性能要求時，同時滿足動力經濟性的要求。
結構優化包括拓撲優化、形狀優化等方法在優化車身性能中具有非常重要的作用。拓撲優化可以合理優化材料分布，識別車身結構薄弱點。形狀優化進一步優化零部件結構形狀提升材料效率。
以上包括本田、雷諾、沃爾沃、標志、尼桑、寶馬、雷克薩斯、斯柯達、歐寶等車型開發過程中拓撲優化在結構性能優化中的案例。
實際案例：
拓撲優化：
針對車身后端包括C、D柱、dog leg區域進行拓撲優化分析，識別結構弱區域。根據拓撲優化結果進行結構優化設計：
原方案：
方案1：重新設計C環結構
方案2：增加bulk head
這里就不在贅述其他方案，根據拓撲結果可以識別的方案一般包括增加加強件、增加Bulk head、增加焊點、修改形狀特征、結構形狀優化等。通過以上方案驗證，可以提升扭轉剛度性能12%左右，同時減重0.8Kg。驗證扭轉模態性能提升2.3Hz。
展開 優化小型家電的齒輪性能
推薦材料選擇
Stanyl? 是業內性能卓越的一種聚酰胺（尼龍）46，能適用于低溫和高溫的復雜應用工況。它提供了優異的摩擦學性能，擁有比聚鄰苯二甲酰胺 (PPA) 和其他高溫尼龍高出 50% 的耐磨性，并且能在干燥、平滑的環境下保持相同的性能。這些優異的性能主要取決于其特殊的分子結構，使得其結晶率高達 70%。
Stanyl? 的高結晶性和大量氫鍵分子成就了它極佳的耐摩擦磨損性和極好的、甚至高過玻璃化溫度的機械性能。它還為注射成型工藝提供了比多數聚酰胺都好的高流動性特質。此外，Stanyl? 成功的模制過程不需要借助特殊模具、溫度、鋼鐵或是其他高溫尼龍聚合物所需的特殊輔助工具。
Stanyl? 的高耐力性、耐用性和優異的摩擦磨耗性能，讓它成為了生產齒輪和其他對空間及耐用性有要求之小型家電部件的極佳選擇。
和一些競品，如聚甲醛（POM）相比，Stanyl? 表現出了更好的靜力強度、疲勞強度、更好的耐磨損以及耐蠕變性能。與競品 PPA 材料相比，用 Stanyl? 生產和設計的塑料齒輪，在不影響產品性能的基礎上，可減少 30% 的原料使用。另外對于低溫齒輪應用，它還表現出長久的耐用性，其承受的極限扭矩等級遠超 PPA 材料。如圖 2 所示，在保證性能的同時，使用 Stanyl? PA46材料，齒輪的厚度可以從使用 PPA 材料的 10mm 降低至 7mm，并減重約 30%。
展開 電動汽車電池包箱體保溫性能研究與優化
首先考慮下箱體材料的不同，鋼材的導熱系數為36?54W/(m·k)，鋁合金的導熱系數為160W/(m·k)，鋁合金比鋼材的導熱性能強，與仿真結果相反，因此材料導熱性能不是影響本文電池包隔熱保溫性能的主要原因。
其次考慮下箱體結構的不同，剛制與鋁制電池包下箱體截面圖如下圖所示。鋼制電池包下箱體底板為單層高強鋼板，其厚度為0.8mm，鋁制電池包下箱體底板為多層中空結構，其厚度為15mm。中空結構內存在空氣，空氣的導熱系數約為0.0267W/(m·k)遠小于鋼材和鋁合金的導熱系數，所以即使鋁合金的導熱性能比鋼材的高，但是由于中空結構中的空氣使得鋁合金下箱體整體的導熱性能比鋼制電池包的導熱性能低。因此電池包下箱體結構是影響本文電池包隔熱保溫性能的主要原因。
3.4 箱體隔熱保溫方案優化
3.4.1 鋼制電池包方案優化
根據仿真的結果，目前鋼制電池包的保溫性能無法滿足冬季工況設計要求，需要對其進行優化。
方法一：通過增加海綿橡膠的厚度來提升電池包下箱體的保溫性能。保持上蓋保溫材料厚度不變，將下箱體保溫材料的厚度由原來的5mm增加到15mm并使用Taitherm軟件進行仿真分析，根據結果計算出4小時內電芯的平均溫度變化率為2.58℃/h，仍然無法滿足設計要求。由于電池包內空間限制無法繼續增加保溫材料的厚度。
方法二：選用保溫性能更高的材料。綜合考慮保溫性能與生產成本選取泡沫石棉為下箱體的保溫保溫材料，材料厚度的選擇通過使用Taitherm算進對模型多步迭代計算，最后得出當泡沫石棉厚度為15mm時，4小時內電芯的平均溫度變化率為1.92℃/h，電池包保溫性能滿足設計要求。
展開 某型電動汽車路噪性能優化
原方案及優化方案車內噪聲仿真對比數據，如圖 10所示，在100Hz以內優化方案相對于原方案車內噪 聲有明顯降低，幅值降低可達8B。確定實施此方案并 進行樣件制作，后續需進行實車效果驗證。
3．5 方案總結確定
同時采用后縱臂軸套剛度變更及增加 電池支 架 2套方案并進行實車效果驗證 ，驗證結果 ，如 ll 所示 ，設計車與合資車處于同一水平。
從圖9和圖10的數據對比可知，仿真數據和實測 數據比較接近，總體誤差在6%以內，說明試驗汽車達 到了仿真的效果，達到了TVC穩定性控制的預期效 果，唯一不足之處是TVC觸發時，電機在正反向驅動 導致整車有一定的抖動，使乘坐舒適性不是很好，因此 在后期有必要對扭矩進行平滑處理來降低扭矩對整車 抖動的影響。
4 結論
1)整車仿真模型的利用可以有效降低開發成本并縮短開發周期。隨著仿真精度的提高，仿真工具將會車輛開發及優化過程中得到更多的應用。
2)路噪性能屬于整性能，只進行單一零部件優化無法達成優化目標。
3)低頻噪聲問題需著重關注橡膠件的隔振性能及大面積鈑金件的剛度。
作者：劉偉 韓騰飛 楊少鵬 詹定海 耿鵬飛
作者單位：長城汽車股份有限公司
來源：汽車工程師
文章來源：汽車nvh云講堂
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車用永磁同步電機NVH 性能的優化
車用永磁同步電機NVH 性能的優化
摘 要：從電機噪聲的分類、產生機理、優化措施三方面分析了永磁同步電機的NVH 性能，希望能對電動汽車企業排查整改電機NVH 問題起到一定的指導作用
由于永磁同步電機（后文簡稱為“電機”）具有體積小、質量輕、效率高、功率因數高、起動轉矩大等優點，目前已在電動汽車行業獲得最廣泛地應用。故本文著重對永磁同步電機的NVH 性能優化進行分析。
1 電機噪聲的分類
由于電動汽車沒有了發動機的掩蔽效應，電驅動（驅動電機+減速器）系統噪聲成為主要噪聲源，其中驅動電機的高頻特性使得人們對聲品質的關注度大幅上升。且隨著驅動電機朝著寬調速區間、更高轉速、輕量化等方向的發展，給電機的NVH 性能開發帶來了更多的挑戰。
電機噪聲主要分為三大類，即：電磁噪聲、機械噪聲、空氣動力噪聲。
展開 BEV圖像處理對自動駕駛系統的性能優化
作者 | Jessie
出品 | 焉知
眾所周知，可靠地環境狀態感知的能力，尤其是潛在對象的存在及其運動行為，對于自動駕駛至關重要。在自動駕駛系統運行過程中比較重要的是對其行駛的周邊環境進行態勢評估。這需要通過多個車載攝像機圖像、激光點云、毫米波雷達點云協助一定的算法模型實現。原理是對于車身周圍的整個環境的探測描述，以獲得校正后的360度鳥瞰圖BEV（Birds Eye Views）圖像。校正的BEV圖像可被分割出語義類別，以語義分割圖像作為輸入，可以減少模擬數據與現實世界數據之間的實際差距，并且可以成功應用于實際工況下的探測過程中。總體說來，在鳥瞰圖中可以很好的估計遮擋情況下的語義場景，這一過程可以對3D幾何形狀和可見場景語義有更加準確的了解，同時對遮擋區域進行更加準確的預測，生成質量更高的道路layout。同時，BEV圖像的建立可以對具有低照度和大量的車輛生成車輛和道路layout的清晰估計。
BEV的遮擋區域預測
由于BEV投影保留了物體的大小和距離，為學習提供了強大的先決條件。同時，神經網絡方法生成的BEV圖像并不依賴手動標記數據，而是在模擬合成數據集上進行訓練，并泛化到現實世界數據，通過給出道路場景的單個圖像，神經網絡架構實時（30 fps）在鳥瞰視圖中推理非模態場景。使那些在圖像不可見的靜態場景（道路，人行道）以及交通參與者幻覺般恢復。這種擬合預測的方法可以很好地應用在對環境動態過程的預測規劃中，實現對遮擋區域的預測。
對于每個車載攝像機，虛擬射線是從其安裝位置投射到語義分割的真值BEV圖像邊緣上，且這個射線僅投射到特定攝像頭視野的邊緣像素。對于BEV圖像而言，通常是根據以下規則處理這些射線的所有像素以確定它們的遮擋狀態
展開 如何優化注塑工藝，提高PC/ABS電鍍性能？
材料配方設計和電鍍工藝通常是人們認為影響PC/ABS電鍍性能的主要因素，然而很少有人關注注塑加工工藝對電鍍性能的影響。
注塑溫度
在保證材料不會裂解的情況下，較高的注塑溫度可以得到更好的電鍍性能。
在較低的注塑溫度下，PC/ABS材料的流動性差，注塑出的產品有較大的內應力，在粗化過程中應力釋放，導致產品表面的刻蝕不均勻，進而導致電鍍產品外觀不良，以及電鍍結合力差的狀況產生。
而較高的注塑溫度，可以降低產品的注塑殘留內應力，從而提高材料的電鍍性能。相關研究表明，相較于注塑溫度為230℃的產品，溫度提高到260℃-270℃時，鍍層結合力提高約50%，同時表面外觀不良率也大大降低。
然而，注塑溫度也不能過高，如果超過了材料的裂解溫度，將會導致注塑產品表面的外觀不良，進而影響其電鍍性能。
注塑速度和壓力
較低的注塑壓力和適當的注塑速度有利于提高PC/ABS的電鍍性能。
注塑壓力過大，將導致產品內部分子的過分擠壓，產生較高的產品內應力，進而導致產品粗化不均及電鍍結合力較差；
適當提高注塑速度，可以使澆口位置的剪切加大，導致流體溫度的提高，進而會提高整個材料的流動性，有利于產品的充填，降低產品的內應力；但剪切太大會導致材料的裂解，產生氣痕，起皮，毛邊等問題。
保壓壓力及保壓切換點
過高的保壓壓力和較晚的保壓切換位置，容易導致產品的過度填充和澆口位置的應力集中及產品內部較高的殘留應力。因此要結合實際產品充填狀態來設定保壓壓力和保壓切換點。
模具溫度
高模溫有利于提高材料的電鍍性能。
展開 【技術帖】軸流風機的氣動性能優化
軸流式風機通常用在流量要求較高而壓力要求較低的場合，由此軸流風機的氣動性能成為評判其性能優劣的重要指標。
本文即將展示的是某軸流風機的氣動性能優化的全流程介紹。通過對軸流風機的葉片和風道進行調整優化以提高其流量與效率。
01
優化前準備工作：
為了方便對葉片進行調整，建立葉輪的全參數化模型，并將葉片分為六個控制截面來調整參數變化。之后設定參數變化規律或給定算法，在優化軟件中會自動生成不同模型并啟動CFD軟件進行仿真計算。
021
優化目標：PQ性能與效率
模型優化過程中，主要分為風道及葉片的調整，調整內容如下：
031
優化過程：
首先我們在軟件當中建立全參數化的模型，然后優化軟件設置中的參數以及參數變化范圍，接下來與CFD軟件進行耦合，最后進行全自動的性能優化。其中對于優化參數部分，主要是對扇葉進行優化：有葉片的翼形、弦長、三個方向的角度以及葉片數量，除此之外本次對風道也進行了一定程度的優化。
展開 