汽車氣動性能優化的案例
基于CFD 的新能源汽車冷卻風扇氣動性能仿真分析
摘要：以某新能源汽車的7葉片的冷卻風扇為研究模型，通過STAR CCM+軟件中Realizable k-ε湍流模型對其進行定常三維數值計算.首先進行了網格數量的無關性驗證；然后通過試驗驗證了數值計算模型的準確性，并對冷卻風扇內部流場壓力與速度分布進行了分析；最后分析了葉片個數參數對冷卻風扇氣動性能的影響.結果表明：相同轉速的工況下，當冷卻風扇靜壓相同時，隨著葉片個數增多，其產生的流量越大.在冷卻風扇的靜壓效率方面，在風扇靜壓170-200 Pa左右時，9葉片風扇靜壓效率最高.在其他靜壓區間，當葉片數為7、8時，風扇靜壓效率要高于9葉片風扇.研究可以為新能源汽車冷卻風扇氣動性能優化提供依據.
近些年新能源汽車在中國發展迅速，新能源汽車的電子冷卻風扇是整車熱管理重要組成部分，電子冷卻風扇的設計要滿足電驅系統、電池系統與空調系統的冷卻需求；同時，電子冷卻風扇也會對新能源汽車的NVH性能影響很大.因此，設計出冷卻性能好與低噪音的電子冷卻風扇是至關重要的.CFD仿真分析技術的出現可以縮短產品的開發周期，同時降低開發成本，更可以從機理上研究冷卻風扇的流動細節，目前已經廣泛應用到冷卻風扇的開發中.當前對冷卻風扇的研究主要集中在輪轂比、葉片個數、葉頂間隙、葉片安裝角與葉片形狀等方面對冷卻風扇性能的影響.
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 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
展開 
電動汽車動力電池振動疲勞性能優化
Keys: electricvehicle, power battery, vibration fatigue, Morphology optimization, FrequencyResponse.
0 引言
隨著越來越嚴重的能源消耗，環境污染等一系列問題，電動汽車的需求及銷售量越來越大。據中汽協數據統計，2016年新能源汽車生產51.7萬輛，銷售50.7萬輛，均實現50%以上的同比增幅。而隨著電動汽車的存量增加，電動汽車安全事故明顯增多，成為關注熱點；據統計， 2016年全球電動汽車發生起火事故35起，其中我國發生安全事故29起，涉及電動車合計40輛；我國電動汽車2016年事故數是2015年（14起）的2倍多，安全性能必須作為電動汽車設計中最重要問題考慮。
動力電池是電動汽車安全相關重要部件，動力電池安全性能是電動汽車安全性能的重中之重[1]。為保證動力電池安全，國內外制定了一系列動力電池相關技術法規；相關技術法規(例如ISO12405-3，IEC 62660，ECE R100.2，SAE J2929，UL 2580，GB/T 31467.3等)，對動力電池振動性能及其試驗測試都做出相關規定。
動力電池振動性能法規基于整車應用角度出發，對電池系統因車輛正常行駛所受振動載荷下的安全性能進行考察。對于動力電池振動性能，可采用試驗方法進行分析優化[2]，國際上也存在較成熟的數值仿真方法進行模擬分析[3]。由于CAE仿真可以在動力電池樣件制造出之前對其振動能否達到要求進行預估計算，近期在國內動力電池設計中作為有效驗證手段得到應用[4-5]。
某電動汽車設計開發過程中，其動力電池無法借用成熟資源，需重新開發。動力電池振動性能參考GB/T 31467.3標準進行仿真，分析結果發現電池上箱體存在振動疲勞風險。
展開 Adams FMI聯合仿真助力福特汽車優化燃油經濟性和NVH性能
項目背景
在車輛設計過程中，NVH性能和燃油經濟性往往必須相互權衡。例如，當發動機轉速低于2000轉/分鐘，車輛處于高速檔位時通常會出現拖拽現象。在這種情況下，當駕駛員踩下油門時，發動機很難給車輛提供動力，同時產生的扭矩相對較小，因此加速度較低。由于發動機低轉速和高負載下的低點火頻率，拖拽會產生高能級的低頻輸入。這些低頻輸入經常被駕駛員和乘客感受到，比如座椅導軌振動、方向盤振動和艙內轟鳴聲。
工程師試圖控制拖拽的主要方法之一是通過液力變矩器，該變矩器利用流體聯軸器將發動機的扭矩傳遞并放大到變速器。液力變矩器由泵、渦輪、葉輪和包含在充滿傳動液的腔內的定子組成，此外還有鎖止離合器和阻尼器組件。
離合器由電子控制，以提供所需的滑移水平。在需要時，離合器會鎖住，并
在發動機和變速器之間提供直接連接，從而達到接近100%的效率和最佳的燃油經濟性。在閉鎖模式下，發動機扭矩波動會直接傳遞到變速器，有可能導致傳動系統產生振動和噪聲。滑動變矩器可增加阻尼，降低傳動系統振動對發動機扭矩激勵的敏感性，并改善NVH性能。另一方面，由于流體聯軸器和離合器摩擦，滑移增加了損失，降低了燃油經濟性。
挑戰
在開發一種新車型時，工程師們要負責滿足各種經常相互沖突的性能目標。燃油經濟性和NVH性能是最重要的兩類目標。對于拖拽，NVH工程師通常負責保持變速器輸出軸的扭轉振動幅值低于目標值。NVH團隊自然更喜歡大的滑移，以幫助實現他們的目標，而負責燃油經濟性的團隊則希望滑移盡可能低，以實現他們的目標。到目前為止，直到在產品開發過程的后期階段，一輛原型車被制造出來并進行了測試，才有可能高精度地確定扭轉振動振幅。然而，在這個后期階段，設計被凍結了，更改成本相當高，可能會推遲生產。
展開 設計仿真 | Adams FMI聯合仿真助力福特汽車優化燃油經濟性和NVH性能
然后，我們將把聯合仿真集成到設計過程中，以便在產品開發周期的早期就可以優化液力變矩器的設計。”
變速器輸出軸的扭轉振動與發動機轉數和滑塊轉數的對比
文章來源：海克斯康工業軟件
設計仿真 | Adams FMI聯合仿真助力福特汽車優化燃油經濟性和NVH性能
然后，我們將把聯合仿真集成到設計過程中，以便在產品開發周期的早期就可以優化液力變矩器的設計。”
變速器輸出軸的扭轉振動與發動機轉數和滑塊轉數的對比
汽車側面碰撞試驗B柱耐撞性能優化及輕量化設計
摘要：為提高汽車碰撞后側面的安全性，對汽車B柱進行耐撞性能優化及輕量化設計。利用Hypermesh軟件劃分車輛網格，建立汽車有限元模型。采用LS-DYNA軟件分析優化結果，通過B柱加強版進行總成集合化處理，從而實現B柱加強板總成屬性轉移。采用CAE軟件進行仿真實驗，確定2k因子對性能造成影響的關鍵與非關鍵因素,通過B柱熱成型優化設計提高車輛輕量化效果。實驗結果表明：應用該方法優化后，車輛B柱輕量化比基礎模型升高了15.4%，車輛整體質量減輕了19%以上。通過對汽車側面碰撞試驗B柱進行耐撞性能實驗，可知汽車B柱幾乎沒有發生變形，車廂內假人胸腔未出現損傷。
關鍵詞：側面碰撞；B柱；耐撞性；輕量化；優化；CAE分析
隨著經濟快速發展，汽車已經成為人們日常生活的主要交通工具[1-2]。伴隨著市場需求與相關法規對汽車碰撞安全性能要求逐年提升，車身質量隨之增加。
汽車的側面位置是整車中最薄弱的部分，其可以分散沖擊力的部件極少，一旦發生碰撞，將給乘坐人員生命安全造成極大的威脅。門檻梁總成與A柱、B柱、C柱、前門及后門是轎車側圍的主要部件，其中B柱作為車身側面主要承力部件，在汽車發生側面碰撞時，不但要承受巨大的沖擊力還需要給車門與車欄等部件提供支撐[3-4]。同時，影響乘坐人員安全性的關鍵指標是B柱的入侵速度與入侵量[5-6]。由此可知，提高側面碰撞時汽車的安全性，首先要增強B柱的耐撞性。
我國自20世紀80年代開始對汽車側面碰撞進行研究，研究方向為改進門欄梁厚度、多角度改進B柱的受力結構。本文從提高汽車B柱耐撞性、汽車輕量化設計兩個方面對汽車車體進行優化設計，從而提高汽車安全性。
展開 ANSYS和SYNOPSYS將展開合作，加速優化新一代高性能計算、移動和汽車產品的魯棒性設計
ANSYS和SYNOPSYS將展開合作，加速優化新一代高性能計算、移動和汽車產品的魯棒性設計：獨有的產品集成，可將電源和可靠性驗收解決方案與內建設計分析的物理實施解決方案充分整合，進而推動未來智能產品的研發http://www.ansys.com/zh-CN/About-ANSYS/news-center/06-19-17-ansys-and-synopsys-partner
STAR-CCM+計算二維翼型氣動性能
STAR-CCM+計算二維翼型氣動性能
一
算例背景
機翼理論主要研究翼型在流體中運動時的力學特性。在工程領域中，機翼以升力面、控制面、葉片或槳葉等形式出現。艦船上的舵、水翼、減搖鰭等都是機翼，螺旋槳、汽輪機葉片和壓縮機葉片也都是利用機翼原理工作的，而在研究船舶操縱性時，甚至還可把船體的水下部分看作一個巨大的機翼。
隨著航空科學的發展，世界各主要航空發達的國家建立了各種翼型系列。美國有NACA系列，德國有DVL系列，英國有RAF系列，蘇聯有ЦΑΓИ系列等。這些翼型的資料包括幾何特性和氣動特性，可供氣動設計人員選取合適的翼型。
展開 
襟翼氣動載荷測量方法優化
3
計算方法、測壓孔布置方案和插值方法
1) 計算方法
如圖1所示，取襟翼展向上任一橫截面，則該橫截面所受展向單位氣動載荷包括阻力FX、升力FY和鉸鏈軸力矩M。其中，FX和FY可通過式（1）轉化為沿弦向（x方向）的分力即弦向力Fx和垂直于弦向力（y方向）的垂向力Fy。
圖1 襟翼展向某橫截面所受氣動載荷示意圖
由于對低速流體氣動力問題已有較成熟的CFD技術，因此本文認為CFD計算結果能夠很好地反映低速風洞試驗測壓數據，并假定測壓孔對襟翼氣動性能的影響可以忽略不計。首先基于CFD數據，將壓力在襟翼橫截面邊界所圍成的封閉曲線上進行第二類曲線積分，得到單位展長襟翼所受垂向力和鉸鏈軸力矩作為參考值；然后在襟翼橫截面邊界所圍成的封閉曲線上從前緣點開始順時針取測壓孔位置并插值得到這些點對應的壓力值作為測壓孔測得壓力數據，將測壓孔數據重新在封閉曲線上插值并進行第二類曲線積分得到單位展長襟翼所受垂向力和鉸鏈軸力矩測量值；最后通過相對誤差來考察該測壓孔布置方案的測量準確度。
2) 襟翼壓力分布規律
圖2和圖3比較了不同迎角和不同橫截面的襟翼壓力沿弦向分布的規律。
展開 陳珂，等：天然氣管道摻氫輸送對離心壓縮機氣動性能的影響
Meira等[11]擴展了美國航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）提出的沖擊損失理論，考慮到壓縮機內部的單向可壓縮流，結合索阿韋-雷德利希-鄺氏（Soave-Redlich-Kwong，SRK）和貝內迪克特-韋德-魯賓（Benedict-Webb-Rubin，BWR）兩種狀態方程對壓縮機模型進行修正，該模型對于壓縮機摻氫后的性能預測更加準確。
綜上，目前采用 CFD 軟件研究摻氫比例對天然氣管網性能的影響已較為普遍，但天然氣管道摻氫比對壓縮機性能影響的研究主要采用相似理論，這需要壓縮機流動完全相似；而天然氣摻氫會導致壓縮機工質物性的變化，降低了摻氫后壓縮機的性能預測精度。因此，為了提高天然氣管道摻氫輸送的安全性和可靠性，深入探究天然氣摻氫后對離心壓縮機氣動性能和喘振裕度的影響尤為重要。根據現有川氣東送管道的GE PCL503 天然氣壓縮機實測工況數據[12-13]和搜集到的主要幾何尺寸，對其進行三維數學建模，利用數值模擬手段分析了不同摻氫比、環境溫度下壓縮機內部的三維流場，重點研究不同天然氣摻氫比對離心壓縮機氣動性能和喘振邊界的影響，以期為天然氣摻氫管網的安全運行、管網壓縮機的設計及選型提供理論指導。
1 模型建立
1.1
幾何模型
依據目前公開發表論文中的關于 GE PCL503 壓縮機各工況點實驗數據[12-13]和搜集到的主要幾何尺寸（表 1），采用 Concepts NREC 軟件對該壓縮機進行一維氣動設計及三維幾何建模。
展開 高性能變幾何渦輪氣動設計技術研究 哈爾濱工程大學高杰
來源：熱機氣動熱力學與流體機械
結構優化在車身剛度性能優化中的應用
車身是汽車行駛運動過程中的主要承載體。車身由大量的部件構成，結構復雜，工作條件也十分復雜。主要的工作載荷包括：驅動慣性力，制動慣性力，轉向慣性力，不平路面激勵力和動力結構載荷等等。如果車身結構設計中剛度設計不足，則車身的振動頻率會引起結構共振，進而引起結構連接的強度失效（產生塑性變形），進而導致車門、窗框、背門框等變形過大。最終導致車門卡死、玻璃破碎、密封失效、漏氣漏水等問題。分析車身的剛度，改進車身結構設計，提高車體剛度是非常重要。
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。
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