Моделирование различных связанных физических явлений, при котором можно учесть несколько порой противоречивых требований, является одной из наиболее важных задач в автомобильной промышленности. Один из примеров подобных расчётов – моделирование резистивного нагрева бокового зеркала автомобиля.
Проектируя нагревательный элемент зеркала, необходимо принять во внимание отклик конструкции на различные воздействия окружающей среды, ведь давление воздуха и низкая температура могут вызвать внутренние напряжения и температурные деформации. Эта задача является типовой для автомобильной промышленности и требует проведения связанных расчётов, которые все ещё являются проблемой для многих программ конечноэлементного расчёта. В этой статье мы расскажем, как инженеры нашей компании SVS FEM использовали ANSYS AIM для моделирования и связанного расчёта бокового зеркала, что позволило решить ряд сложных проблем проектирования.
Проектирование бокового зеркала автомобиля
Большинство вещей вокруг нас являются более сложными, чем мы себе представляем, и боковое зеркало автомобиля – хороший тому пример. Давление воздуха на высокой скорости, динамические свойства конструкции, а также различные материалы, используемые в конструкции зеркала, могут оказывать взаимное влияние. Кроме того, необходимо учитывать прочность конструкции, удобство использования, параметры электрической проводимости, моделировать обогрев зеркал при различных условиях и учитывать теплообмен между зеркалом и потоком воздуха.
Создание виртуального прототипа изделия может сэкономить временные и финансовые расходы на натурные испытания, но многие программы для физического моделирования способны одновременно рассчитывать только одно физическое явление. Мы выбрали AIM за его возможности связанных расчётов, ожидая, что это позволит сэкономить время и получить более точные результаты.
Расчёт потока воздуха
AIM позволил нам решить стационарную задачу обтекания бокового зеркала. Мы использовали симметрию воздушных потоков вокруг моделируемого автомобиля. Полученное динамическое давление воздуха было использовано в качестве нагрузки для расчёта на прочность.
Статический расчёт на прочность и модальный расчёт
Мы приложили давление потока из соответствующего расчёта в качестве граничного условия для расчёта на прочность, а также заранее настроили автоматическую передачу данных из сетки для газодинамического расчёта в сетку для расчёта на прочность. Таким образом были получены напряжения и деформации в стальных и пластиковых несущих деталях, соответствующие заданным скоростям автомобиля.
Для снижения влияния на зеркало вибраций, мы провели модальный расчёт динамического поведения той же модели, которая использовалась для расчёта на прочность. При этом было учтено движение автомобиля путём приложения нагрузок от воздушного потока. Были получен и проанализирован ряд форм собственных колебаний с соответствующими частотами.
Связанный расчёт потоков воздуха и теплопередачи
Мы рассчитали стационарную задачу обтекания зеркала во второй раз, на этот раз рассчитывая тепловые потоки в предположении, что разность температур между поверхностью зеркала и потоком воздуха составляет 1 градус Кельвина. Полученные тепловые потоки на поверхности зеркала соответствовали конвективному теплообмену.
Подготовка геометрической модели
Модуль для геометрического моделирования ANSYS SpaceClaim обеспечивает быструю и удобную работу с рисунками. Привязка рисунка на плоскости и изменения его масштаба показалось нам довольно наглядным и удобным. Не менее легко оказалось разбить поверхность зеркала кривыми. Полученный рисунок с плотностью теплового потока был использован нами для того, чтобы решить, каким образом разделить поверхность зеркала для более точного задания граничных условий теплопереноса.
Связанный расчёт электрической цепи и теплопередачи
Мы провели связанный стационарный расчёт поля электрического напряжения в токопроводящей краске и теплового поля. При этом в качестве граничного условия использовались данные о конвекции, полученные из предыдущего расчёта.
Параметрические исследования
Плотность теплового потока на поверхности зеркала напрямую зависит от потока воздуха, обусловленного скоростью автомобиля. Мы провели несколько связанных расчетов обтекания зеркала и теплопередачи для ряда параметров, заданных в таблице Design Point. Были получены распределения плотностей теплового потока для каждой скорости и вычислено среднее значение.
Нестационарный тепловой расчёт
Мы провели нестационарный расчёт теплового состояния зеркала для ряда скоростей (расчётные точки DP1, DP2, DP3), для которых было ранее рассчитано обтекание. Различные скорости были учтены в расчёте путём приложения в качестве граничного условия конвенктивного теплообмена различных полей плотности тепловых потоков.
Вывод
Используя ANSYS AIM, мы смогли произвести связанные расчёты и учесть как различные аспекты конструкции бокового зеркала автомобиля, так и воздействие на него различных внешних нагрузок. Полученная информация позволила нам оптимизировать конструкцию зеркала перед созданием физического прототипа. Мы убедились, что AIM является очень полезным инструментом, пригодным не только для инженеров-проектировщиков, но и для более сложного моделирования связанных задач.
Если вы хотите больше узнать об описанной задаче, посмотрите видео-демонстрацию . Вы также можете найти и другие похожие видео на нашем канале YouTube.
Источник: http://www.ansys-blog.com/multiphysics-simulation-car-side-mirror-ansys-aim/
Автор: Zdenek Cada