0 前言
當(dāng)今全球氣候變暖,夏季雨量增大,大雨過后路面會(huì)存有大量積水,車輛涉水行駛非常普遍,因此汽車涉水能力受到各汽車企業(yè)的重視。
車輛涉水嚴(yán)重,主要會(huì)出現(xiàn)以下情況:
1)現(xiàn)在車輛電子化程度越來越高,線路特別繁雜,車輛在涉水后很容易導(dǎo)致各電路接口和插口進(jìn)水。涉水后的車輛一般當(dāng)時(shí)看不出什么問題,但進(jìn)水的位置時(shí)間長(zhǎng)了就會(huì)被氧化,問題也會(huì)隨之而來;
2)車輛在過水路面時(shí),大量的積水會(huì)沖擊到車內(nèi)防火墻上,由于水流急,壓力大,時(shí)間過長(zhǎng),防火墻會(huì)出現(xiàn)滲水現(xiàn)象;
3)汽車涉水對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的影響比較大,如環(huán)境水導(dǎo)致電器短路、水進(jìn)入進(jìn)氣管導(dǎo)致氣缸進(jìn)水、進(jìn)入機(jī)體而稀釋潤(rùn)滑油、對(duì)機(jī)體具有冷卻作用;
4)發(fā)動(dòng)機(jī)涉水時(shí),對(duì)潤(rùn)滑系統(tǒng)影響比較大。油底殼位于發(fā)動(dòng)機(jī)底端,涉水時(shí)首先與水接觸,隨著涉水深度的提高,油底殼部分或全部沒于水面下,高溫潤(rùn)滑油通過殼壁與水發(fā)生熱交換,潤(rùn)滑油溫度下降、黏度減小,導(dǎo)致潤(rùn)滑不良,摩擦損失增加,燃油消耗率增加。
本文根據(jù)實(shí)際路試反饋信息,發(fā)現(xiàn)在車輛涉水試驗(yàn)過程中,防火墻出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。為測(cè)出滲水的主要位置,現(xiàn)運(yùn)用CFD軟件STAR-CCM+進(jìn)行車輛的涉水仿真。
1 計(jì)算模型的建立及方案確定
1.1 幾何模型建立
根據(jù)某車型的三維CAD實(shí)體模型,分別選擇發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)部各零部件、前格柵、車輪和車身的外表面生成模擬空間?紤]到汽車產(chǎn)品的復(fù)雜性,為了節(jié)約時(shí)間和減少網(wǎng)格數(shù)量,在不影響模擬精度的前提下,把汽車底盤部分處理成一個(gè)平板。但對(duì)模擬的關(guān)鍵部件,如前格柵、發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)的散熱器、風(fēng)扇等部件則應(yīng)盡量保留原樣,如圖1所示。
圖1 幾何模型
由于CFD網(wǎng)格劃分需要在一個(gè)封閉的空間內(nèi)進(jìn)行,而CAD模型之間有一些縫隙和漏洞,如果直接在CAD軟件中進(jìn)行模型的前處理,需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力,因此,我們采用先在Hypermesh中劃分三角形的表面網(wǎng)格,如圖2所示,這樣表面的連接和修補(bǔ)相對(duì)容易,然后輸出為Patran格式。
圖2 Hypermesh表面網(wǎng)格
1.2 網(wǎng)格生成
在本次分析中,利用STAR-CCM+先進(jìn)的網(wǎng)格生成工具進(jìn)行面網(wǎng)格重構(gòu)和體網(wǎng)格的劃分工作,其中中冷器、冷凝器和散熱器采用多孔介質(zhì)的計(jì)算模型。
計(jì)算區(qū)域取為長(zhǎng)方體,長(zhǎng)寬高分別為32m×6m×7m,上游距前車軸8m,如圖3所示。整個(gè)模型采用12面體網(wǎng)格劃分,體網(wǎng)格總數(shù)為3739120個(gè)。圖4為整車體網(wǎng)格圖。
圖3 計(jì)算網(wǎng)格
圖4 整車體網(wǎng)格
1.3 邊界條件確定
分析中有水和空氣兩種流體介質(zhì),入口采用速度入口邊界條件,入口速度根據(jù)實(shí)際路況速度設(shè)置,如表1所示,出口為壓力出口邊界條件。側(cè)面及頂部采用滑移壁面邊界條件,底部及車身表面采用無滑移壁面邊界條件。紊流模型采用高雷諾數(shù)k-ε湍流模型。采用SIMPLE算法進(jìn)行計(jì)算。
表1 初始條件
2 計(jì)算結(jié)果與分析
2.1 原始模型計(jì)算結(jié)果
不同涉水深度和不同車速下,防火墻上的壓力分布情況,如圖5所示。通過計(jì)算,我們可以看到,當(dāng)車速越快,水越深時(shí),沖擊到防火墻上的壓力就越大;相同速度時(shí),隨著水不斷增深,壓力變化比較明顯;所有方案都有一個(gè)共同點(diǎn),壓力最大值都發(fā)生在防火墻的中底部,偏于副駕駛員側(cè);其中壓力最大值的情況為車速30kph,涉水深度為200mm時(shí),壓力值為7500Pa。
圖5 不同涉水深度不同車速時(shí)防火墻上壓力分布圖
水的體積分?jǐn)?shù)大小表示水含量的多少,不同涉水深度、不同車速時(shí),防火墻上水的體積分?jǐn)?shù),如圖6所示。圖中由方案一可知,駕駛員側(cè)的防火墻濺到的水比較多;方案二與方案一相對(duì)比,由于車速的下降,飛濺到防火墻上的水較少,但有水的區(qū)域是相同的。方案三,由于涉水較深,車速較快,水飛濺到防火墻上的區(qū)域比較大,幾乎遍布整個(gè)防火墻;相比方案三,方案四由于車速下降,由車底反噬的水被防火墻底部阻擋,只能沿著防火墻的形狀貼伏在防火墻上,而不能飛濺,導(dǎo)致防火墻中底部到副駕駛員側(cè)飛濺到的水量較大。
圖6 不同涉水深度不同車速時(shí)防火墻上水的體積分?jǐn)?shù)
路試的進(jìn)水過程截圖與方案四涉水分析結(jié)果對(duì)比可知,車輛涉水的過程比較相似,如圖7所示。綜上所述,方案四(涉水深度200mm,車速20kph)在實(shí)際中是比較常見的,也是路試情況中最能反映實(shí)車性能的方案,因此方案四模擬的結(jié)果更具參考意義。
圖7 路試與方案四對(duì)比
2.2 方案改進(jìn)
由方案四可知,防火墻中部積了很多水,此處也是防火墻漏水的多發(fā)位置。針對(duì)此情況,設(shè)計(jì)人員在發(fā)動(dòng)機(jī)底部加了一塊護(hù)板,如圖8所示,目的是為了擋住水由底部反噬,沖擊防火墻。
圖8 發(fā)動(dòng)機(jī)底部護(hù)板
基于方案四,做更改方案的涉水仿真,邊界條件的參數(shù)設(shè)置與方案四相同(涉水深度為200mm,車速為20kph)。方案四和更改方案的涉水仿真對(duì)比,如圖9所示。從方案四的模擬可以看出,進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)艙的水分兩部分,一部分由格柵進(jìn)入流經(jīng)中冷器,冷凝器,散熱器,風(fēng)扇,沖擊發(fā)動(dòng)機(jī)本體,第二部分是由發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部沖刷,并經(jīng)防火墻向上翻轉(zhuǎn),反面沖擊發(fā)動(dòng)機(jī);由更改方案的模擬結(jié)果可觀察到,由發(fā)動(dòng)機(jī)艙底部沖刷防火墻的那部分水被新增的發(fā)動(dòng)機(jī)底部護(hù)板阻擋,進(jìn)而阻隔水流直接沖擊防火墻。
圖9 方案對(duì)比涉水仿真
從防火墻上水的體積分?jǐn)?shù)可以看出,通過增加發(fā)動(dòng)機(jī)底部護(hù)板,防火墻上的水量有了明顯的降低,更清晰的反映出了護(hù)板的隔水效用,進(jìn)而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)更改方案的可行性,如圖10所示。防火墻底部的壓力區(qū)域也有了明顯的變化,整個(gè)防火墻的壓力變得更加均勻,壓強(qiáng)最大值發(fā)生在輪罩內(nèi)部,原因是由于水流對(duì)車輪罩的直接沖刷導(dǎo)致的。
圖10 防火墻上水的體積分?jǐn)?shù)
圖11 防火墻上壓力分布
3 結(jié)論
(1)應(yīng)用STAR-CCM+分析軟件對(duì)某車型進(jìn)行的涉水分析,可以較準(zhǔn)確的得到汽車涉水的整個(gè)過程及各零部件上的壓力分布及所沾水的體積分?jǐn)?shù)。
(2)更改方案的計(jì)算結(jié)果表明,通過增加發(fā)動(dòng)機(jī)底部護(hù)板,可以很好的阻隔車底部水流對(duì)防火墻的直接沖刷,減免了防火墻出現(xiàn)滲水的可能,更改方案合理。
(3)在產(chǎn)品開發(fā)時(shí)應(yīng)用CFD方法,可以大大縮短開發(fā)周期,節(jié)省開發(fā)費(fèi)用,分析結(jié)果對(duì)于設(shè)計(jì)開發(fā)人員優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要參考價(jià)值。
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本文標(biāo)題:基于STAR-CCM+的汽車涉水分析
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