豐田案例：齒輪箱Fluent模擬仿真全攻略

2016-09-04  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

本期導讀

輪滑油在齒輪箱中不僅僅是作為潤滑系統,它也作為冷卻劑,確保系統不會過熱甚至著火。

齒輪箱在許多行業中是常見的,包括汽車制造業。設計師們也需要一個快速且經濟的方法去優化它們的冷卻系統。為此豐田公司用ANSYS Fluent模擬了驅動裝置的冷卻系統。

齒輪網格劃分。注:該圖片并非豐田公司產品

齒輪系統中的熱量通常來自摩擦。這種摩擦主要由齒輪嚙合和軸承和軸的運動產生。這種熱形成機制在它影響到周圍的環境之前會把熱量轉移到外殼的輪滑油中。

“為了測試系統,僅僅確保任何齒輪接觸點的輪滑是不夠的。還必須評估冷卻性能與油流動損耗。Dr. Gilles Eggenspiele,一位資深產品經理解釋說:“ 這有助于確定油面的最佳高度,” 

為了更好地評估驅動裝置,工程師們不僅要分析油的流動,而且要分析外部空氣的流動。一般來說這是一個很復雜的流體仿真,需要計算機具備極其強大的計算能力。目前的方法是將流體和車輛氣流建模分別采用數據耦合。這便使得計算步驟減少了很多,大大地減少了計算量。

對流體體積的模擬仿真通常被用來研究輪滑油與驅動單元中空氣的表面作用。這項技術是用來檢測兩種互不相溶流體的相互作用。Eggenspieler說 “表面相互作用可以生成表面張力所形成的液滴。隨著液體的流動,網格將動態細化基于接口的位置”。 一旦界面區域顯示出來,通過仿真過程我們就能知曉油與空氣的動態特征。

Eggenspieler補充道:“圍繞著接口,網格會更完善,通常是2-3梯度的單元細化,這種細化需要對仿真過程進行適當的求解。沒有接口的區域網格就會粗化,” 這種網格細化同時也不會降低求解速度。如果不是模型網格較好,那么仿真過程會需要很強大的計算機性能才能進行求解。

以一個重新嚙合區為例。注:該圖片并非豐田公司產品。

在模擬仿真中,齒輪建模使用了動態網格。Eggenspieler解釋道:“建立動態網格必須定義一個齒輪重新嚙合時的區域。基于ANSYS進行第一設定轉速表面運動。本質上這種系統是以模擬時長乘以位移速度。這種表面作用會自動地重新劃分網格,”這意味著齒輪幾何形狀必須精確建模這樣劃分網格才可以確保準確的流體流動。Eggenspieler 建議 “如果你一開始的網格建立的很完善,那么接下來的一切事情都很好解決.。畢竟齒輪是完全對稱的幾何體。最初畫網格,你必須確保你有一個尺寸函數。一般來說齒寬是齒高的10分之一。 當然每個公司都有他們自己的網格繪制方法。”

然而,繪制網格并不像它聽起來這么容易。 Eggenspieler 澄清道, “需要2-3次的試驗才能確定網格的精確優化與快速求解.。當你繪制一個能根據水/油相互作用而自動細化的網格時,你僅僅只得到了第一次仿真的最佳方案。工程師們必須確保他們有最佳的模擬裝置。首先,這會使得工程師們節省一大筆在選擇方案一還是方案二時所用的時間。這些最優實踐法能夠重復使用多次甚至數年。一旦確定流體流動,運用馮卡門類比法可以確定油的傳熱系數 。當這些數據加上空氣流動的仿真之后,驅動裝置熱傳播的精確結果就能夠計算出來了。一個齒輪系統的仿真實例(不代表豐田的設計)看下面的視頻:

最終仿真過程模型需要130萬個網格。 該模型顯示驅動單元的底部冷卻適當而頂部過熱。通過重新定位驅動裝置散熱片,豐田公司能在加熱裝置初始設計時就被固定的情況下減少整機重量。

但是模擬仿真也有缺點,畢竟仿真不能代替所有試驗。工程師們還是必須進行一些現場試驗。 Eggenspieler 指出, “我們的模擬仿真與現場試驗之間誤差率是很小的。 但是人們最終還是會做現場試驗。進行模擬仿真的意義是: 需要進行100次試驗才能做的設計,通過仿真以后你可能只需要做3-4次試驗以及余下一些極端情況下的試驗。仿真不可能完全代替試驗,但是可以用來加快設計速度,并且在設計初期就能夠提出性能評估,即使在第一臺樣機已經生產出來的情況下。豐田為例,使用模擬仿真技術,可以減少他們的驅動單元的重量達10%,同時提高了冷卻性能。

至于體積流體仿真方法的應用,除了齒輪還有很多,其他應用包括船體運動,空泡螺旋槳,熔融金屬,海浪,石油和天然氣以及更多。 

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