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NX草图驱动在车身曲面CFD优化设计中的运用 |
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作者： |
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1 引言
在汽车车身的设计开发中，如果能够降低车身的气动阻力系数，将能够有效的减少发动机能量消耗，提升车辆的动力性，并减少由此带来的排放和污染。此外，车身空气动力学设计还包括对气动升力和气动侧力的改善，这将有助于提高车辆在高速行驶时的气动稳定性。因为车身所受到的气动力是按车速的平方增加的，对于设计车速越高的车辆，气动效应在整车设计中所起的作用将越明显，也就越有必要进行气动优化设计。
2 车身气动优化过程
在目前计算机辅助设计技术日趋成熟的现状下，车身气动造型优化设计一般以CFD优化为主，风洞试验为辅。CFD优化具有成本低、可重复性强的优点，它的思路是对车身CAD模型进行“仿真——改型——验证”，仿真流程一般为：
1)建立车身CAD模型
CAD模型是整个仿真验证的基石。为了满足仿真需要，一般需要对车身模型进行前期处理，包括封闭表面、调整曲面拼接等，以满足计算网格划分的需要。
2)对CAD模型划分计算网格
目前采用计算机进行力学分析时，绝大部分情况下需要划分计算网格以模拟原始物体，即有限元分析。因为原始物体是无法直接进行单元受力求解的，由标准几何单元比如四面体、六面体组合而成的网格体才可以解析出力学节点。对于计算网格，一方面它应该精确的模拟原始模型，另一方面，它应该具有较为标准的几何外形，以改善求解时的收敛性和准确度。
3)指定边界条件
边界条件应该和真实情况相符合，特别是对流场壁面和边界层的处理上。如果是对实车风洞进行数值模拟，那壁面处的网格就应该限制节点移动，而如果是对道路上运动车辆的数值模拟，那壁面处的网格节点就应该是自由滑移的。
4)运算求解
运算求解的原理是通过指定的流体控制方程，对计算域中的网格节点建立力学方程，通过迭代求解出流场的各项参数。其核心是控制方程，它决定了对实际流体运动的物理描述，直接影响到整个仿真的收敛性、精度和运算时间。
5)后处理
后处理是指对流场的特性分析，可以获得流场的各项物理参数和可视化的属性图，比如压力系数、表面压力云图、流线矢量图等。
整个仿真的流程如图1所示，如果是优化那就需要进行多次循环。
图1 CFD仿真的流程
从以上的分析可以看出，首要考虑的是车身CAD模型，在实际运用中因为模型处理不好导致计算无法收敛、网格质量差的情况很常见，这就对曲面模型的质量提出了很高的要求。更重要的是，车身CFD优化不光只是对原车的验证，还需要对原车CAD模型进行全方位的造型修改，这就对模型的精度和可修改性提出了更高的要求。
3 NX在车身CFD中的运用
相比其它工程CAD软件，NX的优点包括：
1 界面亲和力好，容易上手。
2 曲面造型功能强大。一些专业工具非常实用：草图驱动设计、人机工程组件。
3 推广基础好。NX目前在机械专业本科生的毕业设计中运用最多，有很好的学生基础。
图2为气动优化时的车身覆盖件NX模型，注意车前的散热栅是没有进行简化封闭处理的。在几何模型处理到位的情况下，借助内外流耦合技术，可以对包含发动机舱和底盘的全细节模型进行气动分析，从而更准确的提出造型改进措施，如图3所示。
图2 轿车的NX模型
图3 考虑发动机舱和底盘的内外流耦合分析
4 草图驱动技术
如前文所述，从CFD仿真优化的角度来看，不光对CAD模型提出了“静”要求，比如曲面质量、模型质量，还有“动”要求，即模型的可塑性要好。单次的仿真是没有太大意义的，往往需要进行大量的优化改型设计，这种改型包括覆盖件的曲面走势改型和附件的细节改型。一般的CAD辅助设计软件在“静”指标上都可以满足要求，但在“动”指标即可塑性上就难以满足要求了。
在NX软件中采用了一种草图驱动技术，和常规的建模不同，模型中的各个元素有很强的关联性，该功能较好的满足了可塑性的要求。
草图驱动是指在模型构建过程中，类似高度、角度、宽度这些几何尺寸由参数或者参数组合成的公式进行表达，通过在参数列表中修改尺寸，在驱动技术的支持下，无需重新建立模型就可以使原始模型发生变化。这样就为后一步的仿真验证提供了便利。
例如在车身气动优化中，通过加装附件可以改善气流的流向和分离。在车轮的前方和后方可以尝试安装挡板来改善轮胎和底盘处的气流分布，但挡板的宽度和高度是需要考虑的，尺寸过小对流场的影响有限，效果将不明显，而尺寸过大，因为附件本身也是会带来阻力的，反而适得其反。存在着一个最优的尺寸使减阻效果最明显，如图4所示。
图4 在模型上加装阻风板附件
在优化过程中，对该附件的高度和宽度指定了参数，在不调用模型的情况下直接修改参数，模型就发生了变更，从而方便了附件的优化设计，如图5所示。
图5 对阻风板的参数化优化设计
但对于车身设计或者类似曲面产品的设计来说，想直接进行参数化设计就有一定难度了，曲面造型不同于形状规则的机械模型，难以直接用尺寸进行度量。在优化设计中，采用了一种基于控制节点的参数化方法。
NX提供的草图驱动功能可以在sketch功能下，用一组控制节点来生成曲线，注意的是，曲线所在基准面可以是XY水平面，也可以是侧面投影和正面投影，如果将这些曲线进行编号和分组，并通过扫掠、放样、拉伸、旋转、拼接等方式就可以构建出曲面。
图6为通过扫掠的方式构建曲面。
图6 扫掠曲面
图7为通过投影剪切的方式构建曲面。
图7 投影剪切曲面
在NX驱动功能的支持下，只要修改曲线的形状，就可以快速的修改覆盖曲面的外形。因此曲面造型参数化的问题转换到了对曲线的参数化描述上。在NX可以用控制点来生成和描述曲线，如图8所示。
图8 通过控制点来生成曲线
对于控制点的参数化，理论上1个控制点可调整的坐标值有2个方向，但对于多个控制点生成的曲线，在均控制纵向坐标的情况下，也可以灵活自由的修改曲线外形，从而使描述参数变为各控制点的纵向坐标值。
以车身尾翼的优化设计为例，可以对尾翼断面截线用一定数量的控制点加以描述，如图9所示，断面截线可以通过拉伸等操作生产翼体。
图9 在NX中对控制点进行参数化来描述尾翼
只需要将上图中8个节点的Z向坐标进行参数化描述，保持X向坐标不变，就可以自由的修改断面形状，并进行仿真验证和优化。
在实际设计中，为了减少人工操作的工作量利用UG/OPEN API语言编写外部可执行程序，这样在不启动NX的情况下也可对模型进行修改，并且在改型中采用了近似模型优化方法，下图为通过CFD仿真得出的优化前后尾翼断面上的气动压力分布图。
图10 优化前后尾翼的表面压力分布
5 结语
在工程设计中经常需要结合仿真来对设计模型进行优化，这就对CAD模型的可塑性提出了很高的要求。采用NX的草图驱动技术，不仅可以对形状规则的零件直接进行参数化改型设计，也可以结合曲线控制点功能，对复杂的曲面造型进行参数化描述和优化。(end)
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(3/12/2012) |
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