使用EFD软件加快汽车设计 汽车工业具有战略意义的工程工具

 

 

 

众所周知，CFD（计算流体动力）形式的计算机模拟/虚拟模型技术，极大地降低了产品成本，加快了产品上市时间。然而，许多经营者尚未意识到软件的进步正使得小型和中型企业更易获取利润。多亏了诸如EFD（工程流体动力）这一类软件，我们无需再雇用或培训CFD专家，外包分析给咨询公司，或对多个物理原型进行测试。如今在任何规模的公司，接受过一般培训的设计工程师都能够运用其现有的知识成功地进行流体流动和热分析，从而极大减少了所需原型的数量。
实现这一突破是因为EFD简化了建立和运行流体流动或热分析的过程。当然，在一些要求高的应用中需要先进的专业知识，调整CFD网格划分和求解设置以便通过收敛求解。然而，我们的经验表明：利用现有知识，设计工程师无需特殊CFD方面的培训，可以解决他们遇到的分析工作的80%-90%。这使得CFD不再局限于专家领域，成为主流趋势，代表了设计过程中的根本性变化。正如CAD从二维转向三维需要思维的飞跃，EFD也是如此——而且结果也许更重要。

 

 

 

利用现有知识，设计工程师无需特殊CFD方面的培训，可以解决他们遇到的分析工作的80%-90%。

基于这些因素，CFD的应用范围得到了极大的扩展。虽然汽车工业中的许多经营者可能认为流体流动分析是专门用来研究汽车外观的气体流动，但这实际上只是EFD应用的开始。另一个可能想到的显著应用是研究阀内流体以确定阀的尺寸。然而，EFD正用于优化设计和制造各种各样的零件，如泵、制动系统、过滤器、燃料电池、集合管、车灯车管、变速器和其他许多组件。值得注意的是，装置或加工过程中的热传导，不可避免地受流体流动效应的影响，因此，EFD同样善于分析各种尺寸部件和系统的热效应。

 

EFD仅为一个项目就可能省下数百万

 

 

一个工程团队采购任何硬件或软件的最低限度是：可以节省我的时间和金钱吗？EFD软件包，一般而言，获得永久许可证的成本在其第一个所应用的项目中就可以收回，然后逐年赚取利润。

对于上述时间和成本论令人信服的证据是由Aberdeen小组进行的一项研究（工程决策支持：驱使做出更好的产品决定和加快产品推向市场的速度）。这项研究首次通过几大关键绩效指标对190家公司进行比较，这些指标同满足成本/收入目标和确定产品推出日期相关，然后将其研究的公司分为三组：“最顶尖的”、“行业平均水平”和“落伍者”。

毫无疑问，行业先驱所采取的策略是尽可能地用虚拟模型替代物理原型。这些行业先驱采用的虚拟模型为平均7.3个，而落后者只有2.8个。下表格是少1.1个物理模型情况下所节省的时间和成本。根据产品的复杂性和虚拟模型数，落伍者需要更多的物理原型。行业先驱平均物理模型为2.7个，而落后者为3.8个，如表1显示：对于低复杂度的产品来说，节省的成本接近于一万美元；而对于高复杂度的产品来说，节省值超过一百万美元。

 

表1 少1.1个物理模型情况下所节省的时间和成本表

资料来源: Aberdeen Group, 2007

 

产品复杂度	组件数量	研发周期	节省时间（天）	节省成本（美元）
低	<50	1周到一年	14	$8,360
中等	50 – 1000	一个月到5年	26	$63,800
高	50 – 10,000	1到5年	51	$143,000
非常高	1000 – 100,000	1到20年	109	$1,320,000

 

 

 

 

 

表1：Aberdeen小组的研究表明: 使用的物理原型越少，尽可能使用软件中的虚拟模型，则可以极大地节省时间和金钱。

财政收益同样延长了产品的使用寿命。正如Autosim财团（由欧洲委员会资助的项目）声明的那样，晚上市六个月的产品，与准时上市相比，即使已纳入财政预算，也会在五年内平均减少33%的收入。而且，正如表1所示，只要减少一个物理原型，开发周期就可以减少14天到100多天

如今，关键信息就是几乎所有的设计工程团队都可以做到节省这些时间和成本。

EFD推动CFD成为主流工程设计工具

 

 

任何一个工程团队都可以使用电脑模拟工程系统，而且下面的概念也无新的变化。数世纪以来，科学家使用数学模型描述我们的世界。牛顿与莱布尼兹分别发展了不同的微积分学以便将动力加入到模型中。事实上，利用一个相对简洁的模型，牛顿预测了行星轨道。该壮举具有革命性意义。它甚至挑战了人类对宇宙的看法。以后的几十年以及几世纪，研究员发现了描述不管是机械、机构、化学甚至整个电磁波领域的各种物理现象的公式。对于流体或者气体的流动，最基本的关系是最初于19世纪早期提出的Navier-Stokes方程。尽管由于现实问题非常复杂，Navier-Stokes方程的作用有限，它很难找到一个解析解法，所以找到利用粗略近似数值方法变得必要，这就有了现在我们熟悉的计算流体动力学。

 

 

 

操作EFD软件所需的技能仅为CAD系统的知识和产品物理知识，绝大部分设计工程师已经掌握了这两方面知识

只有在20世纪50年代，随着计算机的出现，CFD研究才真正开始，但研究基于研究员开发和编写的程序，即我们熟知的编码，一般在学术界或政府支持的项目上。这些程序一般是专为单个案例编写的。直到20世纪80年代，商业程序开始出现，CFD使用面扩大，但这些程序需要专业人士操作，他们必须了解正确设置软件的技巧比如获取好的网格、选择最好的求解和调整操作等。尽管如此，利用这些软件包，如果工程师能够定义几何模型，确定物理条件和描述一些初参数，他们仍可以模拟流场。

 

之前的软件版本开始广泛应用于解决商业CFD软件的各种问题，软件供应商在过去的10来年致力于提高网格工具和求解器。接下来，即就是现在正在进行的步骤是平衡这些改进，取得新的突破，因而有了EFD（工程流体动力学）软件的问世，这一步骤的重要性如同第一次将商业软件介绍给世人。

此处的关键字是”工程”——该软件是专为日常的设计工程师而非专家设计。它移除了CFD主流使用的所有障碍。直到目前为止，最大障碍是传统的CFD软件要求用户对计算流体动力方面有很深的认识，以便求得准确结果。相比之下，EFD的突破性优势包括其使用本地三维CAD数据，自动定义流动空间和为其生成栅状网格，以及管理基于对象特征的流动参数——所有这些综合在一起，通过方便的向导指示进行处理，工程师无需了解CFD的计算部分。相反，他们可以专注于产品的流体动力性，这已成为了他们职责的一部分，因为对此他们都是训练有素和经验丰富的。使用EFD软件所需的技能只是要了解CAD系统和产品物理性，而绝大多数的设计工程师都已经具备这两项技能。

图片1：EFD不仅使得工程师仍处于熟悉的软件环境下，还可以自动执行许多步骤，而传统的CFD软件包则需要掌握大量的专业知识才能完成。

区分EFD的一重要方面在于它无缝集成于工程师所熟悉的机械CAD软件包。安装EFD软件后，所有需运行流动或热分析的菜单和命令都集成于CAD软件包。EFD将CAD和CFD两者的功能紧密结合（见图1），其拥有的几大主要优势在于：

• 工程师无需从CAD环境中将文件输出至分析软件包，并花时间去建立“已准备就绪的CFD”几何模型，这一过程所耗费的时间如果不是几天就是几小时。相反，EFD利用工程师在机械CAD软件包生成的同一几何模型，包括对模型的任何修改，都自动导入至EFD分析。
• EFD软件自动判定您所感兴趣的流体区域，而传统的CFD软件需要用户自己定义其感兴趣的计算区域。
• EFD软件清楚地设立、运行网格划分和求解。CFD过于讨巧各方，它提供了广泛的选择，但大多数情况下并不需要。而EFD软件能自动选择适合的求解结果，设置求解方式以得出解决方案。工程师也不必担心如何确定流动特性改变的时间和地点，因为EFD支持层流-过渡-湍流模拟。
• 只需设置一次边界条件，由于操作环境统一，对应于几何形状，这些参数保持不变，除非工程师对其进行修改。
• 同样EFD加快了迭代设计过程；工程师能快速、轻易地将所学知识运用于分析和改进设计中。使用传统的CFD软件，每次几何形状产生变化后，都必须重新生成网格，这通常涉及到耗费时间的手动介入。相比之下，当几何形状产生变化，EFD软件立即运行，自动生成新的网格，在先前定义的边界条件下工作。因此，从变化的几何形状到运行求解和检验结果，完成这一步骤的速度大大加快。

总的来说，由于将CAD和CFD两者功能紧密结合，EFD使得工作流程明显加快，运行分析时无需再执行好些人工设置的步骤。

 

 

图2：在PRO/ENGINEER Wildfire环境下对进气管进行流体流动分析——EFD软件能够分析物理设计的变化

处于概念阶段的时候，制造商通过EFD进行模拟仿真，使得他们能探讨设计方案，发现设计缺陷，优化产品性能，然后开始详细设计或生成物理模型。EFD支持“what-if”分析。工程师不必重新加载、确定边界条件和材料特性，就能修改实体模型。该软件还有助于进行参数分析，比如，对同一阀中各管壁的厚度进行多次分析，以确定最佳厚度。

广泛应用

直到最近，经理们一致认为：“我看不出EFD是如何帮助我的职员更好地设计他们的产品。毕竟，流体流动并非我们设计中所考虑的主要因素。”与此同时，行业优秀企业却已发现EFD所带来的巨大利益远远超出传统应用范围，诸如空气动力学。仅仅在汽车工业中，工程师就已使用EFD软件设计下列产品和工艺，其中包括：

• 燃料喷射器、散热器、催化转换器、排气和排放控制系统、歧管、阀门、喷嘴、水泵和各种液压系统
• 通风罩下气流和散热管理
• 乘客舒适度和环境控制系统
• 水套、发动机机体和气缸内的冷却液流量
• 电子冷却系统，制动系统，动力传动元件和头灯等
• 热交换器和散热器的性能
• 通过过滤器的流量和压力降
• 燃料电池性能
• 整个车辆或诸如后视镜、挡风玻璃刮水器、扰流器等部件的空气动力性

该份列表清楚地表明，EFD在汽车制造业以外的众多行业中仍十分有用。事实上，只有极少数的行业或产品领域无法受益。

用户的故事

工程师告知其使用软件享受到的优势时，便是对该软件包价值的真正考验。此处就有两个故事表明如今数以千计使用EFD软件的用户对其感到非常满意。

Ventrex汽车：省去50个模型，上市时间提前四个月。

正如早前在白皮书中解释的那样，运行虚拟样机而不是制造物理模型能极大地节省时间和成本。这显然是位于奥地利格拉茨的Ventrex汽车有限公司的经验之谈。该公司为所有主要汽车制造商供应压缩机和空气调节阀。

近来的挑战是研发适合新型二氧化碳制冷剂的阀门，其取代了那些适于氢氟碳化合物的阀门。这些新流体在7倍乃至10倍更高压力下运行，许多空调系统的部件诸如用于系统排气和进气的阀门需要重新设计，EFD的关键优势在于它能仿真新设计中的压力降而无需建立真实物理模型，它还能提供诊断信息，如流场内每点的流速和流场，使得工程师能够确定最优设计。

图3：Ventrex汽车有限公司阀门生产情况。EFD软件加速新阀门上市时间达4个月

Ventrex长期以来一直使用CATIA，因此他们选择EFD.V5，可直接嵌入CAD环境中。不是将模型留在了CAD软件中，Ventrex工程师只要执行菜单选择，就将CATIA中的数据导入到了EFD中进行模拟，自动确定阀内有流体流动的空隙所在之处，工程师仅需指定边界条件以及该边界条件下的进口和出口压力。该公司的项目经理表示：“几小时内，我们就对初步的概念设计有了完整的模拟，并能够集中精力去改善它。”

结果是“嵌入CAD的CFD软件，其确定仿真结果几乎同我们改变设计的速度一致。我们能够将新型二氧化碳阀的流速提高15%，同时几乎减少50个模型，上市时间提前四个月。

Miniature Precision Components：快速评估12个设计方案。

在汽车和商业行业中，全球公认的居于领先地位的创新设计和世界一流热塑性零件生产商——Miniature Precision Components（MPC）公司，其提供功能化热塑性注射、挤压和吸气式吹塑成型配件/辅助配件。MPC总部设在美国Wisconsin 的Walworth, 公司拥有约1500名员工。

生产零排放车辆这一长期性任务的过渡性步骤是生产由电力或氢燃料电池所驱动的车辆，在美国几个大洲中，允许发放牌照给继续使用汽油发动机的部分零排放车辆（PZEVs）。为了符合PZEV资格，车辆必须满足“超低排放车辆”的标准，其燃料系统实现零蒸发排放物。PZEV主要特点是车辆在进气口对氢氟碳化合物进行密封，以防止发动机停止后含杂质氢氟碳化合物发生泄漏——它必须这样做，以避免空气进入发动机引起背压明显增加。因为背压增加将对燃料效率和性能产生不利影响。

在竞争激烈的氢氟碳化合物密封装置设计中，MPC公司的工程师从物理设计生成CATIA模型开始。他们先分析各种基于经验形成的初步模型。使用EFD.V5软件来分析很简易，仅需定义边界条件和运行流动分析。很快他们便发现采用5个辐条的模型得到的背压最低，但还是不够低。然后工程师数十次修改5个辐条的设计，每次均改变了辐条的几何形状和碳元素间距。负责该项目的工程师表示：“最终，我至少能够在该软件中实现背压目标。我们建立快速模型，并根据CFD预测发现背压处于0.1英寸水中最低。”

大幅提高生产力的简便步骤

迄今为止，我们希望已使您确信EFD为您做出巨大贡献，努力减少成本和加速产品上市时间，同时优化产品设计，从而提升客户满意度。仅在第一个项目中，就可收回投资在软件上的费用。这是因为该软件嵌入到工程师已使用的CAD系统中，可直接使用，而且学习时间特别短—— 在数小时内，使用EFD软件的工程师便可收获颇多。

如果您是使用下列任何一种主流三维CAD软件包，我们将提供集成于EFD的解决方案，这样您就可以快速将其投入使用:

• CATIA V5 – EFD.V5
• Pro/ENGINEER Wildfire – EFD.Pro
• 几乎其他任何一种CAD软件包，如Autodesk Inventor、Siemens NX，Solid Edge, CoCreate, SpaceClaim等都可以选用——EFD.Lab。这里，您可以将CAD模型导入EFD.Lab环境下，并立即获得EFD设计过程中的所有特性和功能。

详细信息

最少的投资，最大的收益：如果贵公司尚未使用EFD软件，您应该使用一下，并与您的设计团队进行交流，鼓励他们与我们取得联系——我们将很乐意为他们解释如何才能既快又容易地分享这令人激动的新技术。或者更为方便的方式是登录http://www.flomerics.com/products/engineeringfluiddynamics/demo.php观看免费在线演示。

您可登录http://www.flomerics.com.cn/查看更对信息或登录http://www.theengineer.co.uk/Directory/productList.aspx?liArticleTypeID=11 阅读英文原文