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第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 643 CFdesign“前端 ” CFD 软件加速汽车设计 前端 CFD 模拟仿真软件让机械设计工程师拥有流体流动和热传导分析能力 ，使他们在概念设计阶段就能对设计基础进行 数值 试验验证 。 CFD 是指计算流体动力学 （Computational Fluid Dynamics）， 目前已经在航空航天 、汽车、船舶 、能源 、化工等行业有着广泛的应用 。早期 ，汽车制造商是 CFD 的主要使用者 ，那时候由于技术相对简单 ，许多企业建立了专门的专家队伍 ，而没有把软件集成到主流的工程流程当中 。后来 ，企业都拥有了出色的 CAE 团队 ，但仍要花费大 量精力让机械设计工程师们熟练掌握这些工具 。这也就使得在许多零部件和子系统受流体流动和热影响很大的行业中 ，CFD 软件并没有发挥出人们预想的作用 。现在 ，前端 CFD 技术 可以有效解决上述难题 。 1 经济实用的前端经济实用的前端经济实用的前端经济实用的前端 CFD 软件软件软件软件 前端 CFD 是指在产品开发进入样机试验前的开发设计初期就将流动和热分析模拟集成于CAD 环境中 ，主要使用者是多任务的机械工程师 。这意味着企业不需要特定的 CFD 或 CAE 专家来解决流动和热问题 。使用前端 CFD 软件 ，汽车制造商和零部件供应商在设计前期就可以分析零部件和系统的各种关键特性 ，并为最 后的验证保留大量珍贵的物理试验数据 。 传统上 ，大多数汽车零部件供应商一直延续着他们的老式产品开发方法 ，单纯地依靠物理原型试验指导决策 。建立和试验物理原型所耗费的成本及时间消耗掉了他们的竞争优势 ，而前端 CFD 软件无疑为他们提供了重振雄风的机会 ，使用这种软件不但可以限制外部采办 ，还开辟了新的市场机遇 。 对于中小企业来说 ，应用 CFD 技术目前可能仍是一种奢望 ，他们希望获得的是一种经济且现成的解决方案 。幸运的是 ，通过使用前端 CFD 软件 ，零部件供应商只需 再自己的 MCAD 模型上就可以得到通用汽车花费上 百人应用传统 CFD 软件创造出来的效果 。从投资回报的角度来看，这是非常划算的 。使用前端 CFD 软件 ，平均可将用于新产品设计开发 、试验和验证的时间减少 70%，同时 ，还可将与传统原型制作有关的时间和费用降低 65%。 2 CFdesign 软件软件软件软件 CFdesign 是前端 CFD 软件的 开创者 。它可以 有效 消除传统 CFD 软件的瓶颈 。 CFdesign 是领先的流体流动 、传热和电子冷却模拟工具 ，由美国 蓝脊数码有限公司 （ Blue Ridge Numerics, Inc.）开发 。 CFdesign 可以直接供 MCAD（机械 CAD）产品设计团队使用 ，是专门为使用 CATIA、 PRO/E、 UGS NX、 SolidWorks 等其他主要 CAD 系统的工程师而开发的 ，这种软件可将标准 MCAD 工作 平台 转化成完全互动的流动试验台和热力测试台 。同时 ，在与 Alibre、 CoCreate、 DEAS NX、 IronCAD 和其他基 于 ACIS 或 Paraslid 几何内核的 CAD系统配套时 ，这种软件还支持它们之间的本机互操作性 。这种软件工作时就好像是 MCAD 应用软件的一种延伸 ，让设计工程师能够在产品概念设计阶段进行复杂的热传输或流体流动的模第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 644 拟仿真试验 。 采用 CFdesign 软件 ，企业在设计阶段就能够深入了解零部件和子系统的性能 。 CFdesign软件的优点如下 ：使用本机上的 CAD 模型 ， CFdesign 软件可对各种设计变量进行定性分析和对比 ；在进行一项 CFD 传统分析的时间内 ，可进行多项 “what if”的假设分析 ；用户可在一个单一接 口上迅速对产品进行优化对比 ，在台式计算机上完成数十项方案的评估工作 ；在MCAD 系统内 ，对某个零部件或总成进行的修改可自动反映到 CFdesign 软件里 ，在整个项目周期中免去了耗费大量时间的工作任务 ，不再需要创造和管理多组几何模型 ；采用功能强大的3D 出版工具还可与设计小组里的每一个人分享高度互动的模拟仿真结果 。 3 成功的应用成功的应用成功的应用成功的应用 CFdesign 软件的应用范围包括 ：发动机冷却 、发动机润滑 、电子器件和照明系统 、外部空气动力学 、 HVAC 系统 、发动机缸内流动模拟仿真 、进气道流动模拟仿真 、岐管排气系统流动模拟仿真 、催化转化器 模拟 等。 鉴于其与 CAD/CAM 软件的完美连接 ，并且易于操作 、功能强大 ， CFdesign 可有效地缩短用户用于实体原型和试验的时间 ，降低成本 ，为企业创造巨大的价值 。 两年前 ，著名的的碳素纤维增强塑料公司 Racing Technology Norfolk 为了完成汽车用户的一个复杂且时间紧的项目 ，购进了 CFdesign 软件并立即投入使用 ，任务在三周内完成 。Racing Technology Norfolk 对 CFdesign 软件非常满意 ，他们的开发工程师认为将其整合到设计过程中非常方便容易 。该公司表示使用 CFdesign 软件不但增强了公司的业务能力 ，还拓展了业务范围及领域 ， CFD 工作也不必承包给专家们去做了 。 Acutex 公司是该软件的另一个用户 ，他是 Hilite 实业公司的全资子公司 ，为主要的汽车供应商设计和制造变速箱控制用电磁阀 。过去 ， Acutex 公司用简单的湍流方程来选择限流孔的初始尺寸 ，在并不知道准确的流量系数和层流过渡信息的情况下进行电子液压模拟。这种方法并不能准确地设计出客户定制的阀门 。在使用了 CFdesign 之后 ，Acutex 公司不仅可以确定阀芯直径 ，而且能够更有效地进行阀门的成形修正及整合工作 ，从而更好地确定流量系数 。CFdesign 软件可以在分析过程中很容易地改变温度 ，通过多次分析 ， Acutex 公司可以确定在客户提出的温度范围内 ，哪些尺寸和形状组合 可以提供足够和尽量恒定的流量 。因为在模拟仿真阀门性能之第三届中国 CAE 工程分析技术年会论文集 645 前，能够预测哪些参数会发生改变 。 CFDdesign 软件帮助 Acutex 公司缩短了设计周期时间 ，节省了大量的资金 ，特别是在冷流体试验中 ，节省了 17000 美元 。据估计 ，使用 CFDdesign软件 至少 缩短了 Acutex 公司 15%的开发周期 。 Dale Earnhardt 在场地比赛上是常胜将军 ，据说这是因为他能够 “看到 ”在汽车上面的空气漩涡 ，这让他在比赛中占据优势 。不过当他的汽车处于对手车子的尾流区时 ， Earnhardt 的感觉大概不可能太好 。而赛车制造商则 只能依靠简单的风洞去了解气流是如何影响汽车的 这种情况一直持续到计算流体动力学 （ CFD）的出现 。流体动力学是一门研究液体和气体和它周围的固体如何相互作用的学问 考虑一下气体流过形状复杂的 Cup car 的情况 。近年来 CFD 的发展可以让计算机在虚拟空气中模拟虚拟汽车 。制造商可以锻造金属部件之前先研究模拟数据 ，这会大大节省时间和资金 。 Dodge 在设计新型Charger 的时候大量使用了 CFD，从上面图片可以看到这方面计算机工作的部分成果 。为了保护专利信息 ，上图稍有改动 。 据 Blue Ridge Numerics 公司的 Jim Spann 说，有一家公司为多个 NASCAR 团队提供一套名为 CFdesign 的 CFD 软件，它是专门用于获取边界信息 。 “物理测试 在风洞中进行 一般只能获得有限的数据 。使用 CFD，你可以全面了解产品的性能 ；严格来说我们可以获得汽车所有位置的数据 。而传统的测试可能只能获得 5 个数据点 。 ” 数据点最重要的地方当然是单圈成绩 ：杯赛的记录时间已经精确到 1/1000 秒，因此精确了解汽车对空气的反应极为重要。例如 ， CFD 可以让制造商看到气流没有按照预想流过驾驶员旁边的 A 柱，对虚拟模型稍微进行一下修改然后再进 行一次模拟 ，然后真正的汽车就可以被制造出来并进行测试 。 而赛车设计者也不只简单追求空气动力学表现 ；制造商必须首先输入 NASCAR 提供的规格 强制标准 这些标准用于平衡各个车辆的表现 。然后就是汽车装饰问题 。据 Dodge Motorsports 公司的主管 John Fernandez 说， “一旦 NASCAR 把汽车的实际三维标准给了我们，我们就要考虑身份区别问题 ， ”或者用于区分不同牌子的细微差别 我们可以看一下Charger 的车头部位 。 CFD 加速了整个设计流程 。据 Dodge 公司的首席 CFD 经理 Jean-Michel Esclafer de La Rode 说， “草图设计以前要花好几个星期进行模拟试验 ，而现在我们只要几天就够了 。 ” 当然 ，也有些公司并不看好前端 CFD 的前景 ，一些专业 CAE 公司认为 ，未来人们更多需要的是模拟仿真驱动的设计 ，而这种设计需要单一的 CAE 模型 。这种说法看似有道理 ，但要知道单一的 CAE 模型和 CAD 模型并不是一回事 。对于分工明确且拥有专业 CAE 团队的公司来说 ，这种方法是有效的 ；而对于另一些拥有庞大的从事多任务处理的工程师团队 、使用MCAD 软件的公司来说 ，却没什么用处 ，对于他们而言 ， CFD 的真正 价值在于将其带入产品开发过程的前端 ，在花费很小的情况下对设计基础进行试验 从而得到优化的设计 。