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多物理场仿真在汽车工业中的应用
鲍伟,高级应用工程师COMSOL 中国
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议程简介
COMSOL 汽车工业仿真示例• 制造工艺• 电动机 / 发电机• 腐蚀• 电池与燃料电池• 声学• 传感器
用户故事:胎压监测系统
App 案例演示:• 吸湿膨胀导致的 MEMS 压力传感器漂移
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为什么进行模拟?模拟的终极目标是什么?
效率 生产力
更低成本 以及更多
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真实
世界
传热
结构力学电磁
流体流动
粒子追踪
等离子体
声学化学反应
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扩展你的汽车仿真模型,并包括
多物理场
温度上升
流体流动
结构变形
其他物理效应
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COMSOL 5.2 产品库
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汽车工业仿真示例
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制造工艺
待焊接的接缝
旋转的焊接工具
移动脉冲激光的加热
铝板的摩擦搅拌焊(搅拌针带来的传热)
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模具冷却 –三维热模拟和一维管道流
用于方向盘制造的模具冷却过程
管道流模块• 管道网络中的流体流动• 结合传热与/或质量传递• 耦合至三维热传导模型
方向盘塑料模具的冷却 –包括冷却通道中的管道流
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换热器
• 结合三维和一维多物理场流动和传热模拟,兼顾效率和精度
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二维与三维混合 – 轴承分析斜瓦式推力轴承
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fluid_thrust_bearing.PNG
径向轴承
• 变化的润滑剂厚度• 润滑剂流动• 用于快速旋转机械零件的润滑剂上的
压力分布
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电动机和发电机
三维旋转机械的专业预置设定
• 无刷电动机和发电机• 有刷直流电机
三维旋转机械用户接口仿真的直流电机
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发电机• 永磁体转子• 定子磁极周围的绕组• 导入非线性 B-H 曲线
表面:磁通密度等值线:磁矢势(z分量)
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腐蚀分析• 模拟系统中的腐蚀范围:
– 电偶、点、缝隙腐蚀等
• 与腐蚀产生的几何变形进行耦合• 评估腐蚀防护系统的效率,例如阴极保护 (CP)
镁合金的电偶腐蚀 (AE44) – 盐溶液(盐水)软钢连结。电极材料的去除由移动网格表示
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铅酸电池三种放电模式:
• 1200 A• 60 A• 自放电
放电一小时内每分钟1条线
0
60
自放电 (1 年)60 A 放电(+ 1 小时弛豫)
1200 A 放电
确认:• 特定能量密度• 动态充电/放电属性• 电流提取的可能瓶颈
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锂离子电池• 充电-放电循环的瞬态模型
30 分钟后,嵌锂的浓度
• 动力学和传递的详细分析,优化电池设计
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燃料电池分析聚合物-电解液 / 质子交换膜 (PEM) 燃料电池
• 分析燃料电池的电化学,最大化功率输出• 流动、电荷传递与质量传递的多物理场耦合
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pem.fuelcell2.gif
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燃料电池 – 力学• 双极燃料电池板中的
应力和位移
温度 von Mises 应力 位移
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声学• 汽车的环境声学
汽车内部的测试基准
500 Hz 压力模态形状
声压 vs 频率
源 测量
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声固耦合声固耦合
• 在一个多物理场模型中模拟换能器的力学属性与声传播
声壳耦合
• 为薄层弹性结构振动和所产生声波设计的高效模型
隔音膜模型
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消音器模拟
吸收式消音器• 消音器内部包括吸收式多孔衬套
材料
• 使用 Delany-Bazley 经验模型来考虑感应和阻抗衰减
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入口
出口
257 mm
声学消音器与集总热声阻抗
穿孔板孔洞之一的热声子模型 确定集总参数并应用为内部阻抗边界条件
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微粒过滤系统的声学
f = 800 Hz
dB
• 声压和多孔基体变形之间的相互作用
• 同时考虑固体和流体的影响
传输损耗的频率扫描
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MEMS:传感器、换能器和加速度计
电容式压力传感器
压阻式加速度计
之中的电压
检测质量块的位移
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多物理场仿真故事:
通过模拟优化用于汽车轮胎内部的压电能量收集器
西门子研究院,慕尼黑,德国ALEXANDER FREY AND INGO KUEHNE
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问题• 胎压监测系统 (TMPS) 传统上装配于轮毂,并由电池提供动力:
– 如果 TMPS 能够位于轮胎内部,就可以测量温度、摩擦、损耗,以及其他重要特征– 能够使用能量收集式 MEMS 发电机,从而代替电池(无电线)– 然而,这将要求能承受加速度,并与轮胎的使用寿命相匹配
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两种 TPMS 装配选项:轮毂上,或轮胎内衬上
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解决方案
• 压电能量收集器从轮胎特定区域接触地面的每次压缩中吸取能量
– 三角形设计可得到均匀的应力分布
• 为了最小化阻尼,悬臂的尺寸和层厚都必须优化
– 通过改变仿真模型中的值,设计的优化过程变得更快更高效
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悬臂由两种材料组成,电能从悬臂经电路转换
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模型• 首先,使用静态分析来确定初始值• 然后执行瞬态分析来查看物理效应的影响• 最后三维流固耦合 (FSI) 分析考虑偏转与外部压力和承载层厚度的函数关系
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二维流固耦合仿真 悬臂偏转与气压函数关系的三维 FSI 仿真
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其他近期示例• 丰田研究院(安娜堡,
密歇根州,美国)– 优化电子元件几何增强
散热
• 菲亚特研究中心(奥尔巴萨诺,意大利)– 锂离子电池堆的热管理
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App 开发器
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常规仿真工作流程项目计划
分析工程师进行仿真
产品工程师提出需求
测试验收
项目结束
修正需求 结果反馈
交付 通过
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客户有新的参数要求,咱们产品是否能实现?
供应商提供的配件改了尺寸,怎么办?
改了个参数,帮忙再算一下吧!
常规工作流面临多种问题
设计图加工成本太高,改设计!
产品线要调整一下,现在这个设计能否满足要求?
……
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COMSOL Server™
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解决方案:多物理场仿真App
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从模型到 App,全面释放仿真分析的潜能!
2016/3/4
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App 案例演示
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COMSOL Server
• 部署全球使用的 App• 客户端:
– Windows® 下的 COMSOL客户端– 网络浏览器
• 管理员工具– 创建用户账号与权限– 创建用户组– 更多
2016/3/4
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两种运行 App 的方法• COMSOL Client for Windows®
– 免费下载 40+ MB– 与 COMSOL Desktop ® 外观类似– 可以运行 LiveLink™ for CAD
• 网页浏览器– 不需要安装什么工具– 不需要浏览器插件– 一维、二维和三维图形
• 通过 WebGL™ 标准进行交互式三维渲染
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联系我们• Email:[email protected]• 电话: 86-21-5077-6566(上海办公室)
86-10-5153-0282 (北京办公室)• 技术支持邮箱:[email protected]
• 网站: www.cn.comsol.com– 用户故事– 视频– 模型库– 论坛– 博客– 产品新闻– …
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