淋雨試驗方法的研究和應(yīng)用已有多年的歷史。汽車淋雨試驗是一種人工環(huán)境實驗方法，用于測試汽車的防水密封性能，模擬在使用條件下自然降雨或滴水對汽車的影響。早在上世紀(jì)70年代，法國航空標(biāo)準(zhǔn)、、美國軍標(biāo)、英國軍標(biāo)就正式規(guī)定了關(guān)于人工降雨、、暴雨防滴漏的條款。1990年，我國還規(guī)定：GB/T 12480-90《乘用車雨密性試驗方法》。
隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，在產(chǎn)品的設(shè)計過程中應(yīng)盡快采用現(xiàn)代設(shè)計方法，從根本上保證產(chǎn)品的質(zhì)量和水平。CAD/CAE/CAM技術(shù)的廣泛應(yīng)用為產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)提供了可靠和先進(jìn)的手段，曾被稱為3C。隨著計算機軟硬件功能的快速發(fā)展，3C技術(shù)的應(yīng)用得到了極大的推動，人們逐漸認(rèn)識到計算機輔助設(shè)計的真正意義。鑒于車輛產(chǎn)品的總體目標(biāo)，本文對軟件解決方案函數(shù)、、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、、處理器函數(shù)、和用戶界面、等進(jìn)行了比較。Ansys軟件的解題功能不僅全滿足其要求，而且為用戶的應(yīng)用提供了直觀的方式，引導(dǎo)用戶逐步分析。因此，本文采用Ansys軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計和仿真。
參數(shù)化建模是指用一組參數(shù)定義幾何圖形(體素)尺寸值，約束尺寸關(guān)系，然后提供給設(shè)計者進(jìn)行幾何建模。其主題是用幾何約束、數(shù)學(xué)方程和關(guān)系解釋產(chǎn)品模型的形狀特征，從而得到形狀或功能相似的設(shè)計方案簇。產(chǎn)品設(shè)計的目的是滿足工業(yè)生產(chǎn)、、科學(xué)研究和現(xiàn)實生活的需要。對于各種實際要求，工業(yè)產(chǎn)品應(yīng)該在功能和型號上不斷改進(jìn)。如果以前的設(shè)計不能滿足功能要求，就必須重新設(shè)計產(chǎn)品；如果只是由于應(yīng)用條件的不同而導(dǎo)致產(chǎn)品尺寸不同，那么只需要開發(fā)不同尺寸和型號的產(chǎn)品即可。系列化的、通用和標(biāo)準(zhǔn)化定型產(chǎn)品在設(shè)計時采用的數(shù)學(xué)模型和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)是相對固定的，但區(qū)別只是產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸，這是由于相同數(shù)量和類型的已知條件在不同規(guī)格的產(chǎn)品設(shè)計中取不同的值造成的。在設(shè)計這類產(chǎn)品時，采用參數(shù)化建模的方法來代替尺寸，這樣對于不同結(jié)構(gòu)尺寸的產(chǎn)品，通過改變相應(yīng)的參數(shù)化尺寸的值，就可以自動快速地得到產(chǎn)品模型，節(jié)省了大量的重復(fù)過程，提高了設(shè)計和生產(chǎn)效率。
ANSYS是上的有限元商業(yè)應(yīng)用程序。美國的John Swanson博士在1970年創(chuàng)立了ANSYS，然后開發(fā)了這個應(yīng)用程序，用計算機模擬工程結(jié)構(gòu)分析。經(jīng)過30多年的不斷改進(jìn)和修改，它已經(jīng)成為全工程應(yīng)用中受歡迎的應(yīng)用程序。其新版本是ANSYS8.1。
該應(yīng)用程序的主要特點是緊跟計算機硬件、軟件的新發(fā)展水平，功能豐富，用戶界面良好，前后處理和圖形功能齊全，使用效率的有限元系統(tǒng)。擁有豐富的、單元庫、完善的、材料模型庫和求解器，保證了其能夠效率解決各種結(jié)構(gòu)的靜態(tài)、、動態(tài)、、振動、的線性和非線性問題，能夠有效解決溫度場問題、、散熱場和多場耦合問題。其友好的圖形界面和程序結(jié)構(gòu)使用戶易于學(xué)習(xí)和使用，通常專業(yè)人員可以在一個月左右的時間內(nèi)掌握其應(yīng)用方法和技巧；其全交互的前后處理和圖形文件，大大減少了用戶創(chuàng)建工程模型、生成有限元模型和分析評估結(jié)果的工作量；其統(tǒng)一、集中的數(shù)據(jù)庫保證了系統(tǒng)各模塊之間的可靠、靈活集成；其DDA模塊實現(xiàn)了與眾多CAD軟件產(chǎn)品的有效連接。ANSYS的各種產(chǎn)品適用于各種版本的計算機平臺，為用戶提供了各種可能的選擇。
如今，ANSYS的全球用戶超過5000人。應(yīng)用程序于90年代引入中國后，廣泛應(yīng)用于核工業(yè)、鐵路、石油化工、航空航天、機械制造、能源工程、汽車交通、國防工業(yè)、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)藥、輕工、。地質(zhì)礦產(chǎn)、水利、家用電器等一般工業(yè)和科研，對產(chǎn)品設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析和各領(lǐng)域的科學(xué)研究做出了應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
模擬的必要性
首先，根據(jù)流體力學(xué)和能量轉(zhuǎn)換理論，對淋雨實驗室的噴淋系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，選擇節(jié)能作用好、經(jīng)濟成本低的設(shè)計方案。對每個噴頭的噴水量進(jìn)行分析計算，并將計算數(shù)據(jù)輸入計算機。利用ANSYS仿真軟件模擬淋雨試驗，實現(xiàn)設(shè)計結(jié)果的可視化。用戶可以通過可視化仿真系統(tǒng)直接了解設(shè)計的實驗設(shè)備，并可以根據(jù)用戶的要求隨意調(diào)整各種參數(shù)，通過人機交互來改進(jìn)設(shè)計，從而滿足不同用戶的各種需求。例如，測試對象可以是整個車輛或身體部分。如果是貨車，只對駕駛室部分進(jìn)行淋雨測試就夠了，還能省錢。達(dá)到縮短設(shè)計周期、，優(yōu)化設(shè)計方案、，節(jié)約設(shè)計成本的目的，從而促進(jìn)我國汽車工業(yè)和國民經(jīng)濟的快速發(fā)展。
參數(shù)化有限元模型的建立
進(jìn)入ANSYS的前處理模塊，在工具菜單中選擇ScalarParameters，彈出參數(shù)尺寸定義界面，如圖1所示。本文以某噴嘴的參數(shù)為例，依次輸入模型中需要參數(shù)化的尺寸并定義，完成參數(shù)化過程。在實際問題中，需要參數(shù)化的尺寸是有限的。在定義參數(shù)大小時，要注意不要讓模型過度約束。然后開始在ANSYS中建模。如果模型中的尺寸是參數(shù)化的，則應(yīng)該用尺寸的定義名輸入，否則參數(shù)化的信息不會進(jìn)入模型。
參數(shù)化模型建立后，進(jìn)行正常單元定義、實參數(shù)定義、單元劃分、加載和求解工作。完成這些過程后，用ANSYS的LGWRITE命令名保存命令流文件。Jobname是用戶定義的分析文件名。用記事本打開，可以看到操作步驟被ANSYS以一定格式記錄下來，尺寸定義部分被編輯，文件被保存。啟動一個新的分析過程，使用ANSYS的/INPUT命令將文件讀入ANSYS。因為它是一個批處理文件，程序在參數(shù)化尺寸編輯后自動執(zhí)行分析過程以獲得模型及其計算結(jié)果。從上面的討論可以看出，ANSYS的參數(shù)化建模功能可以很容易的得到相同結(jié)構(gòu)不同尺寸的模型的建模結(jié)果和分析結(jié)果。只有參數(shù)化模型建立后，才能進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化分析過程。
模擬過程
本文主要利用ANSYS軟件對淋雨實驗室的噴淋系統(tǒng)進(jìn)行模擬分析。產(chǎn)品各項性能符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12480-90《乘用車防雨密封性試驗方法》。
模型的建立
有限元模型是用于有限元分析的計算模型或數(shù)學(xué)模型，為計算提供原始數(shù)據(jù)。建模是整個有限元分析過程的關(guān)鍵。模型的合理與否將直接影響計算結(jié)果的準(zhǔn)確性、計算時間的長短以及計算過程能否完成。
由于管道是軸對稱圖形，二維模型可以清晰地顯示水在其中的流動。因此，為了節(jié)省計算機空間和減少計算時間，本文利用ANSYS的前處理模塊分別建立了頂部、側(cè)面和底部的二維模型。
模型的網(wǎng)格劃分
有限元法的基本思想是將復(fù)雜的形狀分成若干個簡單的單元，利用單元的節(jié)點變量對單元的內(nèi)部變量進(jìn)行插值，實現(xiàn)整體結(jié)構(gòu)的分析，并對連續(xù)體進(jìn)行離散化，稱為網(wǎng)格劃分。離散有限元集將代替原來的彈性連續(xù)體，所有的計算和分析都將在這個模型上進(jìn)行。因此，網(wǎng)格劃分將關(guān)系到有限元分析的規(guī)模、速度和精度，以及計算的成敗。實驗表明，如果網(wǎng)格劃分過細(xì)，計算精度會不足，達(dá)不到預(yù)期作用；但相反，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，計算精度逐漸提高，計算時間增加不多；但當(dāng)網(wǎng)格數(shù)增加到一定程度時，計算精度略有提高，但計算時間大大增加。嚙合時要注意嚙合的有效性和合理性。這樣就存在一個優(yōu)網(wǎng)格密度問題。該模型首先采用整體智能網(wǎng)格劃分，然后在拐角處通過人工網(wǎng)格劃分進(jìn)行細(xì)化，使有限元計算結(jié)果符合實際情況。
限制性邊界條件
加載時用邊界條件數(shù)據(jù)描述結(jié)構(gòu)的實際情況，即分析結(jié)構(gòu)與外界的相互作用。假設(shè)入口流場是均勻的，沒有徑向分量。以單級單吸離心清水泵為例。當(dāng)流量Q=100m3/h，揚程h=50m，轉(zhuǎn)速n=2900r/min，功率F=22KW，入口直徑d0=100mm，泵體壓力阻力p=，泄放直徑d1=80mm，公稱外徑d2=200mm時，管道內(nèi)的入口速度可取公式V。在所有壁面上施加非滑移邊界條件，即所有速度分量取為零；由于流體被視為不可壓縮，其性質(zhì)不變，在這種情況下，壓力只能考慮相對值，即出口處所受壓力的邊界條件是相對壓力為零；因為是湍流分析，所以可以局部放大出口，使流場得到能發(fā)展。加載時，邊界條件可以直接施加到幾何模型上，這樣做的好處是當(dāng)有限元網(wǎng)格發(fā)生變化，重新進(jìn)行分析時，不必在節(jié)點上重新施加邊界條件；通常的做法是在有限元模型上加載邊界條件，所以在改變有限元網(wǎng)格時，必須先刪除現(xiàn)有節(jié)點上的邊界條件，然后再施加新的載荷，以保證加載的精度。但需要注意的是，無論采用何種加載方式，在ANSYS求解之前，載荷都會轉(zhuǎn)換到有限元模型中。因此，加載到實體中的載荷將自動轉(zhuǎn)移到其所屬的節(jié)點或單元。
