搜索【案例分析】基于ANSYS CFD的自行車設(shè)計(jì)
2016-11-01 by:CAE仿真在線 來源:ANSYS
作者:David Higgins Larisa Marsh
本文介紹了Avanti Bikes采用ANSYS提供的流體動(dòng)力學(xué)軟件進(jìn)行自行車的開發(fā),其中設(shè)計(jì)的一款競賽自行車還贏得英聯(lián)邦運(yùn)動(dòng)會(huì)金牌和新西蘭鐵人三項(xiàng)賽的冠軍。
Chrono Evo II和Pista Evo II是Avanti Bikes目前速度最快的競速自行車,馳騁于各種分秒必爭的自行車賽事中。在2010年舉辦的英聯(lián)邦運(yùn)動(dòng)會(huì)上,Alison Shanks騎乘Avanti賽車勇奪女子3000米個(gè)人追逐賽金牌;Cameron Brown則憑借Avanti賽車的優(yōu)異性能奪得2011年新西蘭鐵人三項(xiàng)賽冠軍。
該項(xiàng)目不僅獲得新西蘭最優(yōu)設(shè)計(jì)最高獎(jiǎng),還榮獲備受矚目的2012年國際紅點(diǎn)設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)。用于計(jì)時(shí)賽或鐵人賽(Chrono)和賽道賽(Pista)的比賽自行車均采用ANSYS提供的流體動(dòng)力學(xué)軟件開發(fā)而成。為設(shè)計(jì)這兩款自行車,Dynamic Sports Engineering(DSE)的工程師首先使用ANSYS CFD-Flo計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)軟件優(yōu)化單個(gè)部件的空氣動(dòng)力學(xué)特性,比如頭管、前叉、中軸和座撐。
接著工程人員將各個(gè)部件組成完整結(jié)構(gòu),進(jìn)行系統(tǒng)仿真,測(cè)試自行車整體在負(fù)20度到正20度側(cè)風(fēng)條件下的空氣動(dòng)力性能。工程人員手動(dòng)完成一系列設(shè)計(jì)的測(cè)試工作,最終得到一個(gè)最優(yōu)解決方案,可以使阻力降低20%左右(與之前的型號(hào)相比)。阻力的下降可以使賽手在一小時(shí)的比賽中節(jié)省大約一分鐘的時(shí)間。
圖1 Avanti開發(fā)的Chrono Evo II
1業(yè)界領(lǐng)先的競賽自行車制造商
Avanti在1985年發(fā)布自己的首款自行車,現(xiàn)在提供的型號(hào)超過110款,主要在新西蘭和澳大利亞銷售。Avanti與新西蘭一家當(dāng)時(shí)只有兩名工程師的小型工程咨詢公司DSE達(dá)成協(xié)議,DSE公司幫助Avanti從空氣動(dòng)力學(xué)角度設(shè)計(jì)新自行車。DSE的創(chuàng)始人David Higgins從那時(shí)起就開始為Avanti公司工作。
DSE的工程師使用CFD-Flo軟件。這是一種產(chǎn)品設(shè)計(jì)專用軟件,并得到ANSYS CFX的支持。該軟件能直接用Pro/ENGINEER®中完成的自行車初始設(shè)計(jì)。向?qū)Чδ芸梢砸龑?dǎo)工程師完成包括邊界條件規(guī)范在內(nèi)的仿真物理設(shè)置,并驗(yàn)證是否已經(jīng)輸入全部必要信息。
CFDFlo軟件采用先進(jìn)的技術(shù),具有運(yùn)行時(shí)間短,項(xiàng)目周轉(zhuǎn)快的特點(diǎn),可以通過ANSYS Workbench環(huán)境高效地將CFD集成到設(shè)計(jì)流程中。DSE按照自行車不同部件接觸空氣流的近似順序,逐一對(duì)這些部件的空氣動(dòng)力學(xué)屬性進(jìn)行研究。
國際自行車聯(lián)盟是自行車比賽運(yùn)動(dòng)的主管機(jī)構(gòu),規(guī)定車架管材的長度不得大于寬度的三倍,最大深度80毫米,最小寬度25毫米。車架由兩個(gè)相接的三角框構(gòu)成,一個(gè)朝向自行車的前方,一個(gè)朝向自行車的后方。計(jì)時(shí)賽/鐵人賽自行車與賽道自行車的區(qū)別在于:前者針對(duì)典型的戶外有風(fēng)條件設(shè)計(jì),而后者則針對(duì)室內(nèi)無風(fēng)條件而設(shè)計(jì)。
2前叉和前部連接設(shè)計(jì)
為構(gòu)建叉腿,該公司首先對(duì)一種專用的前叉設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估。這種設(shè)計(jì)包含成對(duì)的翼面結(jié)構(gòu)?？蓪饬鲗?dǎo)離車輪。但在實(shí)際情況下,Avanti Pista等賽道賽車采用的是碟形車輪,需要將氣流附著在車輪的后側(cè)(讓氣流包住車輪)。
因此,工程師認(rèn)為這并不是理想的自行車前叉設(shè)計(jì)方案。接下來,工程師決定使用常規(guī)的前叉,并在多個(gè)不同氣流角度條件下對(duì)不同的前叉深度和寬度進(jìn)行評(píng)估,最終將最佳角度確定為正10度左右。
根據(jù)這項(xiàng)研究結(jié)果,該公司開發(fā)出了一系列新的前叉設(shè)計(jì)。最新前叉設(shè)計(jì)的單獨(dú)阻力僅為27克力,而前面提到的專用前叉設(shè)計(jì)的阻力是36克力,從這個(gè)角度來說,這是最先進(jìn)的前叉設(shè)計(jì)。
圖2 前叉噴射流
工程人員隨后開始研究其他車架組件,首先進(jìn)行的是前部連接設(shè)計(jì),也就是前管和上管在車把下相連的位置。在上一代設(shè)計(jì)中,剎車位于前叉的后部,車把位于上管上方,而且上管向自行車前方傾斜。工程師根據(jù)分析結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行了調(diào)整,讓車把與上管水平對(duì)齊,剎車位于前叉的內(nèi)側(cè)。
將剎車置于流線型前叉結(jié)構(gòu)的內(nèi)部有利于降低剎車的紊流效應(yīng)。另外,可以增加計(jì)時(shí)賽/鐵人賽用車和賽道用車從前到后的深度。新的設(shè)計(jì)在處理自行車側(cè)風(fēng)方面更加優(yōu)秀,能將其轉(zhuǎn)換為側(cè)向力而非阻力。
圖3 前叉阻力(隔離):不同迎風(fēng)角下前叉阻力的降低程度
3后部連接設(shè)計(jì)
接下來工程師進(jìn)行自行車的后接頭設(shè)計(jì),即立管、上管和后上叉相結(jié)合的位置。前一代自行車采用較寬的車架構(gòu)件,后剎車位于臨近后上叉頂部的位置。
CFD顯示這個(gè)區(qū)域的空氣動(dòng)力學(xué)性能較差,因此需要進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。工程師修改了立管的外形,使其與后車輪外形相匹配。就如何將后上叉安裝到立管上這個(gè)問題,開發(fā)小組嘗試了九種不同方法,最終采用了美國國家航空咨詢委員會(huì)(NACA)建議的對(duì)稱外形。
工程師還重新設(shè)計(jì)了中軸區(qū)域,這里是腳踏板與車架相連的地方。對(duì)于后剎車來說,常規(guī)公路自行車的后剎車通常位于后上叉的頂部,而新設(shè)計(jì)將后剎車置于中軸后方、后下叉下方的位置,這樣能夠顯著降低阻力。
此外,工程師還將Evo II兩款自行車的每條鋼線都整合到車架內(nèi)部,開辟了完全內(nèi)部走線之先河。
鋼線從車閘扳手開始在自行車內(nèi)部穿行,經(jīng)過車把和把立,直至變速器和剎車。將鋼線置于內(nèi)部不僅可以降低阻力,還能使車身更加美觀。
圖4 在每一個(gè)版本的后上叉設(shè)計(jì)中,氣流均未附著在Pista Evo II的后輪上
圖5 從對(duì)后上叉最終設(shè)計(jì)的仿真中可以看出,車輪周圍的氣流狀況有所改善
4完整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
工程師完成自行車單個(gè)部件的設(shè)計(jì)后,需要將各個(gè)部件組合成完整的系統(tǒng),并對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。求解每個(gè)復(fù)雜自行車整車模型需要大約八個(gè)小時(shí)。
初步結(jié)果令人滿意,隨后開發(fā)小組又對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了精細(xì)調(diào)節(jié),以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步改進(jìn)。接著,開發(fā)小組構(gòu)造第一批原型,并在各種風(fēng)角下進(jìn)行風(fēng)洞測(cè)試。測(cè)試證明,用ANSYS軟件開發(fā)的新自行車設(shè)計(jì)與上一代設(shè)計(jì)相比可將阻力降低20%。
圖6 不僅要仿真單獨(dú)部件,還需要將自行車作為一個(gè)完整系統(tǒng)進(jìn)行整體仿真,這樣可以進(jìn)行微調(diào),從而優(yōu)化自行車的性能
圖7 僅針對(duì)賽道賽車—30英里每小時(shí)下(阻力轉(zhuǎn)換為自行車軸向力):最新設(shè)計(jì)的自行車其阻力比早期的兩款自行車(分別用淺藍(lán)色和深藍(lán)色線段代表)下降了20%。CFD仿真結(jié)果為紅色線段
5好評(píng)如潮
Avanti最終開發(fā)出的Evo II自行車贏得了自行車媒體的一致好評(píng)?！禕iking Australia》報(bào)道稱:“這是一輛非常了不起的自行車,與Avanti以往的設(shè)計(jì)有很大不同。
Avanti充分利用最先進(jìn)的技術(shù),將一輛近乎完美的自行車投入市場。碳纖維車架是設(shè)計(jì)人員的嘔心瀝血之作。這一構(gòu)思從圖紙到成型歷經(jīng)了無數(shù)個(gè)步驟。不管看似多么微小的細(xì)節(jié)都有助于自行車更好地適應(yīng)環(huán)境條件并對(duì)賽手的操縱做出響應(yīng),從而對(duì)自行車的最終性能起到?jīng)Q定作用。”
新西蘭最佳設(shè)計(jì)獎(jiǎng)的產(chǎn)品類評(píng)委對(duì)Avanti這款屢獲殊榮的自行車做出了高度評(píng)價(jià),稱其為“具備最高制作和技術(shù)水平的世界級(jí)產(chǎn)品,是新西蘭產(chǎn)品設(shè)計(jì)的杰出代表。這款超輕便的高性能自行車體現(xiàn)了設(shè)計(jì)人員對(duì)細(xì)節(jié)絲絲入扣的關(guān)注。這款設(shè)計(jì)足以讓新西蘭成為自行車運(yùn)動(dòng)(世界最嚴(yán)苛的運(yùn)動(dòng)之一)和休閑領(lǐng)域的佼佼者?！?
圖8 風(fēng)洞測(cè)試與仿真預(yù)測(cè)的關(guān)聯(lián)性良好
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