CN113792460B - 一种新能源电驱系统的三维热仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源汽车和仿真技术领域，公开了一种新能源电驱系统的三维热仿真方法，包括3D模型导入、3D模型前处理、有限元网格划分得到网格模型、应用粒子法CFD软件进行流场仿真、三维热仿真以及仿真结果后处理的步骤。本发明中模型前处理简单，网格只需划分一套实体网格且网格质量要求不高，最重要的是此方法应用粒子法CFD软件进行系统流场仿真，可以大幅缩短电驱系三维热仿真计算周期，契合当前快速的产品开发节奏，助力传动产品快速更新换代。
Description
技术领域
本发明涉及新能源汽车和仿真技术领域，尤其涉及一种新能源电驱系统的三维热仿真方法。
背景技术
在新能源电驱系统产品开发过程中，热性能是一项重要的评价指标。在产品更新换代速度不断提升的当下，需要不断缩短产品开发周期，以期将产品快速推向市场，这对电驱系统热性能三维仿真计算评价工作是一项重大的挑战。
在电驱系统热性能三维仿真计算中，由于电驱系统尤其油冷三合一电驱系统存在转子甩油及齿轮搅油，而传统有限元法CFD软件在飞溅润滑计算中需要精细的模型前处理并划分实体与流体两套网格，更重要的是在求解计算时速度非常慢，导致电驱系统热性能三维仿真计算与实际产品开发进度契合度不高，无法跟上当前快速的开品开发周期。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新能源电驱系统的三维热仿真方法，以解决电驱系统热性能三维仿真计算速度慢的问题。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种新能源电驱系统的三维热仿真方法，包括：
S1，3D模型导入；
S2，3D模型前处理；
S3，有限元网格划分得到网格模型；
S4，应用粒子法CFD软件进行流场仿真，如果所述流场仿真无法执行则返回S2或S3；
S5，三维热仿真，如果所述三维热仿真不能执行，则返回S2或S3；
S6，仿真结果后处理。
可选地，S2中所述3D模型前处理包括3D模型完整性检查、3D模型分组简化、装配正确性检查和封闭所述3D模型。
可选地，S3中所述有限元网格划分包括面网格划分和体网格划分两部分。
可选地，所述面网格划分时，网格扭曲度小于0.75，长宽比小于10，网格法向为正向。
可选地，所述体网格至少包含两层。
可选地，所述面网格划分后进行面网格分组，至少包括与润滑油对流换热的面组、与空气对流换热的面组、零件间存在导热的面组及恒定热源面组，并对各分组分别定义命名。
可选地，所述流场仿真包括所述网格模型导入、流体域添加、流体参数设置和系统运动定义。
可选地，所述流场仿真的求解参数包括粒子半径、重力方向、求解算法类型、库朗数、仿真时间步长、仿真时间及数据写出时间间隔。
可选地，所述三维热仿真是对三维温度分布进行求解，所述三维热仿真的求解参数设置包括求解算法类型、仿真时间步长、仿真时间及数据写出时间间隔。
可选地，S6中所述仿真结果后处理包括对所述仿真结果进行渲染和剖切操作。
本发明的有益效果：
本发明的一种新能源电驱系统的三维热仿真方法，模型前处理简单，网格只需划分一套实体网格且网格质量要求不高，最重要的是此方法应用粒子法CFD软件进行系统流场仿真，可以大幅缩短电驱系三维热仿真计算周期，契合当前快速的产品开发节奏，助力传动产品快速更新换代。
附图说明
图1是本发明的一种新能源电驱系统的三维热仿真方法流程图；
图2是本发明中有限元网格划分流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以视具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。术语“多个”应该理解为两个以上。
本发明提供一种新能源电驱系统的三维热仿真方法，如图1所示流程，包括：
S1，3D模型导入；
本发明是三维热仿真方法，三维热仿真需要以新能源电驱系统3D模型为基础进行后续的仿真操作，本步骤是进行系统3D模型准备，需注意的是系统3D模型的格式能够被3D模型前处理软件识别读取。
S2，3D模型前处理；
具体地，3D模型前处理包括3D模型完整性检查、3D模型分组简化、装配正确性检查和封闭3D模型。本步骤是对分析对象3D模型进行检查、简化与修复，主要包括系统3D模型导入、模型完整性检查、模型分组简化、装配正确性检查、封闭系统3D模型及系统3D模型导出，除系统3D模型导入为第一步、系统3D模型导出为最后一步外，其他步骤无先后次序要求。其中，系统3D模型导入是指将准备好的系统3D模型导入到3D模型前处理软件中，准备进行模型前处理。模型完整性检查，一是用于检查系统3D模型是否有零件缺失，若有，需添加补齐；二是检查系统3D模型是否存在表面破损，若存在，需进行表面修补或修复。模型分组简化，一是对系统3D模型进行归类分组，因为整个电驱系统的零件很多，需要进行归类分组以简化后续的仿真操作，需要注意的是，独立旋转体一定要单独分组；二是对系统3D模型进行适当简化，比如不影响仿真过程及结果的零件可删除，统一旋转轴上转速相同的多个零件可以合并为一体等。装配正确性检查，是检查系统3D模型装配正确性，确保系统各配合零件装配位置准确且无干涉问题，主要检查齿轮啮合是否存在干涉，若存在，需旋转齿轮以消除干涉。封闭系统3D模型，是要隔断系统3D模型内部与外部空气的接触，需手动添加封闭面，为系统流场仿真创建密闭的环境。系统3D模型导出，是将前处理好的3D模型导出，为后面的有限元网格划分提供输入，需注意的是，3D模型导出的格式需要有限元网格划分软件能够识别。
S3，有限元网格划分得到网格模型；
三维热仿真需要对系统3D模型所有零件进行有限元网格划分，如图2所示，具体包括系统3D模型导入、模型面网格划分、模型体网格划分、面网格分组定义和网格模型导出。此处的3D模型导入是将前处理好的3D模型导入到有限元网格划分软件中，准备进行有限元网格划分，有限元网格划分包括面网格划分和体网格划分两部分。
面网格划分时，网格扭曲度小于0.75，长宽比小于10，网格法向为正向。面网格划分是对3D模型外表面进行面网格划分，在体网格划分前进行面网格划分有利于体网格质量的控制，减少网格质量修正工作量。对于符合要求的面网格生成后，进行体网格划分，每个零件所有部位的体网格划分至少包含两层，可以避免存在多种换热形式时，单层体网格在三维热仿真中易报错的问题。
可选地，面网格划分后进行面网格分组，至少包括与润滑油对流换热的面组、与空气对流换热的面组、零件间存在导热的面组及恒定热源面组，并对各分组分别定义命名，分组定义和命名便于后续的流场仿真与三维热仿真中进行数据存储及调用。
网格模型导出步骤是将定义好面组的体网格按流场仿真及三维热仿真能够识别的体网格格式导出，作为流场仿真和三维热仿真的网格模型文件。
S4，应用粒子法CFD软件进行流场仿真，如果流场仿真无法执行则返回S2或S3；
系统流场仿真是为了获取系统内部与润滑油、系统外部与空气之间的对流换热系数，为系统三维热仿真提供换热边界输入，本发明应用粒子法CFD软件进行系统流场仿真，相较传统有限元法CFD软件，本方法在3D模型前处理上不需要复杂的处理和简化，在有限元网格划分上只需划分一套实体网格，不需要提取流体域及划分流体域网格，本方法尤其在开放边界流体运动仿真上计算速度更快，能够大幅缩短电驱系统流场仿真周期，以适应当前快速的产品开发节奏，助力传动产品快速更新换代。系统流场仿真主要包括网格模型导入、流体域添加、流体参数设置、系统运动定义及系统流场仿真。其中，网格模型导入是将有限元网格划分软件导出的体网格模型导入到流场仿真软件中，准备进行系统流场仿真。流体域添加是对系统流体填充区域进行粒子撒点，对内流场仿真，一是定义流体液面位置或体积，二是定义喷口位置及流量，还需定义与所有喷口流量总和一致的出口(出口一般定义在系统放油口处)，以保证系统油量的一致性；对于外流场仿真，主要定义系统外部空气流动空间及进风口位置与空气流速；流体参数设置是对流体的密度、粘度、表面张力等属性参数进行设置，不同的流体温度对应的流体参数是不同的，一般取系统运行稳定后的油温对应的流体参数进行设置；系统运动定义，是对系统内做旋转运动的部件进行定义，包括定义旋转中心坐标、旋转轴、旋转方向及旋转速度；系统流场仿真前先对系统流场仿真的求解参数进行设置，包括粒子半径、重力方向、求解算法类型、库朗数、仿真时间步长、仿真时间及数据写出时间间隔等参数，设置完成后运行系统流场仿真。如果不能执行流场仿真，则返回步骤S2或S3修正3D模型或有限元网格划分，直至仿真顺利执行。
S5，三维热仿真，如果三维热仿真不能执行，则返回S2或S3；
可选地，三维热仿真是对三维温度分布进行求解，具体内容包括网格模型导入、材料属性设置、系统热源输入、接触导热配对、对流换热定义、流场仿真结果导入和系统三维热仿真。
在系统三维热仿真前，先进行网格模型导入，即将有限元网格划分软件导出的体网格模型导入到三维热仿真软件中，准备进行系统三维热仿真。材料属性设置，是对固体零件及流体材料属性进行设置，包括密度、比热容、导热系数等属性参数；系统热源输入，是对系统产热部件进行热源定义，可按各产热部件的产热原理定义面热源和体热源的具体数值，也可以导入其他三维产热仿真软件的产热功率分布数据，后者相对更为准确但工作量更大；接触导热配对，是根据系统的装配结构识别相互接触的面组，对相互接触的面组进行配对定义，需要注意的是，相互接触的面组需要的在有限元网格划分步骤中的面网格分组定义内进行分组命名；对流换热定义，是对存在对流换热的固体表面与流体进行绑定，包括系统内表面与润滑油、系统外表面与空气；流场仿真结果导入，是将流场仿真结果导入到系统三维热仿真软件中，为系统三维热仿真提供对流换热边界条件；对系统三维热仿真的求解参数进行设置，包括对求解算法类型、仿真时间步长、仿真时间及数据写出时间间隔等参数的设置，设置完成后运行系统三维热仿真。如果三维热仿真不能执行，则需要返回模型前处理步骤和/或有限元网格划分步骤，对3D模型进行修正，直到流场仿真和三维热仿真都能够顺利执行。
S6，仿真结果后处理。
本步骤是对系统流场仿真及三维热仿真的仿真结果进行渲染、剖切等后处理操作，便于观察系统流场仿真及三维热仿真更为详细的局部仿真结果，支撑系统热性能的评价及优化工作。
通过上述本发明实施例提供的一种新能源电驱系统的三维热仿真方法，可以理解，模型前处理简单，有限元网格划分只需划分一套实体网格且网格质量要求不高，最重要的是此方法应用粒子法CFD软件进行系统流场仿真，可以大幅缩短电驱系三维热仿真计算周期，契合当前快速的产品开发节奏，助力传动产品快速更新换代
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种新能源电驱系统的三维热仿真方法，其特征在于，包括：
S1，3D模型导入；
S2，3D模型前处理；
S3，有限元网格划分得到网格模型；
S4，应用粒子法CFD软件进行流场仿真，如果所述流场仿真无法执行则返回S2或S3；
所述流场仿真包括：
网格模型导入，将所述网格模型导入到流场仿真软件中；
流体域添加，包括对流体填充区域进行粒子撒点以对内流场仿真，以及定义外部空气流动空间、进风口位置与空气流速以进行外流场仿真；
流体参数设置，对流体的密度、粘度、表面张力参数进行设置；
系统运动定义，对做旋转运动的部件进行定义，包括定义旋转中心坐标、旋转轴、旋转方向及旋转速度；
对流场仿真的求解参数进行设置，运行流场仿真；
S5，三维热仿真，如果所述三维热仿真不能执行，则返回S2或S3；
所述三维热仿真是对三维温度分布进行求解，具体包括：
网格模型导入，将所述网格模型导入三维热仿真软件中；
材料属性设置，对固体零件和流体材料的属性参数进行设置，包括密度、比热容和导热系数；
系统热源输入，对产热部件进行热源定义，按各产热部件的产热原理定义面热源和体热源的具体数值，或者导入其他三维产热仿真软件的产热功率分布数据；
接触导热配对，根据装配结构识别相互接触的面组，对相互接触的面组进行配对定义；
对流换热定义，对存在对流换热的固体表面与流体进行绑定，包括系统内表面与润滑油、系统外表面与空气；
流场仿真结果导入，将流场仿真结果导入到所述三维热仿真软件中，为所述三维热仿真提供对流换热边界条件；
对所述三维热仿真的求解参数进行设置，运行所述三维热仿真；
S6，仿真结果后处理。
2.根据权利要求1所述的新能源电驱系统的三维热仿真方法，其特征在于，S2中所述3D模型前处理包括3D模型完整性检查、3D模型分组简化、装配正确性检查和封闭所述3D模型。
3.根据权利要求1所述的新能源电驱系统的三维热仿真方法，其特征在于，S3中所述有限元网格划分包括面网格划分和体网格划分两部分。
4.根据权利要求3所述的新能源电驱系统的三维热仿真方法，其特征在于，所述面网格划分时，网格扭曲度小于0.75，长宽比小于10，网格法向为正向。
5.根据权利要求3所述的新能源电驱系统的三维热仿真方法，其特征在于，所述体网格至少包含两层。
6.根据权利要求4所述的新能源电驱系统的三维热仿真方法，其特征在于，所述面网格划分后进行面网格分组，至少包括与润滑油对流换热的面组、与空气对流换热的面组、零件间存在导热的面组及恒定热源面组，并对各分组分别定义命名。
7.根据权利要求1所述的新能源电驱系统的三维热仿真方法，其特征在于，所述流场仿真的求解参数包括粒子半径、重力方向、求解算法类型、库朗数、仿真时间步长、仿真时间及数据写出时间间隔。
8.根据权利要求1所述的新能源电驱系统的三维热仿真方法，其特征在于，所述三维热仿真的求解参数包括求解算法类型、仿真时间步长、仿真时间及数据写出时间间隔。
9.根据权利要求1所述的新能源电驱系统的三维热仿真方法，其特征在于，S6中所述仿真结果后处理包括对所述仿真结果进行渲染和剖切操作。
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