【案例分析】基于ANSYS CFD的自行車設計

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提供的流體動力學軟件進行自行車的開發,其中設計的一款競賽自行車還贏得英聯邦運動會金牌和新西蘭鐵人三項賽的冠軍。

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年舉辦的英聯邦運動會上,Alison Shanks騎乘Avanti賽車勇奪女子3000米個人追逐賽金牌;Cameron Brown則憑借Avanti賽車的優異性能奪得2011年新西蘭鐵人三項賽冠軍。

該項目不僅獲得新西蘭最優設計最高獎,還榮獲備受矚目的2012年國際紅點設計大獎。用于計時賽或鐵人賽(Chrono)和賽道賽(Pista)的比賽自行車均采用ANSYS提供的流體動力學軟件開發而成。為設計這兩款自行車,Dynamic Sports Engineering(DSE)的工程師首先使用ANSYS CFD-Flo計算流體動力學(CFD)軟件優化單個部件的空氣動力學特性,比如頭管、前叉、中軸和座撐。

接著工程人員將各個部件組成完整結構,進行系統仿真,測試自行車整體在負20度到正20度側風條件下的空氣動力性能。工程人員手動完成一系列設計的測試工作,最終得到一個最優解決方案,可以使阻力降低20%左右(與之前的型號相比)。阻力的下降可以使賽手在一小時的比賽中節省大約一分鐘的時間。

1業界領先的競賽自行車制造商

Avanti在1985年發布自己的首款自行車,現在提供的型號超過110款,主要在新西蘭和澳大利亞銷售。Avanti與新西蘭一家當時只有兩名工程師的小型工程咨詢公司DSE達成協議,DSE公司幫助Avanti從空氣動力學角度設計新自行車。DSE的創始人David Higgins從那時起就開始為Avanti公司工作。

DSE的工程師使用CFD-Flo軟件。這是一種產品設計專用軟件,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計。向導功能可以引導工程師完成包括邊界條件規范在內的仿真物理設置,并驗證是否已經輸入全部必要信息。

CFDFlo軟件采用先進的技術,具有運行時間短,項目周轉快的特點,可以通過ANSYS Workbench環境高效地將CFD集成到設計流程中。DSE按照自行車不同部件接觸空氣流的近似順序,逐一對這些部件的空氣動力學屬性進行研究。

國際自行車聯盟是自行車比賽運動的主管機構,規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。車架由兩個相接的三角框構成,一個朝向自行車的前方,一個朝向自行車的后方。計時賽/鐵人賽自行車與賽道自行車的區別在于:前者針對典型的戶外有風條件設計,而后者則針對室內無風條件而設計。

2前叉和前部連接設計

為構建叉腿,該公司首先對一種專用的前叉設計進行評估。這種設計包含成對的翼面結構。可將氣流導離車輪。但在實際情況下,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(讓氣流包住車輪)。

因此,工程師認為這并不是理想的自行車前叉設計方案。接下來,工程師決定使用常規的前叉,并在多個不同氣流角度條件下對不同的前叉深度和寬度進行評估,最終將最佳角度確定為正10度左右。

根據這項研究結果,該公司開發出了一系列新的前叉設計。最新前叉設計的單獨阻力僅為27克力,而前面提到的專用前叉設計的阻力是36克力,從這個角度來說,這是最先進的前叉設計。

圖2 前叉噴射流

工程人員隨后開始研究其他車架組件,首先進行的是前部連接設計,也就是前管和上管在車把下相連的位置。在上一代設計中,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。工程師根據分析結果對設計進行了調整,讓車把與上管水平對齊,剎車位于前叉的內側。

將剎車置于流線型前叉結構的內部有利于降低剎車的紊流效應。另外,可以增加計時賽/鐵人賽用車和賽道用車從前到后的深度。新的設計在處理自行車側風方面更加優秀,能將其轉換為側向力而非阻力。

3后部連接設計

接下來工程師進行自行車的后接頭設計,即立管、上管和后上叉相結合的位置。前一代自行車采用較寬的車架構件,后剎車位于臨近后上叉頂部的位置。

CFD顯示這個區域的空氣動力學性能較差,因此需要進行重新設計。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問題,開發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(NACA)建議的對稱外形。

工程師還重新設計了中軸區域,這里是腳踏板與車架相連的地方。對于后剎車來說,常規公路自行車的后剎車通常位于后上叉的頂部,而新設計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部,開辟了完全內部走線之先河。

鋼線從車閘扳手開始在自行車內部穿行,經過車把和把立,直至變速器和剎車。將鋼線置于內部不僅可以降低阻力,還能使車身更加美觀。

圖4 在每一個版本的后上叉設計中,氣流均未附著在Pista Evo II的后輪上

圖5 從對后上叉最終設計的仿真中可以看出,車輪周圍的氣流狀況有所改善

4完整結構設計

工程師完成自行車單個部件的設計后,需要將各個部件組合成完整的系統,并對整體結構進行分析。求解每個復雜自行車整車模型需要大約八個小時。

初步結果令人滿意,隨后開發小組又對系統進行了精細調節,以實現進一步改進。接著,開發小組構造第一批原型,并在各種風角下進行風洞測試。測試證明,用ANSYS軟件開發的新自行車設計與上一代設計相比可將阻力降低20%。

圖6 不僅要仿真單獨部件,還需要將自行車作為一個完整系統進行整體仿真,這樣可以進行微調,從而優化自行車的性能

圖7 僅針對賽道賽車—30英里每小時下(阻力轉換為自行車軸向力):最新設計的自行車其阻力比早期的兩款自行車(分別用淺藍色和深藍色線段代表)下降了20%。CFD仿真結果為紅色線段

5好評如潮

Avanti最終開發出的Evo II自行車贏得了自行車媒體的一致好評。《Biking Australia》報道稱:“這是一輛非常了不起的自行車,與Avanti以往的設計有很大不同。

Avanti充分利用最先進的技術,將一輛近乎完美的自行車投入市場。碳纖維車架是設計人員的嘔心瀝血之作。這一構思從圖紙到成型歷經了無數個步驟。不管看似多么微小的細節都有助于自行車更好地適應環境條件并對賽手的操縱做出響應,從而對自行車的最終性能起到決定作用。”

新西蘭最佳設計獎的產品類評委對Avanti這款屢獲殊榮的自行車做出了高度評價,稱其為“具備最高制作和技術水平的世界級產品,是新西蘭產品設計的杰出代表。這款超輕便的高性能自行車體現了設計人員對細節絲絲入扣的關注。這款設計足以讓新西蘭成為自行車運動(世界最嚴苛的運動之一)和休閑領域的佼佼者。”

圖8 風洞測試與仿真預測的關聯性良好

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