先进仿真技术精准建模车辆动力学与轮胎流场
莱斯大学与东京早稻田大学流体动力学专家将计算机仿真方法推进到能精准建模行驶汽车的地步,连滚动轮胎周围流场都能捕捉。
成果可见Tayfun Tezduyar实验室研究助理Takashi Kuraishi制作的视频 。Tezduyar是James F. Barbour机械工程讲席教授。
“他不断提升计算复杂度,从独立轮胎起步,现已包含整车。”Tezduyar谈2020年加入莱斯实验室的Kuraishi。
视频也展示了NURBS面到体积引导网格生成法的功效,该技术由Tezduyar与Takizawa共同领导的先进流体仿真建模团队开发,用于建模复杂几何物体内外流动动力学。NURBS即非均匀有理B样条,描述三维形状的数学技术,为涉及此类形状的流体与结构力学问题提供计算分析。
复杂之处在于轮胎与路面接触且随滚动变形。“我们处理近乎真实的车辆与轮胎几何。”Tezduyar说。
方法与汽车仿真详述发表于上月《计算力学》期刊。此后Rice-Waseda团队制作视频让图示生动化。
“了解车身与轮胎周围气流行为,将带来对其空气动力学性能的更好理解。”Kuraishi说。“如此复杂的仿真对提供设计与性能评估的现实解决方案、可靠答案至关重要。”
Tezduyar实验室也曾为NASA“奥赖恩”飞船建模回收降落伞。他说NURBS在计算分析中应用近年大幅增长,通过降低建模系统所需网格点数,兼顾效率与精度。把网格想象成包裹物体(如空气)的网,网格点活在三维单元中,物体移动时点与单元随之移动。
一辆行驶汽车模型中,用NURBS的计算流体分析仅需约110万网格点,仅为常规方法的一小部分,却保持精度。这也降低了计算成本。
“我们在车身轮胎周围有3D网格,轮胎表面附近点更密以获更高精度。”他说。“轮胎旋转时点与单元随之旋转,但问题是轮胎旋转时轮胎下方单元坍塌——这是其他方法无法处理的。我们的方法能处理,是获取精准仿真的关键。”
“随着时间的推移,自然会考虑新轮胎设计或改进。”他说。“轮胎制造商在投资制造原型前做此类仿真极有益,因为能获得难以通过其他方式获取的轮胎周围空气动力学全面详细数值数据。”
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