案例分享 | 如何优化道路施工重型设备的冷却性能？

通过高精度热流体分析，

优化道路施工重型设备的冷却性能

概要

道路施工重型机械的行业杰出者酒井重工业利用MSC Software开发和提供的热流体分析软件“CFD Cradle -- STREAM ”作为检查路面切缝机“Road Cutter”发动机舱冷却性能的一部分，并进行了验证。这是对由 12,628 个零件和周围空间组成的发动机舱使用 4100 万个高分辨率网格的大规模热流体分析进行的。结果，STREAM 在分析值和测量值之间表现出惊人的 0.08 至 1.93°C 的高精度。结果表明，它可以通过热流体分析显著提高设计/试验过程的效率。

检查大型、重型机械“路面切缝机”机舱的冷却性能

酒井重工业在压路机和路面切缝机等道路施工重型设备方面拥有日本第一的市场份额，正在加速设计和原型产品的数字化。随着 SolidWorks 对 3D CAD 的全面开发，目前专注于加快使用 CAE 的开发。这背后是对符合废气法规等法律体系的需求，以及对用于道路建设的重型机械的高功能性和高附加值的需求。酒井重工业开发本部产品开发部开发组第5组组长黑须崇说：“除了符合废气排放法规的发动机环境现代化要求，紧急制动和周边监视器等安全设备的扩展也是加速道路施工重型设备转型改进的一个因素。如何减少设计和样机制作所需的时间，如何减少返工和简化流程-我们为加快开发做出了各种努力，其中最重要的是数值仿真分析。”

“ 我们已经确认基于STREAM，在电子元件基础上的热对策，可以通过修改各种条件，进行仿真，试错。这正是我们通过实验比较验证了 STREAM 分析精度的结果。”

                                                                      —— 酒井重工业株式会社，产品开发部组长，黑须崇

酒井重工业拥有一个设计团队，负责设计、制作样机和评估模型。公司的主要产品之一是一种名为“Road Cutter”的路面切缝机。这台全长10多米的重型机械，通过车体中央的刀鼓旋转，实现刮掉旧沥青，是大型修路作业不可缺少的重型机械。

“在挖路机中，发动机和车身的电子控制正在迅速发展。随着电子元件数量的增加，需要考虑温度和加速度。特别是对于挖路机的发动机，在工作时因为它在高负荷、高转速的情况下连续使用时，需要高效冷却。另外，与卡车不同，在行驶过程中无法使用风冷，因此使用风扇强制冷却是必不可少的。”（黑须先生）

考虑到电子元件，在机舱内采取防热措施是公司开发团队共同面临的挑战之一。不仅设计困难，而且使用实物进行评估测试所需的时间也大大增加。

“我一直在想是否可以使用热流体分析来减少实物试验并缩短开发周期。因此，与MSC Software合作，我们使用了热流体分析软件“STREAM”，评估路面切缝机引擎室内的温度。”（黑须先生）

12628 个零件，使用 4100 万个单元网格

酒井重工业在2010年后开始进行使用 CAE。 黑须先生等人在通过力学分析和结构分析证明其效果的同时， 扩大了 CAE 的应用领域。 事实上，使用CAE能够将设计和试制所需时间缩短至1/2到1/3。

“本次挖路机机舱温度评估对应的是所谓的‘热平衡测试’。机舱内温度与噪音是矛盾的关系，为了降低噪音，有必要减小开度。这是有效的，但如果气流变差，热平衡会变差。如果在修改实机的同时反复试验和调试，以保持温度和噪音在标准值内，这需要几个月的时间，”黑须说。

Kurosu 等人将验证的目的设置如下：

①通过比较机舱内温度的测量值与 STREAM 的热流体分析结果来评估分析精度。

②可视化通过散热器的流量和机舱内的流速分布，以获得对设计有用的信息。

③评估热流体分析的温度，评估方法是否可以应用于除路面切缝机以外的产品。

“路面切缝机是我们使用的最大的重型设备，由于机舱的大小和结构的复杂性，它是最难分析的。路面切缝机的验证结果是实用的。我认为相同的分析方法可以应用于所有其他重型机械。”（黑须先生）

“STREAM 是一款在热流体分析软件方面成绩斐然、网格结构独特的产品。它导入 SolidWorks 等 3D CAD 数据并自动生成网格，并建立分析模型，大大增加了分析前处理的准备时间。尤其是 STREAM使用接近全模型的大尺度模型进行分析是有效的。在这次验证中，经过半天的准备和夜间分析处理，第二天得到了分析结果，我们做到了。”

                                                                                       ——MSC DEP系统事业部，蒲原将隆先生

黑须先生准备的原始数据具有12628个CAD零件，SolidWorks的数据容量达到了3.54GB。分析空间定义为宽8m x 深8m x 高5.5m，STREAM生成的网格达到4100万个单元。STREAM 使用正交结构化网格在短短 6 分钟 内完成了4100 万个 的网格划分。

分析模型

・CAD零件数：12,628个

・数据容量：3.54GB（SolidWorks）、691MB（中间文件Parasolidxb）

解析空间

网格

・4,100万个网格（具有多块的高分辨率细节）

实现分析值和测量值之间的最小误差 0.08  ℃

浦原先生解释了 STREAM 对路面切缝机发动机室的温度评估如下： “主要的一点是，我们使用了以发动机和散热器为中心的，一个由大量零件组成的复杂分析模型。 这可以对无需简化的完整模型精确分析。 我们尝试了几种物理模型，并最终选择了最适合的湍流模型，使得 STREAM 的计算结果最接近于测量值。 ”

STREAM 分析发动机舱内四个位置、ECM（发动机控制模块）、交流发电机（产生交流电的设备）、启动电机和电池继电器的温度，并分析发动机舱内的温度分布和速度分布。最终，STREAM 得出了极其准确的分析结果。

“STREAM 的分析值与实测值的差值最低为 0.08 ℃，最高为 1.93 ℃，这让我感到很惊讶。2 ℃ 的差值可以说是在误差范围内。此外，热流体分析获得足够的精度，对我们未来设计开发工作是非常重要的。“黑须先生说。

此外，通过温度分布和速度分布的可视化，机舱内的情况一目了然。MSC Software DEP 系统部门工程部门花房干治说：“在实验中，我们使用了一个8平方米的巨大分析模型，包括机舱内外。我们可以发现设计人员没有想到的地方，没有实际测量温度的地方的温度分布等。发现潜在的问题也是仿真的意义之一，STREAM可以通过这种方式补充设计师的经验和知识，从而获得更完整的设计。”

在 STREAM 的热流体分析中，可以轻松更改各种条件，例如散热器风扇规格、发动机舱内的防风结构以及发动机舱周围的外部气温。

“我们已经确认 基于STREAM 可以在改变考虑电子元件的热对策条件下的各种测试仿真。这正因为通过前期的验证案例，确信了 STREAM 软件的计算结果的高精度。” （黑须先生）

温度分布分析示例                           速度分布分析示例

使用 CAE 转变整个设计和开发流程

酒井重工业采用了MSC One的许可，MSC软件提供的各种CAE如 Cradle STREAM（热流体分析）、Adams（机构分析）、Apex（结构分析）、Actran（声学分析）等都利用了该应用程序。 MSC软件销售事业部技术管理部徐芝蘭说： “热流体分析和机理分析的分析结果也可以用于与声学分析。 它可以应用于复杂的分析，如热对策和噪声对策、重型机械操作和噪声控制。 ”

黑须先生表示，这次验证让他对使用CAE产生好感。酒井重工业的管理层也表现出使用CAE的积极意愿。

“减少样机数量、缩短开发周期、发现缺陷并及早修复，CAE 可以实现的事情非常广泛。在我看来，整个设计和开发过程更加高效、灵活。我们想把它变得具有敏捷性。为了对整个车身进行分析，我们需要更高性能的CAE服务器。希望MSC软件和SYNNEX Japan能够继续提供更好的产品和技术支持。”