淋雨試驗方法的研究和應用已有多年的歷史。汽車淋雨試驗是一種人工環(huán)境實驗方法，用于測試汽車的防水密封性能，模擬在使用條件下自然降雨或滴水對汽車的影響。早在上世紀70年代，法國航空標準、、美國軍標、英國軍標就正式規(guī)定了關于人工降雨、、暴雨防滴漏的條款。1990年，我國還規(guī)定：GB/T 12480-90《乘用車雨密性試驗方法》。
隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展，在產(chǎn)品的設計過程中應盡快采用現(xiàn)代設計方法，從根本上保證產(chǎn)品的質量和水平。CAD/CAE/CAM技術的廣泛應用為產(chǎn)品設計和開發(fā)提供了可靠和先進的手段，曾被稱為3C。隨著計算機軟硬件功能的快速發(fā)展，3C技術的應用得到了極大的推動，人們逐漸認識到計算機輔助設計的真正意義。鑒于車輛產(chǎn)品的總體目標，本文對軟件解決方案函數(shù)、、數(shù)據(jù)結構、、處理器函數(shù)、和用戶界面、等進行了比較。Ansys軟件的解題功能不僅全滿足其要求，而且為用戶的應用提供了直觀的方式，引導用戶逐步分析。因此，本文采用Ansys軟件進行參數(shù)化設計和仿真。
參數(shù)化建模是指用一組參數(shù)定義幾何圖形(體素)尺寸值，約束尺寸關系，然后提供給設計者進行幾何建模。其主題是用幾何約束、數(shù)學方程和關系解釋產(chǎn)品模型的形狀特征，從而得到形狀或功能相似的設計方案簇。產(chǎn)品設計的目的是滿足工業(yè)生產(chǎn)、、科學研究和現(xiàn)實生活的需要。對于各種實際要求，工業(yè)產(chǎn)品應該在功能和型號上不斷改進。如果以前的設計不能滿足功能要求，就必須重新設計產(chǎn)品；如果只是由于應用條件的不同而導致產(chǎn)品尺寸不同，那么只需要開發(fā)不同尺寸和型號的產(chǎn)品即可。系列化的、通用和標準化定型產(chǎn)品在設計時采用的數(shù)學模型和產(chǎn)品結構是相對固定的，但區(qū)別只是產(chǎn)品的結構尺寸，這是由于相同數(shù)量和類型的已知條件在不同規(guī)格的產(chǎn)品設計中取不同的值造成的。在設計這類產(chǎn)品時，采用參數(shù)化建模的方法來代替尺寸，這樣對于不同結構尺寸的產(chǎn)品，通過改變相應的參數(shù)化尺寸的值，就可以自動快速地得到產(chǎn)品模型，節(jié)省了大量的重復過程，提高了設計和生產(chǎn)效率。
ANSYS是上的有限元商業(yè)應用程序。美國的John Swanson博士在1970年創(chuàng)立了ANSYS，然后開發(fā)了這個應用程序，用計算機模擬工程結構分析。經(jīng)過30多年的不斷改進和修改，它已經(jīng)成為全工程應用中受歡迎的應用程序。其新版本是ANSYS8.1。
該應用程序的主要特點是緊跟計算機硬件、軟件的新發(fā)展水平，功能豐富，用戶界面良好，前后處理和圖形功能齊全，使用效率的有限元系統(tǒng)。擁有豐富的、單元庫、完善的、材料模型庫和求解器，保證了其能夠效率解決各種結構的靜態(tài)、、動態(tài)、、振動、的線性和非線性問題，能夠有效解決溫度場問題、、散熱場和多場耦合問題。其友好的圖形界面和程序結構使用戶易于學習和使用，通常專業(yè)人員可以在一個月左右的時間內(nèi)掌握其應用方法和技巧；其全交互的前后處理和圖形文件，大大減少了用戶創(chuàng)建工程模型、生成有限元模型和分析評估結果的工作量；其統(tǒng)一、集中的數(shù)據(jù)庫保證了系統(tǒng)各模塊之間的可靠、靈活集成；其DDA模塊實現(xiàn)了與眾多CAD軟件產(chǎn)品的有效連接。ANSYS的各種產(chǎn)品適用于各種版本的計算機平臺，為用戶提供了各種可能的選擇。
如今，ANSYS的全球用戶超過5000人。應用程序于90年代引入中國后，廣泛應用于核工業(yè)、鐵路、石油化工、航空航天、機械制造、能源工程、汽車交通、國防工業(yè)、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)藥、輕工、。地質礦產(chǎn)、水利、家用電器等一般工業(yè)和科研，對產(chǎn)品設計、結構分析和各領域的科學研究做出了應有的貢獻。
模擬的必要性
首先，根據(jù)流體力學和能量轉換理論，對淋雨實驗室的噴淋系統(tǒng)進行設計，選擇節(jié)能作用好、經(jīng)濟成本低的設計方案。對每個噴頭的噴水量進行分析計算，并將計算數(shù)據(jù)輸入計算機。利用ANSYS仿真軟件模擬淋雨試驗，實現(xiàn)設計結果的可視化。用戶可以通過可視化仿真系統(tǒng)直接了解設計的實驗設備，并可以根據(jù)用戶的要求隨意調(diào)整各種參數(shù)，通過人機交互來改進設計，從而滿足不同用戶的各種需求。例如，測試對象可以是整個車輛或身體部分。如果是貨車，只對駕駛室部分進行淋雨測試就夠了，還能省錢。達到縮短設計周期、，優(yōu)化設計方案、，節(jié)約設計成本的目的，從而促進我國汽車工業(yè)和國民經(jīng)濟的快速發(fā)展。
參數(shù)化有限元模型的建立
進入ANSYS的前處理模塊，在工具菜單中選擇ScalarParameters，彈出參數(shù)尺寸定義界面，如圖1所示。本文以某噴嘴的參數(shù)為例，依次輸入模型中需要參數(shù)化的尺寸并定義，完成參數(shù)化過程。在實際問題中，需要參數(shù)化的尺寸是有限的。在定義參數(shù)大小時，要注意不要讓模型過度約束。然后開始在ANSYS中建模。如果模型中的尺寸是參數(shù)化的，則應該用尺寸的定義名輸入，否則參數(shù)化的信息不會進入模型。
參數(shù)化模型建立后，進行正常單元定義、實參數(shù)定義、單元劃分、加載和求解工作。完成這些過程后，用ANSYS的LGWRITE命令名保存命令流文件。Jobname是用戶定義的分析文件名。用記事本打開，可以看到操作步驟被ANSYS以一定格式記錄下來，尺寸定義部分被編輯，文件被保存。啟動一個新的分析過程，使用ANSYS的/INPUT命令將文件讀入ANSYS。因為它是一個批處理文件，程序在參數(shù)化尺寸編輯后自動執(zhí)行分析過程以獲得模型及其計算結果。從上面的討論可以看出，ANSYS的參數(shù)化建模功能可以很容易的得到相同結構不同尺寸的模型的建模結果和分析結果。只有參數(shù)化模型建立后，才能進行進一步的優(yōu)化分析過程。
模擬過程
本文主要利用ANSYS軟件對淋雨實驗室的噴淋系統(tǒng)進行模擬分析。產(chǎn)品各項性能符合國家標準GB/T 12480-90《乘用車防雨密封性試驗方法》。
模型的建立
有限元模型是用于有限元分析的計算模型或數(shù)學模型，為計算提供原始數(shù)據(jù)。建模是整個有限元分析過程的關鍵。模型的合理與否將直接影響計算結果的準確性、計算時間的長短以及計算過程能否完成。
由于管道是軸對稱圖形，二維模型可以清晰地顯示水在其中的流動。因此，為了節(jié)省計算機空間和減少計算時間，本文利用ANSYS的前處理模塊分別建立了頂部、側面和底部的二維模型。
模型的網(wǎng)格劃分
有限元法的基本思想是將復雜的形狀分成若干個簡單的單元，利用單元的節(jié)點變量對單元的內(nèi)部變量進行插值，實現(xiàn)整體結構的分析，并對連續(xù)體進行離散化，稱為網(wǎng)格劃分。離散有限元集將代替原來的彈性連續(xù)體，所有的計算和分析都將在這個模型上進行。因此，網(wǎng)格劃分將關系到有限元分析的規(guī)模、速度和精度，以及計算的成敗。實驗表明，如果網(wǎng)格劃分過細，計算精度會不足，達不到預期作用；但相反，隨著網(wǎng)格數(shù)的增加，計算精度逐漸提高，計算時間增加不多；但當網(wǎng)格數(shù)增加到一定程度時，計算精度略有提高，但計算時間大大增加。嚙合時要注意嚙合的有效性和合理性。這樣就存在一個優(yōu)網(wǎng)格密度問題。該模型首先采用整體智能網(wǎng)格劃分，然后在拐角處通過人工網(wǎng)格劃分進行細化，使有限元計算結果符合實際情況。
限制性邊界條件
加載時用邊界條件數(shù)據(jù)描述結構的實際情況，即分析結構與外界的相互作用。假設入口流場是均勻的，沒有徑向分量。以單級單吸離心清水泵為例。當流量Q=100m3/h，揚程h=50m，轉速n=2900r/min，功率F=22KW，入口直徑d0=100mm，泵體壓力阻力p=，泄放直徑d1=80mm，公稱外徑d2=200mm時，管道內(nèi)的入口速度可取公式V。在所有壁面上施加非滑移邊界條件，即所有速度分量取為零；由于流體被視為不可壓縮，其性質不變，在這種情況下，壓力只能考慮相對值，即出口處所受壓力的邊界條件是相對壓力為零；因為是湍流分析，所以可以局部放大出口，使流場得到能發(fā)展。加載時，邊界條件可以直接施加到幾何模型上，這樣做的好處是當有限元網(wǎng)格發(fā)生變化，重新進行分析時，不必在節(jié)點上重新施加邊界條件；通常的做法是在有限元模型上加載邊界條件，所以在改變有限元網(wǎng)格時，必須先刪除現(xiàn)有節(jié)點上的邊界條件，然后再施加新的載荷，以保證加載的精度。但需要注意的是，無論采用何種加載方式，在ANSYS求解之前，載荷都會轉換到有限元模型中。因此，加載到實體中的載荷將自動轉移到其所屬的節(jié)點或單元。
