超算与仿真结合助力自行车的研发

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  本文来自HPC365网站:超算骑行的未来

  在科学计算世界的这一特殊嘉宾功能中,Keely Portway描述了公路自行车制造商如何使用仿真软件以更低的时间和更低的成本提供比以前更高的性能产品。

  环法自行车赛冠军Geraint Thomas最近回到了他的家乡胜利并且正确地庆祝,在比赛期间作为车手出现,但几乎同样关注新的自行车组件、服装和其他趋势。今天竞争激烈的自行车手受益于更轻巧,空气动力学和刚性的自行车模型。得益于模拟软件的技术进步,制造商的原型设计过程在时间和成本方面简便了许多。

  从空气动力学的角度来看,荷兰埃因霍温科技大学Bert Blocken教授与比利时KU Leuven一起进行的模拟研究使用了Ansys的一些技术,其中包括计算流体动力学(CFD)和Cray的超级计算机。利用风洞测试更好地了解大型赛车组的121名骑自行车者或“大部队”之间的空气动力学相互作用。

  进行这项研究的研究人员使用这种计算机模拟和风洞测量的组合来检查121个骑手的两个大部队,其中行之间的距离略有不同。计算机模拟总计达到30亿个单元(大学将其列为体育应用的世界纪录),并且需要Cray的美国超级计算机和Ansys的数万个软件许可证。

  在骑行部队的中心

  骑自行车的人在骑行时会空气会向他们吹压过来,从而产生过压和衰弱。这种空气阻力由于与周围骑车者的空气动力学相互作用,被空气阻力包裹在中心的骑车者发现自己被大部队引起的空气运动所包围。

  

  在Cray上运行使用具有经过验证的物理建模功能的Ansys Fluent CFD软件,Blocken教授能够准确预测每个骑车人之间的流动模式,绘制所有骑手所经历的阻力。“我们也设置了风洞试验,这些结果令人惊讶。”他解释道。原因在于,与一名孤立的自行车手相比,结果显示大部队核心的阻力降至孤立自行车运动员的5%。

  这表明在赛车组的中心骑行比其他骑行者减少四倍的阻力值。之前有文件证明最佳位置是赛车组的核心(第12至14排),计算机模型还计算出运动员在这个位置所经历的阻力比孤立的自行车运动员低10到20倍。科学家们使用风洞试验验证结果,这与之前认为的两到三倍相反。

  竞技赛车的未来

  结果可能会对竞技比赛产生真正的影响,正如Blocken所解释的那样:基于错误的假设,比赛团队用来确定最佳骑行时间的计算模型。这可以解释为什么这么少的骑行者能够成功,以及为什么大部队在单独骑行的车手中加油。也许这些结果指导了他们。

  回到模拟本身,Ansys体育与医疗全球行业总监Thierry Marchal认为,结合使用CFD和风洞模拟的竞争性循环有很大潜力:“模拟对于加速和扩大创新至关重要对于高科技产业,大部队项目及其令人惊讶的结果表明,这种模拟技术确实非常普遍,并且可以在诸如骑自行车等流行运动中产生巨大的变化。”

  我们正在使用Ansys开发和生成模拟,但通常这些模拟已经用于核工业、航空航天和汽车行业,以确保我们可以安全地旅行。沿着这条路线,我们看到汽车行业和运动汽车行业,如一级方程式,自20世纪90年代以来一直处于支撑地位。大约10年前,为F1赛车进行了第一次十亿次的细胞模拟。然后,红牛正在全力以赴,准备进行这种风洞测试。但是非赛车运动应用呢?我们可以使用风洞分析来了解发生了什么,为什么要进入模拟?所以风洞分析非常重要,但它们可能既昂贵又耗时,而且您需要让运动员可以使用。因此,尽管它们对模型的验证非常重要,但综合起来风力分析和CFD模拟的结合可能更加经济有效。”

  一个成功的公式

  对于一级方程式的响应得到了vScaler首席技术官David Power的回应,该公司参与了CFD工作。力量解释了这个过程如何完美地转移到非运动运动:“CFD绝对可以用于自行车骑行。这是关于空气如何在自行车设计上流动,你可以在其上看到的压力的变化,您可以了解金属在哪些点以及在哪些压力下弯曲等。骑自行车者遇到的阻力可能超过80%,单独移动骑行位置可以使用基本数学减少40%,但要真正限制阻力需要您了解骑自行车和骑车者的气流并模拟最有效的位置和组件。同样在竞争激烈的比赛中,它有助于避免任何违反规则的违规行为,这又与F1相似。”

  

  OpenFOAM是一个行业标准的开源软件包。它当然可以与商业软件竞争,因为它允许客户非常快速且经济有效地建立环境。云环境也是开源的,它基于开放堆栈,我们调整HPC。差价合约是其中一个项目,因此工程师们在云中创建了一个框架,并且已经针对客户进行了优化。

  展望建模和仿真的未来,Power比较回顾了一级方程式车型,并同意Marcha的观点,即发展正在超越传统的风洞。“你现在可以多次计算很多大型模型。”他说,“你曾经不得不在风洞中进行大量的建模,而这实际上正在逐渐远离初衷。现在只需要在风洞内建模的非常具体的零件。例如,在F1中,计算过程有一个更大的变化,然后在轨道上证明,而不是建造模型所花费的时间,将它们放入风洞、运行它、分析它。它在获得结果的时间方面明显更快。这绝对适用于赛车自行车领域。”

  管视角

  仿真技术商家Altair拥有HyperWorks品牌的全套仿真产品。当他们为2015环法自行车赛开发新的自行车时,专业自行车零部件的研发团队利用了这一点。

  Yu认为,在设计新产品和尝试优化空气动力学时,基础和关键的第一步是模拟。他说:“制作1000枚原型机的成本和时间实在太高了。” “然而,在模拟中,您可以真正探索该边界,以确定要使用的设计。当我们像环法自行车赛这样的公路赛时,有许多阶段需要克服空气阻力,这是最大的因素,但是有很多阶段基本上都是爬坡,并且感觉你正在与重力作斗争。在那些案件,将重量降至规则允许的最小值是一件大事。拥有能够优化系统的工具,使我们设定的航空和结构目标的重量最小化是非常关键的。”

  通过使用Hyperworks工具和CFD分析,在这个框架上,特别是在原型数量方面,我们能够在我们设计这个东西的时间块中完成模拟,我觉得至少是我们之前所拥有的数量增加了两到四倍,就我们能够虚拟运行的原型数量而言。

  虚拟风测试

  回到风洞测试辩论,Altair还为客户提供了Hyperworks伞下的虚拟风洞工具。VWT是一种垂直解决方案,为外部空气动力学研究提供了有效的环境。凭借基于公司CFD求解器AcuSolve的自动化和简化的工作流程,虚拟风洞可以对物体周围的流动进行模拟,提供瞬态或稳态解决方案。

  蒙特利尔的自行车制造商Argon 18发现,其他用途包括建筑物、摩托车和自行车的空气动力学,其中包括汽车领域的车辆阻力和升力预测。

  Argon 18与TS研究主席合作,为增材制造加工、材料和结构设计工程,为2016年里约奥运会的丹麦自行车运动员Lasse Norman Hansen制造自行车道。其目的是开发一种更坚固、高度集成且更符合空气动力学的自行车,提供更高的效率。

  Argon 18的研发经理Martin Faubert解释说:“我们的主要目标是通过提供最好的自行车来提高骑车人的表现。使用Altair HyperWorks改善结构设计和空气动力学性能,大大简化了我们的产品开发过程。”

  该项目的一个关键方面是开发一种由Hansen使用的新铝杆,该公司使用OptiStruct进行结构分析,使用AcuSolve进行CFD和VWT。

  减阻

  采用有限元分析(FEA)来理解设计的结构,然后对其进行改进和优化。CFD分析和虚拟风洞模拟有助于改善空气动力学。

  随后在FEA和CFD流程之间进行了几次迭代,尝试不同的组件配置,使刀片更宽,更薄,并使其远离车轮,使其更接近,同时密切关注CFD和FEA数据。

  设计改进导致气动阻力(CdA)显着减少(6%),这是制造更快自行车的关键参数。使用Altair OptiStruct进行线性应力分析,以验证阀体和夹具设计。

  应力分析显示出比典型的碳纤维杆更大的刚度,约9%。它还确定了几个要调整的尺寸,以保持零件的完整性,例如管状部分和车把夹紧部分的厚度。

  为确保其可靠性,对最终设计进行了疲劳试验,结果表明没有明显的刚度或开裂损失,以及与应力分析的良好相关性。证明刚度大于纤维增强复合材料支架。

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