一种基于数字孪生技术的汽车环境风洞模拟方法技术

本发明专利技术提供了一种基于数字孪生技术的汽车环境风洞模拟方法，包括以下步骤：S1：对汽车冷却和空调系统进行一维仿真建模；S2：建立环境风洞、汽车以及附属设施设备的CAD模型；S3：通过对CAD模型进行网格划分及加载计算边界，从而获得汽车环境风洞CFD仿真模型；S4：通过一维与三维联合仿真求解方法对一维仿真模型与CFD仿真模型进行联合仿真计算，从而得到汽车环境风洞数字孪生仿真模型；S5：对试验数据和虚拟仿真数据进行采集并存入数据库中；S6：通过云计算平台对试验数据、仿真数据以及二者之间的差异进行分析，从而更新仿真模型。本发明专利技术所述的一种基于数字孪生技术的汽车环境风洞模拟方法解决了现有汽车环境风洞建设周期长、试验成本高等问题。试验成本高等问题。试验成本高等问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生技术的汽车环境风洞模拟方法


[0001]本专利技术属于汽车环境虚拟试验
，尤其是涉及一种基于数字孪生技术的汽车环境风洞模拟方法。

技术介绍

[0002]环境风洞试验是汽车研发过程中必不可少的基础性试验。汽车环境风洞可以在实验室中复现汽车行驶中遇到的高温、低温、湿热、阳光、雨、雪等环境条件，且不受自然环境条件、季节和地域等限制，对于汽车造型和结构设计以及冷却和空调系统的研发都具有重要的意义。但是，由于汽车环境风洞存在设计周期长和建设成本极高等问题，一次汽车环境风洞试验需要漫长的准备期以及花费大量的样车试制费用和试验经费。如何在汽车设计过程中还没有样车的时候进行环境风洞虚拟试验预测汽车的性能，进而预先对汽车进行优化设计；或者在汽车样车试验阶段利用虚拟环境风洞试验代替实车环境风洞试验可以减少环境风洞试验的次数，进而降低研发测试费用和周期，提高汽车开发效率和质量，一直是汽车行业关注的热点。
[0003]数字孪生技术(Digital Twin)是近年来最具颠覆性的前沿科技之一。数字孪生技术通过设计工具、仿真工具、虚拟现实等各种数字化手段，在虚拟空间构建一个与物理实体相一致、表征物理实体各种属性的虚拟实体(数字孪生体)，以数据和模型为驱动，以数字孪生体和数字线程为支撑，直接通过操控数字孪生体进行模拟、仿真和预测。数字孪生技术具备融合几何建模、仿真模拟、数据分析等全方位功能，充分利用模型、数据、智能并集成多学科的技术，解决了虚拟世界和现实世界连接交互问题，具有重要的应用价值。
[0004]随着计算流体动力学(CFD)和虚拟现实技术(VR)的日趋成熟以及数字孪生技术的兴起，使得在计算机上建立汽车环境风洞数字孪生模型成为可能。汽车环境风洞数字孪生技术是数字孪生技术与汽车虚拟试验技术的完美结合，在汽车热管理、空调系统、水管理等开发领域中具有重要的工程应用价值。不同于一般意义的汽车CFD模拟计算技术，它是一种建立在CFD解算器之上的经过将真实风洞试验技术移植到数字环境中并经过二次开发后形成的专业化的“软风洞”试验系统，可以实现汽车在环境风洞内的流场三维空间显示以及所需物理量(如风速、温度、压力等)的空间采样或分布显示。与真实的汽车环境风洞试验不同，汽车数字孪生环境风洞试验前不需要准备试验样车，而是将汽车三维数字模型“安装”在数字孪生环境风洞内进行模拟试验。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术提出一种基于数字孪生技术的汽车环境风洞模拟方法以解决现有汽车环境风洞建设周期长、试验成本高的问题。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：
[0007]一种基于数字孪生技术的汽车环境风洞模拟方法，包括以下步骤：
[0008]S1：对汽车冷却和空调系统进行一维仿真建模；
[0009]S2：建立汽车环境风洞及其附属设施设备以及汽车的CAD模型；
[0010]S3：通过CAD模型进行CFD仿真计算，从而获得汽车环境风洞CFD仿真模型；
[0011]S4：通过一维与三维联合仿真求解方法对一维仿真模型与CFD仿真模型进行联合仿真计算，从而得到汽车环境风洞数字孪生仿真模型；
[0012]S5：对汽车实车在环境风洞运行过程中的试验数据和汽车环境风洞数字孪生仿真模型的虚拟仿真数据进行采集，将采集到的数据存入对应的存储数据库中；
[0013]S6：通过云计算平台对试验数据、仿真数据以及二者之间的差异进行分析，根据分析结果对汽车环境风洞数字孪生仿真模型进行标定和优化，从而更新汽车环境风洞数字孪生仿真模型和仿真边界条件，实现汽车在环境风洞内的整车热气动性能预测。
[0014]进一步的，步骤S3利用的通过CAD模型进行汽车环境风洞CFD仿真计算步骤如下：
[0015]S31：将CAD模型包括的全部区域设定为计算区域，对计算区域进行CFD网格划分；
[0016]S32：设置汽车环境风洞CAD模型、汽车CAD模型以及相关附属设备模型中部件的材料物理属性参数及仿真环境条件；
[0017]S33：根据材料物理属性参数及仿真环境条件对划分的所有CFD网格中的计算域进行CFD仿真计算，从而获得CFD仿真模型；
[0018]进一步的，步骤S1利用的一维仿真建模包括对汽车冷却系统和空调系统的一维仿真建模；冷却系统一维仿真结果包括冷却系统内部的冷却液温度、流量、换热量，空调系统一维仿真结果包括空调系统的热负荷、冷凝器的换热量。
[0019]进一步的，步骤S31所述的CFD网格划分根据汽车环境风洞内空气流动和换热特性对不同的计算区域进行差异化网格划分。
[0020]进一步的，差异化网格划分是对汽车的相应位置增加网格的密度，减小网格的尺寸，汽车的相应位置包括汽车车身周围、进气格栅、风扇、换热器、机舱、底盘；距离车身表面距离越远的地方逐渐减小网格的密度，增大网格的尺寸；风扇以及贴近转毂和地面的区域采用动网格技术进行网格划分。
[0021]进一步的，步骤S32所述的部件包括环境风洞的舱体、阳光模拟设备、转毂、试验汽车及附属设施和设备；
[0022]汽车CAD模型包括汽车车身总成、底盘系统、动力系统、电气系统、冷却和空调系统；
[0023]部件的材料物理属性包括材料密度、比热容、导热系数；
[0024]仿真环境条件包括但不限于环境风洞喷口的风速和温度、环境风洞出口的压力、阳光照射强度、汽车冷却和空调系统的热负荷、汽车关键部件表面的温度。
[0025]进一步的，步骤S1利用的CFD仿真计算包括对环境风洞内空气与汽车车身、底盘系统、动力系统、电气系统、冷却和空调系统的三维流动与传热仿真计算；CFD仿真计算结果包括汽车在环境风洞内的流场和温度场的三维空间显示以及汽车车身、底盘系统、动力系统、电气系统、冷却和空调系统部件表面的风速、空气温度、压力分布和散热量。
[0026]相对于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：
[0027](1)本专利技术提出的一种基于数字孪生技术的汽车环境风洞模拟方法引入了数字孪生技术，通过搭建与实际汽车环境风洞物理实体的结构尺寸、试验环境条件等完全一致的汽车环境风洞数字孪生云端仿真模型，分别在实际试验环境和虚拟仿真环境中同步监测环
境风洞的运行数据以及汽车在环境风洞内工作时的各种热气动性能数据，并通过云存储数据库对采集的试验数据和仿真数据进行收集和分析对比，利用云计算平台的智能优化算法对汽车环境风洞数字孪生仿真模型进行标定和优化，动态更新汽车环境风洞数字孪生云端虚拟仿真模型，实现汽车在环境风洞内的整车热气动性能高精度预测，有效解决了汽车环境风洞建设和试验成本高、周期长且无法在汽车样车制造出来之前对汽车的热气动性能进行预测，以及传统的汽车虚拟风洞仿真计算精度低且无法通过试验验证等问题，显著提升了汽车热气动系统的设计效率和质量，大幅减少了汽车研发过程中样车制造和环境风洞试验的成本。
[0028](2)利用数字孪生技术在汽车环境风洞数字孪生模型中复现了汽车在环境风本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生技术的汽车环境风洞模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对汽车冷却和空调系统进行一维仿真建模；S2：建立汽车环境风洞及其附属设施设备以及汽车的CAD模型；S3：通过CAD模型进行CFD仿真计算，从而获得汽车环境风洞CFD仿真模型；S4：通过一维与三维联合仿真求解方法对一维仿真模型与CFD仿真模型进行联合仿真计算，从而得到汽车环境风洞数字孪生仿真模型；S5：对汽车实车在环境风洞运行过程中的试验数据和汽车环境风洞数字孪生仿真模型的虚拟仿真数据进行采集，将采集到的数据存入对应的存储数据库中；S6：通过云计算平台对试验数据、仿真数据以及二者之间的差异进行分析，根据分析结果对汽车环境风洞数字孪生仿真模型进行标定和优化，从而更新汽车环境风洞数字孪生仿真模型和仿真边界条件，实现汽车在环境风洞内的整车热气动性能预测。2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的汽车环境风洞模拟方法，其特征在于：步骤S3利用的通过CAD模型进行汽车环境风洞CFD仿真计算步骤如下：S31：将CAD模型包括的全部区域设定为计算区域，对计算区域进行CFD网格划分；S32：设置汽车环境风洞CAD模型、汽车CAD模型以及环境风洞内相关附属设备模型中部件的材料物理属性参数及仿真环境条件；S33：根据材料物理属性参数及仿真环境条件对划分的所有CFD网格中的计算域进行CFD仿真计算，从而获得汽车环境风洞CFD仿真模型。3.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生技术的汽车环境风洞模拟方法，其特征在于：步骤S1利用的一维仿真建模包括对汽车冷却系统和空调系统的一维仿真建模；冷却系统一维仿真结果包括冷却系统内部的冷却液温度、流量...

【专利技术属性】
技术研发人员：许翔，牟连嵩，王丹，陈皓，王远，徐俊芳，伊虎城，汪琳琳，于镒隆，
申请(专利权)人：中汽研常州汽车工程研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：