سکوی آزمایش مجازی برای ارزیابی محیط داخلی کابین خودرو Virtual Testing Stand for evaluation of car cabin indoor environment

1. مقدمه

بخشی از قدرت موتور به جنبش ماشین تبدیل نمی شود، بلکه توسط سیستم های جانبی خودرو صرف ارائه ایمنی و راحتی می شود. سیستم HVAC (گرمایش، سیستم تهویه و تهویه مطبوع) مصرف کننده اصلی انرژی توسط سیستم های جانبی تمام خودروها می باشد [1]. تقاضای انرژی در سیستم های HVAC بیشتر در خودروهای الکترونیکی آشکار می شود که در آن گرمای تلف شده موتور احتراق کلاسیک از بین رفته و باید توسط منبع انرژی دیگری جایگزین شود. اگر انرژی HVAC توسط باتری تولید شود، محدوده رانندگی خودروهای الکترونیکی به طرز چشمگیری کاهش می یابد [2]. بهره وری انرژی، کاهش مصرف سوخت و آلایندگی های خودرو، باوجودی که به طور گسترده توسط بسیاری از مهندسان و محققان مورد مطالعه قرار گرفته است، هنوز هم مسائل مهمی میباشند. موضوع بهره وری انرژی و مدیریت حرارتی از طریق پروژه هایی تحقیقاتی از قبیل اثر حرارتی صیقلی بودن کابین راننده [3]، خودروی خنک(Cool Car) و سایر پروژه های مرتبط با NREL (آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر) مورد برسی قرار گرفتند [6-4]. همه این پروژه ها با کاهش بار گرمایی داخل کابین خودرو و در نتیجه بارHVAC به جستار در مورد شیوه های ارائه آسایش حرارتی موثر در داخل کابین خودرو پرداختند.

انگیزه تحقیق ما، بررسی و شبیه سازی محیط داخل کابین خودرو و رفتار گذرای آن می باشد و این امر می تواند برای طراحی HVAC مفید می باشد. این مقاله یک ابزار طراحی به تازگی توسعه یافته برای پیش بینی اتلاف/جذب گرما در کابین خودرو را تحت شرایط عملیاتی واقعی ارائه می نماید. این نرم افزار طراحی سیستم مدیریت حرارتی خودرو را در طول مراحل بسیار اولیه توسعه خودروی جدید مطرح می نماید، که به طور معمول مجازی می باشد. فرآیند مهندسی مجازی شیوه ای برای شناسایی رفتار کابین خودرو حتی قبل از ایجاد اولین نمونه واقعی می باشد. در مراحل اولیه فرایند طراحی خودرو یافتن راه حلی سریع، هر چند کمتر دقیق برای یک مشکل، امری مهم می باشد. علاوه بر این در طول فرایند طراحی، برای دستیابی به پارامترهای مورد نیاز برای خودرو، از مطالعات دقیق تر و مفصلی استفاده شده است.

معمولاً برای محاسبه دقیق انتقال گرما و ارزیابی آسایش حرارتی از نرم افزار CFD استفاده می شود [7-9]. متاسفانه، یک CFD کاملاً سه بعدی، زمان محاسبه را فوق العاده افزایش می دهد، در نتیجه تولید کنندگان خودرو ها اغلب در مراحل اولیه فرایند طراحی زمانی که مسائل مربوط به انرژی سیستم های HVAC مطرح می شود، از نرم افزاری تخصصی همچون RadTherm یاus-FE استفاده می نمایند. نرم افزار مذبور به حل انتقال گرما در هندسه های پیچیده به جز انتقال گرمای همرفتی اختصاص دارد، انتقال گرمای همرفتی باید همراه نرم افزار CFD مورد استفاده قرار گیرد. زمانی از این رویکرد استفاده می شود که روش های عددی بیشتری با هم ترکیب شوند، این امر فرآیند مدل سازی عددی ترکیبی(Integrated numerical modelling process) نام دارد و امروزه معمولاً برای طراحی سیستم های کنترل آب و هوا خودرو، استفاده می شود[10،11].

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

این مدل های پردازش سریع نیز اجازه انجام مطالعات حساسیتی از قبیل لوینسون [5] را می دهند، در مطالعه وی مزایای بالقوه لایه های بازتابنده خورشیدی به منظور کاهش بار گرمایی داخل کابین خودرو در حین پارک در تابستان به صورت تجربی و عددی مورد بررسی قرار گرفت. برای بررسی تکمیلی برخی از مدل های توازن گرمایی به مرجع [18] مراجعه کنید که در آن نویسنده مدل طراحی شده خود را نیز ارائه می نماید. این نوع مدل ها مناسب سیستم های کنترل آنلاین HVAC می باشند و در آن به زمان محاسبات کوتاه امری واجب می باشد. میچالک و همکاران [19] برای شبیه سازی سخت افزار در حلقه زمان واقعی، کابین خودروی ساده و مدل واحد HVAC را توسعه داد. وی استنتاج نمود که ابزار معتبر حتی توسط مدل های فیزیکی ساده نیز می تواند در محل اتصال با سخت افزار در حلقه، به نتایج خوبی دست یابد. این نوع مدل ها به ضرایب کالیبراسیون مبتنی بر داده های تجربی واقعی نیاز دارند و به نوع خودرو و شرایط رانندگی وابسته می باشند. روش شبکه های عصبی [20] یک روش نوید بخش بوده و از اندازه گیری داده های واقعی استفاده می نمایند. نقطه ضعف اصلی این روش این است که آنها برای یک خودرو و شرایط خاص طراحی شده اند. احتمال دوم برای کاهش زمان پردازش بسیار قابل ملاحظه تر، ایجاد جدول مراجعه ای می باشد که به جای شبیه سازی مدل استفاده شده است. جدول مراجعه دربردارنده تمام نتایج شبیه سازی شامل موارد نمونه با شرایط عملیاتی می باشد.

هدف از پژوهش ما، توسعه روش محاسبه ساده و سریعی است که قادر به ارزیابی تعادل انرژی، بار گرمایی و آب و هوای داخل انواع خودروها در طول شرایط عملیاتی واقعی می باشد. محاسبه سریع، مزیت اصلی نرم افزار توسعه یافته ما می باشد. این امر به طور عمده برای تجزیه و تحلیل حساسیت و ایجاد جداول مراجعه برای کابین هایی با هندسه و شرایط عملیاتی متفاوت طراحی شده است. نسخه اولیه مدل انتقال گرمای کابین خودرو و اعتبار آن در مقاله [21] ارائه شده است و اعتبار سنجی در آن توسط اندازه گیری شرایط واقعی عملیاتی ارائه شده است. این مدل در نرم افزار دیمولا(Dymola) توسعه یافته و هندسه واقعی داخلی را در نظر نمی گیرد. این مدل به طور کلی، درخور شبیه سازی های سخت افزار در حلقه ای می باشد که برای بار گرمایی داخل کابین خودرو ایجاد شده، اما قادر به محاسبه دمای سطح داخلی نیست.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

2. روش ها

استاد آزمایش مجازی کابین خودرو(VTSCC) توسط نرم افزار Matlab به عنوان یک برنامه ویندوز مستقل توسعه یافته است که شامل مدلی برای پیش بینی رفتار حرارتی کابین خودرو در طول شرایط عملیاتی مختلف می باشد. در شکل 1 ساختار اولیه رابط مدل ورودی/ خروجی وجود دارد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

• منوی اصلی (به شکل 2 نگاه کنید).

• کنترل پنل - برای تمام پانل های فضای کاری یکسان می باشد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

• سایر ویندوزها - ویرایشگر هندسه و طرح های پس پردازی.

• برنامه Matlab از طریق منوی اصلی کنترل شده و کاربر می تواند در آن با هندسه کابین خودرو، شبیه سازی پس پردازی و تنظیمات نمایش کار کند- به شکل 2 نگاه کنید.

تنظیمات مکمل برنامه در فایل های زیر قرار دارد: Setup.csv، Batch.xls وPlotSetup.csv . همچنین می توان نمودار همه متغیرهای مورد استفاده در پردازش را طرح نمود و داده را به فایل Excel ارسال کرد. در سمت چپ یک کنترل پانل وجود دارد که به کاربر اجازه انتخاب یک سناریوی مشخص برای انتخاب خودرو و چرخه رانندگی آن و پس از آن اجرای شبیه سازی را می دهد. خط فرمان، بخشی از کنترل پنل می باشد که به کاربر اجازه انتخاب برخی از گزینه ها و همچنین در زمان برگزیده برای شبیه سازی اجازه اسلایدبار برای تجسم داده پس پردازی را می دهد. مابقی گزینه ها متعلق به یک پانل انتخابی خاص می باشند که در فصل های فرعی زیر توضیح داده خواهد شد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

هندسه ساده شده یکی از مهم ترین اشکالات برای ارائه ابزار محاسبه سریع برای بارهای گرمایی کابین خودرو می باشد. در عوض برای بیان ویژگی های اصلی کابین خودرو ، یعنی ابعاد داخل کابین مانند طول، عرض، ارتفاع درب و پنجره های جانبی و هندسه سطوح داخلی- داشبورد، صندلی های جلو و عقب، فضای شیشه با ابعاد و موقعیت آن، غیره- از هندسه سه بعدی تفصیلی استفاده می شود. ویژگی های هندسه در نظر گرفته شده توسط اعداد زیادی از پارامترها تعریف شده اند (حدود 70) و در آن همه پارامترهای هندسی برای مورد خاص اندازه گرفته شده اند. طول، عرض و ارتفاع کابین ناشی از طراحی گرافیگی رسمی خودرو می باشد. سایر پارامترهایی که در طراحی گرافیگی نشان داده نشده اند را می توان به صورت خطی با استفاده از اتوکد تخمین زد. مولد هندسی بر اساس این پارامترها به ما اجازه می دهد تا سه نوع بدنه خودرو ایجاد نماییم: هاچ بک، کامبی و سدان / لیفت بک. این هندسه با فرمت .nas (Nastran)،.mat و .stl ایجاد شده است. دلیل انتخاب این فرمت ها به شرح زیر می باشد: فایل Nastran را می توان بهآسانی در ویرایشگر متن خواند، فایل.mat یک ساختار کلی برای ذخیره داده ها در Matlab می باشد و .stl فرمت معمول برای انتقال هندسه های سه بعدی در نرم افزار CAD می باشد. هندسه کابین پارامتری شامل 18 قسمت می باشد که در شکل 3 نشان داده شده و در آن مثال هندسه پارامتری مولد برای خودروی سکودا فلیشیا کامبی نشان داده شده است.

خروجی ها مدل ورودی ها

محیط کابین خودرو

دمای هوا

رطوبت نسبی

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

دمای سطحی داخل و خارج کابین

مطالعات حساسیت ماژول های Matlab

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

رابط کاربری (GUI)

مولد هندسی سه بعدی

انتقال گرما

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

عوامل مشاهده سولور

حالت دسته ای کابین خودرو

هندسه

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

شرایط عملیاتی

داده GPS

داده هوا

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

مسافران

شکل1. طرح رابط مدل های ورودی / خروجی و بررسی کلی ماژول های نرم افزار Matlab

طرح/نما پس پردازی شبیه سازی هندسه فایل

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

قابلیت مشاهده Ctrl+B نتایج

ارسال به .xls

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

تمام متغیرها fig. Ctrl+R اجرا

شبیه سازیSHL

حالت دسته ای Ctrl+G (نیاز به دانلود ترجمه) ایجاد

Ctrl+F (نیاز به دانلود ترجمه) ارسال *.nas

Ctrl+I واردکردن*.mat

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

Ctrl+V نمایش عوامل Ctrl+N (نیاز به دانلود ترجمه) جدید

Ctrl+O (نیاز به دانلود ترجمه) باز کردن

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

Ctrl+Q (نیاز به دانلود ترجمه) خروج

شکل2. منوی اصلی VTSCC

1. شیشه جلو

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

3. شیشه های بغل-چپ

4. شیشه های بغل-راست

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

6. ستون های بغلی-راست

7. درها-چپ

8. درها-راست

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

10. سقف-وسط

11.کف

12.

13. داشبود-بالا

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

15. صندلی جلو-چپ

16. صندلی جلو-راست

17. صندلی عقب

 

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

 

شکل3. هندسه پارامتری سکودا فلیشیا کامبی (سطوح مشخص شده * در طرح فعلی پنهان می باشند)

از هندسه پارامتری برای محاسبه مساحت سطح و حجم حفره های خودروی مفروض استفاده می شود و از این حفره ها بمنظور محاسبات انتقال گرما استفاده می شود. مساحت سطح به عنوان مجموع سطوح تکه های مثلثی تشکیل دهنده سطح مفروض محاسبه می شود. حجم حفره کابین توسط قضیه واگرایی (گاوس) محاسبه می شود این امر بر اساس دانش سطوح پیرامون اجازه محاسبه حجم محفظه را می دهد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

2.2. ترکیب مواد

ترکیب مواد کابین خودرو برای محاسبات انتقال گرما ضروری می باشد. ما برای هر بخش کابین، ساختار مواد و ترکیب آن با لایه های مجزا با ضخامت مفروض و نوع مواد با ویژگی های فیزیکی- حرارتی مناسب را تعریف می کنیم. هر بخش به سطوح داخلی و خارجی تقسیم شده و توسط لایه انگاری EXT/INT جدا می شود. به عنوان مثال در مورد درها، لایه انگاری شکاف هوایی را نشان می دهد. ویژگی مواد از پایگاه داده مواد ما بدست آمده و با بررسی مطالعات انجام شده و پایگاه داده تولید کنندگان ایجاد شده است. مواد مختلف در پایگاه داده مربوط به مواد ما به چند مقوله تقسیم شده اند:

• مواد انتقالی (انواع مختلف شیشه).

• مواد سطحی (رنگ، جلاء).

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

• ویژگی های هوا.

کمیت های ذیل برای محاسبه انتقال گرما، ضروری می باشند: رسانندگی حرارتی، چگالی و ظرفیت گرمایی ویژه، ویژگی سطوحی از قبیل قابلیت انتشار موج بلند، قابلیت انتقال موج کوتاه، بازتاب پذیری و قابلیت جذب. محاسبه جرم سطح کابین توسط چگالی و ضخامت هر لایه ممکن می باشد. در شکل 5، اسکرین شاتی از پانل ترکیب مواد و اطلاعاتی در مورد کابین خودروی منتخب وجود دارد. در بالا گوشه سمت چپ، ترکیب مواد، نوع ماده و ضخامت لایه آن را نشان می دهیم؛ در سمت راست جدولی در مورد ویژگی مواد وجود دارد. در پایین جدول سمت راست مقدار مشخصات مواد توسط بخش خاصی از کابین خودرو محاسبه و علاوه بر آن جرم و مقاومت حرارتی ارزیابی شده اند.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

2.3. تعریف چرخه رانندگی

شکل 6 رابط کاربر گرافیکی برنامه را در زمانی نشان می دهد که پانل چرخه رانندگی فعال است. چرخه رانندگی با اطلاعات زمان و تاریخ عرض جغرافیایی، طول جغرافیایی، ارتفاع، سرعت خودرو، داده های هواشناسی، راه اندازی HVAC ، اشغال کابین توسط مسافر و غیره تعریف شده است، به جدول سمت چپ پانل نگاه کنید. همه این داده ها توسطTimeTable.csv از پوشه چرخه رانندگی انتخابی وارد شده و به طور کلی حاوی داده های تجربی می باشند. با این حال، کاربر نیز می تواند این فایل را برای به دست آوردن سناریوهای مختلف حتی سناریوهای مجازی ایجاد یا آن را تغییر دهد. در سمت چپ پانل جدول زمانی فعلی و در سمت راست نقشه موقعیت جغرافیایی فعلی (نقطه بزرگ) و مسیر کلی (نقطه های کوچک) نشان داده شده است. از طرح زوهار بار یهودای برمانه گوگل مپ [25] برای تجسم مسیر نقشه استفاده می شود. در طرح زیر زاویه فعلی خودرو در زمان مفروض (در این مورد در زمان 14:30، به نوار کناری پایین کنترل پنل نگاه کنید) و همچنین موقعیت فعلی خورشید نمایش داده می شود. یاتاقان خودرو توسط موقعیت فعلی و قبلی خودرو محاسبه می شود. موقعیت خورشید (Sun position) توسط الگوریتم های موجود در مرجع [26] محاسبه شده و به موقعیت جغرافیایی فعلی خودرو و داده های زمانی بستگی دارد.

شکل4. VTSCC -پانل هندسه

شکل5. VTSCC - پانل ترکیب مواد.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.

شکل7. VTSCC - پانل پس از پردازش. مثالی از آزمون رانندگی در زمستان، طرح دمای سطح داخلی را نشان می دهد.

2.4. پردازش

پانل پردازش شامل تبادل پیام و اطلاعاتی در مورد پردازش سولور انتقال گرما می باشد که قسمت اصلی VTSCC می باشد. محاسبات انتقال گرما در هندسه پارامتریک سه بعدی انجام می شود. ایده اصلی در مورد نحوه محاسبه انتقال گرما از کابین خودرو از مقاله قبلی [21] الهام گرفته شده است. مدل ارائه شده، با توجه به هندسه داخلی کابین از جمله صندلی و داشبورد، به جای 10 قسمت به 18 قسمت گسترش یافته است. نوع شرایط مرزی برای سطح هر کابین، منطقه هوای مجاور، حفره و نوع تابش خورشیدی اعلام شده را تعریف می کند. می توان در پانل شرایط مرزی تعریف شرایط مرزی را یافت. در مدل فعلی محیط، کابین، بدنه و فضای موتور و حفره داشبورد و منطقه هوا وجود دارد. تابش خورشیدی با توجه به نوع تابش خورشیدی موثر بر روی سطح مفروض به سه گروه تقسیم می شود: بدون تابش خورشیدی، تابش خورشیدی منتقل شده داخلی و خارجی. این مدل قادر به شبیه سازی موقعیت متقابل اشعه خورشید و خودرو، یعنی بردارهای عمود تمام سطوح داخلی و خارجی از کابین خودرو می باشد. انتقال گرما، با توجه به تجمع/ ذخیره سازی در مواد، توسط مجموعه ای از معادلات توازن گرمایی شبیه سازی شده است. از سولور ode15 نرم افزار Matlab برای حل سیستمی با 38 معادله دیفرانسیل معمولی استفاده می شود (2*18 - دمای سطح، 1 - درجه حرارت هوا، 1 - رطوبت خاص). توسعه مدل منطقه هوایی چندگانه هنوز هم ادامه دارد و طرح فررفت بین مناطق هوایی تحت توسعه قرار دارد. سیستم ode مستلزم تعیین شرایط اولیه، یعنی ارزش آغازین پارامترهای ناشناخته ای همچون رطوبت خاص، درجه حرارت هوا و درجه حرارت سطح می باشد. اگر داده های تجربی در دسترس قرار داشته باشند، ارزش شرایط اولیه به طور خودکار از خط اول آزمایش گرفته می شود. اگر صرفاً یک مورد مجازی وجود داشته باشد، می توان دمای اولیه را بطور دستی تنظیم یا آن را برابر با درجه حرارت محیط خارجی نمود. کاربر در شبیه سازی در حال اجرا از زمان واقعی و زمان شبیه سازی سپری شده مطلع است و می تواند در پانل «پردازش» گزارش شبیه سازی یا خطای در حال اجرا را مشاهده نماید.

جهت مشاهده متن کامل، فایل ترجمه را دانلود نمایید.