随着新能源汽车的兴起，轻量化需求越来越高，相关技术研究也备受关注。集成一体化压铸产品，将成为新能源汽车部件发展的一大趋势。一体式成型的产品，具备制造工艺化繁为简、设计自由度高、复杂成型能力强、生产效率更高、能为企业降本增效等优势。但所带来的技术挑战也很高。借助科学技术，为工艺挑战排忧解难。FLOW-3D特有的薄壁件建模技术，赋能新能源汽车薄壁一体化结构件的开发。

几何特征的准确表示是任何 CFD （计算流体力学）模拟的一个重要方面。在 FLOW-3D 中，使用称为 FAVOR™（分数面积体积障碍表示）方法的特殊技术将几何的影响合并到控制方程中，该技术是多孔介质技术的推广，允许处理任意结构网格内的固体或多孔物体。控制体积（单元）内部几何结构的存在需要修改守恒方程，从而包括单元的开放面积分数和开放体积分数。例如，连续性方程变为：

VF 是对流动开放的体积分数，
ρ是流体密度，
RDIF 是湍流扩散项，
RSOR是一个质量源，
Ax, Ay 和 Az 是单元面中的开放区域分数

FAVOR™ 技术允许对网格和几何进行单独处理，从而可以简单、快速地生成网格，同时利用结构化、平滑变化、严格正交网格中固有的数值优势。它还提供了在单个网格内无缝表示多孔介质、传热、移动/溶解/侵蚀物体等的能力。虽然 FAVOR™ 非常通用，但该技术的实现在具有单个平面的单元中近似实体几何表面。

图 1. 面积和体积分数

这使算法保持简单，并与其他数值近似一致，这些数值近似基于每个控制体积的单个压力、速度、温度等信息。但是，由于几何图形是以网格的比例表示的，因此可能会平滑或忽略较小的特征。例如，一个小于网格单元的球形物体将不会被记录，除非它覆盖至少一个网格顶点，如图 1 所示图像右下角的圆圈所示。同样，一些几何图形可能相交 一个单元面不止一次，在这种情况下，相应的单元面被假定为完全位于对象内部或外部。可以看出这种处理影响了图 1 中框的上角和左角，导致形状更圆。请注意，细化网格将提供越来越准确的几何表示，并且会随着单元大小接近零而变得精确。

图 2. 对象定义（左）和创建的对象（右）

但是，在对薄壁件（即只有一个维度小于网格）（例如板和壳）进行建模时，这可能是个挑战。用于识别和解决这些情况的一些技术将在后续部分中会提到。

识别解决问题

有多种方法可以识别给定几何体的网格分辨率是否不足，但这些方法中最简单和最轻松的方法是使用 Model Setup-> FAVOR™ 选项卡上的 FAVORize 选项。此选项将处理几何图形并显示 3D 等值面，显示实体或开放体积，具体取决于配置。查看等值面时，寻找以帮助识别边缘解析区域：

图 3. 边缘解析区域

除了简单地显示几何图形，FAVORize 选项还可以配置为通过激活“显示错误”复选框自动测试基于 STL 的几何图形的以下解析度问题：

漏孔：漏孔是由相邻单元中的固体包围的未解析空隙。

遗漏网格：遗漏网格是一个未解决的固体区域，被相邻单元格中的空隙包围。

多表面：多表面错误表示实体几何体在单个单元格中具有多个表面（例如，比单元格薄的实体板会导致此类错误）。

未解析的实体体积：STL 文件在此单元格中具有相反的、发散的法线，表明某些实体体积在此单元格大小下未解析。

未解析的空隙体积：STL 文件在此单元格中具有相反的收敛法线，表明某些空隙体积在此单元格大小下未解析。

此测试的输出显示在屏幕上，并带有交互式标记，这些标记可识别存在潜在错误的网格单元，以橙色或黄色突出显示。橙色代表多表面网格区块，而黄色代表所有其他问题。双击突出显示的单元格和右键单击菜单提供了查看问题类型（例如，错遗漏网格）和位置的选项。

图 4. FAVORTM测试的输出

薄壁件的建模技术

与整体域尺寸相比的较薄结构（或型腔）是许多模拟中的常见特征。这些在建模过程中需要特别考虑，因为它们可能需要非常精细的网格来正确解析其几何特征，这可能会导致让人无法接受的运行时长。在这些情况下，有些技术可用于调节分辨率要求和运行时间：

使用网格平面 - 网格平面可用于在部件内部放置网格线，并满足单元中单个平面表面的假设。当尝试解析与坐标方向紧密对齐的对象或尝试解析对象的角时，此技术很有用。一些示例位置如下图所示：

挡板 – 挡板也可用于近似薄物体。然而，由于挡板由控制方程中的面积分数表示，因此它们基本上被移动到最近的单元面，并形成初始输入的逐步近似。结果，随着形状复杂度的增加，挡板附近的解析精度降低。然而，如果挡板很小或位于静止区域，这种精度的降低对于分析来说是可以接受的（甚至可以忽略不计）。

对象操作——弯曲和倾斜的对象可以人为加厚或以其他方式操作，使其在不影响流场的情况下用更大的单元解析。这种方法通常很简单，可以在副作用最小的情况下完成。

实例：

我们最近创建了一个由弧形闸门控制的溢洪道的流量验证，并在建模过程中发现闸门几何结构没有准确解析，如下图5所示。

图5. 几何（左）、FAVORized 等值面（右上）和 FAVORized 2D 截面（右下）

插入网格平面以调整闸门顶端附近的局部网格分辨率会导致小单元和不可接受的长时间运行时间。

为了解决这些问题，闸门的背面向下延伸，以确保闸门底部的单元都只有一个几何表面。更好的是，这种修改对模拟结果没有不利影响，因为流动仅与闸门的正面接触。

正如预期的那样，锐边门的流量特性曲线与稳态实验显示出很好的一致性。

总结

可以轻松生成结构化矩形网格，这使得 FAVOR™  方法成为在流体力学模拟中一种非常强大和方便的网格划分方法。然而，使用这种方法有效处理薄壁件相关的一些特殊挑战。上述三种技术为解决这些挑战提供了简单、方便的方法。

来源：FLOW3DCast