CD-adapco中國(guó)工程咨詢(xún)經(jīng)理 劉佳興
我來(lái)自于CD-adapco中國(guó)，今天與各位分享仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的熱門(mén)話題——整車(chē)熱管理。SpaceX、特斯拉汽車(chē)及PayPal三家公司的創(chuàng)始人埃隆•馬斯克曾說(shuō)過(guò)：“任何在技術(shù)上固步自封的公司都將被競(jìng)爭(zhēng)者超越”，由此可見(jiàn)只有不斷的創(chuàng)新產(chǎn)品，才能實(shí)現(xiàn)企業(yè)的蓬勃發(fā)展，保證企業(yè)不斷的前進(jìn)。
產(chǎn)品創(chuàng)新
汽車(chē)在熱管理方面，可以借由翅片、風(fēng)扇、開(kāi)口等方式來(lái)進(jìn)行散熱。但是汽車(chē)“裸身”的時(shí)候，灰塵跟濕氣會(huì)進(jìn)入車(chē)廂里。這樣雖然達(dá)到了最佳的散熱效果，卻會(huì)產(chǎn)生加速氧化、老化等問(wèn)題，因此，必須在汽車(chē)外面加裝一個(gè)機(jī)殼。加裝機(jī)殼的同時(shí)，需要確定機(jī)殼的散熱孔位置分布，這個(gè)位置的確定可以借由數(shù)字仿真分析來(lái)解決，而無(wú)需重復(fù)進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)。
我們公司所提供的全面探索方法跟傳統(tǒng)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)法截然不同，傳統(tǒng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)法成本高周期長(zhǎng)，且操作繁瑣。而全面探索法在設(shè)計(jì)末端的時(shí)候，非常穩(wěn)定，可以快速模擬最佳方案。改進(jìn)后的設(shè)計(jì)可以大幅減輕汽車(chē)重量的同時(shí)，提高散熱能力，這提升了公司的產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。
從產(chǎn)品分析的流程來(lái)看，首先是建立模型，然后是仿真，最后是探索、優(yōu)化。從工程師角度來(lái)看，如果工程師需要在前期耗費(fèi)大量時(shí)間進(jìn)行建模，重復(fù)同樣的工作，就無(wú)法保留更多精力來(lái)進(jìn)行后期優(yōu)化這些更有價(jià)值的工作。工程師需要使用優(yōu)質(zhì)的工具，在減少前期工作量的同時(shí)在后期也發(fā)揮最大的功效。我們公司產(chǎn)品為什么能夠達(dá)到這樣的效果呢？第一，公司的產(chǎn)品注重不斷創(chuàng)新，其中START-CCM+是目前最新型的軟件之一；第二，產(chǎn)品授權(quán)非常方便快捷，能夠應(yīng)對(duì)不同狀況發(fā)生；第三，我們產(chǎn)品有獨(dú)一無(wú)二的技術(shù)支持。
下面介紹一下公司軟件的優(yōu)點(diǎn)，公司旗艦產(chǎn)品是START-CCM+，它不僅僅是一個(gè)CFD求解器，更是一個(gè)完整的多學(xué)科平臺(tái)，能夠模擬真實(shí)條件下的產(chǎn)品和設(shè)計(jì)。該產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空航天、工程機(jī)械海洋船舶等行業(yè)的流體分析、傳熱分析、聲學(xué)分析、電磁分析以及多物理場(chǎng)耦合分析。START-CCM+還可結(jié)合其他第三方軟件，實(shí)現(xiàn)工作流程自動(dòng)化。
我們產(chǎn)品的授權(quán)非常靈活。例如單一授權(quán)，即買(mǎi)一種授權(quán)，可以使用硬件無(wú)限成立。通過(guò)一個(gè)授權(quán)可以在CPU為10萬(wàn)核的計(jì)算機(jī)上并行計(jì)算，如果CPU下降到6萬(wàn)核，那么并行效率是93%；如果CPU下降到1核左右，并行效率雖然下降了，但是還是可以達(dá)到75%�？蛻�(hù)端可以自動(dòng)到整個(gè)STEVE PORTAL去探索資料，每個(gè)客戶(hù)有自己專(zhuān)屬的工程師來(lái)做服務(wù)，當(dāng)客戶(hù)有問(wèn)題，我們內(nèi)部有一個(gè)經(jīng)驗(yàn)分享庫(kù)，可以在24小時(shí)內(nèi)幫忙解決。
汽車(chē)工業(yè)CAE解決方案
空氣動(dòng)力學(xué)
一輛汽車(chē)工業(yè)演進(jìn)從外到內(nèi)是運(yùn)用外觀空氣動(dòng)力學(xué)。例如，買(mǎi)一部汽車(chē)，我們會(huì)關(guān)注這輛車(chē)三個(gè)方面的數(shù)據(jù)。第一個(gè)方面是耗油量，即汽車(chē)的風(fēng)阻系數(shù)；第二個(gè)方面是抗撞能量；第三個(gè)方面是內(nèi)裝，例如內(nèi)裝選擇安裝皮質(zhì)車(chē)套或者電動(dòng)車(chē)門(mén)，這些屬于電裝設(shè)備的選擇。
空氣動(dòng)力學(xué)是以一個(gè)產(chǎn)品研發(fā)階段的前端整個(gè)初期設(shè)計(jì)到后端的車(chē)輛產(chǎn)品。剛開(kāi)始在產(chǎn)品研發(fā)階段放入零件數(shù)量比較少，但是越到后面放入零件數(shù)越來(lái)越多，關(guān)系到動(dòng)力設(shè)計(jì)的時(shí)候全部可以實(shí)現(xiàn)。以一個(gè)整車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)耗油量為例，耗油量已經(jīng)到極限了，怎么辦呢？這時(shí)還可以改善底盤(pán)，還有一些裝飾的地方能夠引流導(dǎo)流，當(dāng)加入導(dǎo)流板實(shí)現(xiàn)風(fēng)阻下降，再來(lái)查看底盤(pán)設(shè)計(jì)。目前有三個(gè)方案可以改善地盤(pán)設(shè)計(jì)，但并不是每個(gè)方案都要使用，使用的導(dǎo)流板越多，耗用材料越多，相應(yīng)成本也會(huì)提高。我們借由數(shù)字仿真，分別建立不同的模擬狀況。
圖1 擾流板及底盤(pán)設(shè)計(jì)方案
案例3只放前面1、2位置放置導(dǎo)流板，案例4只有放1個(gè)，案例5全部放，案例6三個(gè)全部放，分別把每種狀況進(jìn)行分析，最后發(fā)覺(jué)在案例4，即只要保留一個(gè)，就可以達(dá)到降阻的目標(biāo)。這種方法叫事物法，完全是建立在數(shù)字化管理的平臺(tái)。
汽車(chē)是需要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，風(fēng)洞下的氣流左右是對(duì)稱(chēng)的。但是實(shí)際上開(kāi)車(chē)經(jīng)過(guò)大車(chē)時(shí)，氣流卻是不對(duì)稱(chēng)的，汽車(chē)兩邊的吸附狀態(tài)不一致，輪胎抓地力，有些摩托車(chē)、電動(dòng)車(chē)，甚至上面戴著安全帽都要考量，還有輪胎造成的氣流，這些復(fù)雜流動(dòng)狀態(tài)都可以用數(shù)字化管理。針對(duì)汽車(chē)后視鏡的阻力優(yōu)化，我們公司首先改變了設(shè)計(jì)參數(shù)，然后改變后視鏡的前后位置跟伸出位置，最后對(duì)后視鏡位置進(jìn)行設(shè)計(jì)掃描分析，找到最小阻力的位置，從而得到最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。汽車(chē)雨天行駛，需要了解雨刮的反應(yīng)程度，可以對(duì)汽車(chē)進(jìn)行雨水管理模擬。
噪聲處理考慮的是駕駛員跟乘員的舒適度。通過(guò)后視鏡噪聲模擬實(shí)驗(yàn)，提高乘車(chē)舒適度。汽車(chē)涉水分析，通過(guò)仿真得到汽車(chē)涉水過(guò)程中冷凝器、散熱器附近的水面高度，以防止水進(jìn)入進(jìn)氣口。同時(shí)，通過(guò)軟件自帶的物理力學(xué)的求解器，測(cè)出涉水對(duì)汽車(chē)車(chē)底護(hù)板水沖擊力。
整車(chē)熱管理與乘員舒適性
發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液的流動(dòng)可在多種速度條件下運(yùn)行。基于開(kāi)放的溫控器和旁通閥有不同的流動(dòng)路徑，這使得需要進(jìn)行大量的模擬以完全理解冷卻液的流動(dòng)。
渦輪增壓器可以幫助提高發(fā)動(dòng)機(jī)的效率，同時(shí)提供更多的能量輸出。渦輪增壓器利用熱的廢氣加熱并將更多的氣體或燃料壓入發(fā)動(dòng)機(jī)，這樣可以減少碳的排放量。熱的廢氣使得整個(gè)單元處于高熱載荷。渦輪增壓器的完全共軛傳熱用于模擬臨界的操作工況。
圖2 整車(chē)熱管理路線圖
汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理有好幾種方法，第一種狀態(tài)是散熱器加冷凝器，中冷，風(fēng)扇；第二種狀態(tài)是散熱器加冷凝器加風(fēng)扇；第三種是打開(kāi)前格柵，2個(gè)散熱器。實(shí)驗(yàn)的仿真模擬有誤差，第一種狀態(tài)誤差是0.95%，第二種狀態(tài)誤差是0.44%，第三種狀態(tài)誤差是1.57%，我們實(shí)驗(yàn)跟仿真都可以對(duì)標(biāo)得很好。排列組合實(shí)驗(yàn)就是車(chē)子可以按照不同的車(chē)型長(zhǎng)度適合用不同的冷卻裝置，這些是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的管理。
循環(huán)工況分析就是模擬汽車(chē)駕駛時(shí)極端的驅(qū)動(dòng)循環(huán)使得發(fā)動(dòng)機(jī)的熱環(huán)境所經(jīng)受的考驗(yàn)。
以BMW-SOAk工況分析為例，模擬汽車(chē)在駕駛周期中故障，當(dāng)車(chē)輛處于時(shí)停時(shí)走的路況中，熱負(fù)荷積聚，可能導(dǎo)致過(guò)熱或更嚴(yán)重的熱負(fù)荷問(wèn)題。一旦設(shè)計(jì)結(jié)束了，問(wèn)題的修復(fù)會(huì)很昂貴，但是模擬仿真可以避免這個(gè)問(wèn)題。
乘員舒適度，我們根據(jù)人體舒適性模塊（TCM），進(jìn)行模擬仿真各種狀況下的人體舒適度，確保找到最佳舒適方案。
動(dòng)力總成系統(tǒng)
動(dòng)力總成是汽車(chē)的心臟，把加入的汽油轉(zhuǎn)變成能量，在產(chǎn)生能量之外還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題，就是二氧化碳的排放，目前節(jié)能減碳是很重要的。燃燒效率有很大部分取決于進(jìn)氣道流動(dòng)、滾流比、渦流比已達(dá)到快速完全燃燒。我們有一款軟件STAR-CD，可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)缸內(nèi)流動(dòng)噴霧燃燒情況，借由設(shè)計(jì)探索找到最佳的進(jìn)氣道方式�，F(xiàn)在汽車(chē)尾氣排放的標(biāo)準(zhǔn)越來(lái)越嚴(yán)格，這讓大家都關(guān)注氮氧化合物的排放情況。SCR系統(tǒng)是柴油機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)后處理的重要組成部分，為最大化有效性，將均勻的氨水混合物加入到催化劑中是非常重要的，可以達(dá)到減廢量作用。動(dòng)力總成系統(tǒng)可以模擬發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)噴涂的FUSION過(guò)程，傳動(dòng)系統(tǒng)的齒輪箱模擬。
圖3 動(dòng)力總成系統(tǒng)
新能源汽車(chē)
新能源汽車(chē)?yán)锩孀钪匾暮思请姵匕�，從電池最小顆粒之間化學(xué)反應(yīng)，到我們公司和電池設(shè)計(jì)LLC公司專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的不同電路，按照不同的放電程度，最后結(jié)合結(jié)果，應(yīng)用STAR-CCM+進(jìn)行模擬仿真。
新能源汽車(chē)的電池包與傳統(tǒng)電池包有很大區(qū)別。電池在加熱供熱充電的時(shí)候會(huì)放熱，使用過(guò)程中也會(huì)放熱，因此我們可以看成是循環(huán)使用。做充放電仿真實(shí)驗(yàn)，可以準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)電池冷卻性能，避免過(guò)熱，找到最佳實(shí)驗(yàn)跟模擬也都可以追蹤得到。
新能源汽車(chē)的電機(jī)相當(dāng)于一般汽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，我們公司有一款產(chǎn)品——SPEED，可以模擬點(diǎn)擊損耗，精確的設(shè)計(jì)電機(jī)。還可以跟STAR-CCM+耦合，進(jìn)行熱管理。由于傳統(tǒng)的物理學(xué)沒(méi)辦法做熱對(duì)流，所以結(jié)合兩款軟件，對(duì)熱處理進(jìn)行仿真分析。
制造工藝及其他
汽車(chē)的制造工藝模擬需要做到這幾個(gè)方面：噴涂、鑄造、涂裝、電泳、干燥。
在鑄造過(guò)程中，希望鑄造的部件能夠百分之百被使用。利用仿真軟件對(duì)鑄件進(jìn)行模擬分析，從而使?jié)沧⒊善诽嵘细衤剩瑴p少成本。
結(jié)論
仿真驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)及創(chuàng)新時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨，可以通過(guò)IT來(lái)實(shí)現(xiàn)；創(chuàng)新產(chǎn)品要靠數(shù)字化管理、流程自動(dòng)化技術(shù)，設(shè)計(jì)探索等，以達(dá)到更快發(fā)現(xiàn)更有設(shè)計(jì)的目標(biāo)。
本文根據(jù)作者演講內(nèi)容整理而成，未經(jīng)作者確認(rèn)！
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核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴(lài)品牌。
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本文標(biāo)題：仿真驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)及創(chuàng)新：以整車(chē)及熱管理仿真分析為例
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