1 前言
CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用于傳統(tǒng)汽車行業(yè)，對(duì)汽車設(shè)計(jì)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。很多汽車企業(yè)把CAE分析作為新產(chǎn)品或重大產(chǎn)品驗(yàn)收的一個(gè)依據(jù)，縮短了開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品性能，獲得了巨大的經(jīng)濟(jì)回報(bào)。面對(duì)日益嚴(yán)峻的能源危機(jī)和環(huán)境污染問題，電動(dòng)汽車獲得了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)在電動(dòng)車主要零部件的研發(fā)中，同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用，展現(xiàn)出其在產(chǎn)品研發(fā)和制造中的潛力。電動(dòng)汽車生產(chǎn)制造的方方面面都涉及CAE分析，分析內(nèi)容包括；設(shè)計(jì)校核，優(yōu)化設(shè)計(jì)，工藝性分析，質(zhì)量事故分析，虛擬原型設(shè)計(jì)和問題研究等。本文在介紹仿真模擬技術(shù)在電動(dòng)車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域典型應(yīng)用的基礎(chǔ)上，以電動(dòng)車主驅(qū)電機(jī)機(jī)殼組件設(shè)計(jì)為例，介紹CAE技術(shù)在組件設(shè)計(jì)上的一般應(yīng)用過程。
2 CAE技術(shù)的典型應(yīng)用
2.1 密封研究
電動(dòng)汽車性能的提高有賴于技術(shù)進(jìn)步，當(dāng)前電動(dòng)車發(fā)展的關(guān)鍵是其動(dòng)力組成系統(tǒng)的發(fā)展，系統(tǒng)主要包括電機(jī)，控制器和電池組。
新型電動(dòng)汽車對(duì)組成動(dòng)力系統(tǒng)的零部件提出了嚴(yán)格的防護(hù)等級(jí)要求，期望其實(shí)現(xiàn)IP67防護(hù)等級(jí)，即完全防止灰塵進(jìn)入殼內(nèi)，完全防止觸及殼內(nèi)帶電體或運(yùn)動(dòng)部分；在規(guī)定的壓力和時(shí)間下浸在水中，進(jìn)水量應(yīng)無有害影響。電機(jī)端蓋和外殼之間及控制器端蓋和冷卻系統(tǒng)之間都具有密封結(jié)構(gòu)，這些密封結(jié)構(gòu)的可靠性直接關(guān)系到防護(hù)等級(jí)的實(shí)現(xiàn)，是電機(jī)和控制器設(shè)計(jì)的重點(diǎn)關(guān)注環(huán)節(jié)之一。
目前，電動(dòng)車驅(qū)動(dòng)電機(jī)正朝著小型化，高功率密度、高可靠性等方向發(fā)展。車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)，體積越小即能量密度越高越好。電機(jī)由于能量損耗，在狹小的空間內(nèi)產(chǎn)生了大量的熱量。液體冷卻適用于擁有高能量密度的電動(dòng)車電機(jī)，可迅速將電機(jī)運(yùn)行過程中由于能量損耗產(chǎn)生的熱量帶出電機(jī)本體。采用液冷方式的部件需要在結(jié)構(gòu)上包含有密封墊或密封圈，防止冷卻液的滲漏，尤其是防止液體進(jìn)入到內(nèi)腔，這提高了對(duì)電機(jī)運(yùn)行和維護(hù)的要求。
作為實(shí)用高效的數(shù)值分析方法，有限元分析技術(shù)在密封裝置設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。湯斌等人使用有限元法探討了應(yīng)用在水下電機(jī)密封裝置中的O型密封圈的變形和應(yīng)力，建立了車氏動(dòng)密封結(jié)構(gòu)的有限元模型；毛劍峰應(yīng)用蠕變模型對(duì)汽輪機(jī)進(jìn)汽閥U型密封開展了有限元分析，探討了蠕變和接觸應(yīng)力間的關(guān)系；趙俊杰等人對(duì)鋼絲繩葫蘆電機(jī)端蓋的密封性能做出了非線性接觸分析，通過計(jì)算應(yīng)力和接觸間隙研究密封墊的密封能力；范杰等人對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制器密封膠接強(qiáng)度做出了模擬計(jì)算，獲得了有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果。
2.2 散熱分析
汽車行業(yè)中的產(chǎn)品設(shè)計(jì)也越來越受散熱問題的困擾，如果在設(shè)計(jì)階段未充分考慮產(chǎn)品的散熱問題，產(chǎn)品的正常使用將會(huì)受到影響。電池組是一個(gè)儲(chǔ)存和釋放電能的裝置；電機(jī)是一個(gè)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的裝置；控制器是調(diào)節(jié)能量使用的裝置。電池組和電機(jī)在能量轉(zhuǎn)化過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生能量損耗。電池組在電能和化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換的過程中，伴有熱能的產(chǎn)生，電池本體成為熱源；電池組的溫度過高，會(huì)引起電池組的爆炸，成為汽車安全的隱患。電機(jī)損耗包括銅耗，鐵耗和雜質(zhì)損耗；損耗是導(dǎo)致電機(jī)溫度升高的原因。溫度過高會(huì)引起電機(jī)性能失穩(wěn)，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的有效控制，甚至?xí)苯釉斐呻姍C(jī)燒毀。控制器中電子元器件的性能顯著受到溫度變化的影響，散熱問題也是控制器設(shè)計(jì)過程中必須解決的問題。
溫度場法和基于溫度場的耦合場法是對(duì)實(shí)現(xiàn)散熱分析的主要方法。周黎民基于電機(jī)熱流場數(shù)值計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性；楊明國對(duì)一種永磁電機(jī)在額定功率下的溫度場做了計(jì)算，通過數(shù)值結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)的比對(duì)，說明模型的準(zhǔn)確性；李新華基于雅閣ISG不同工況下的溫度場數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果，討論了電機(jī)溫度對(duì)磁鋼和磁橋結(jié)構(gòu)的影響；楊志剛等人使用計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)電動(dòng)汽車鋰離子電池組散熱方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；樂智等人基于計(jì)算流體力學(xué)方法對(duì)冷卻器和功率模塊的溫度場進(jìn)行了分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)水道進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改進(jìn)。
在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品的方案往往來自于設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)做出的產(chǎn)品設(shè)計(jì)還有很大的優(yōu)化空間，但可能包含有設(shè)計(jì)隱患。以電機(jī)設(shè)計(jì)為例，工程師在樣件裝配完成后，才有條件評(píng)估樣件是否達(dá)到了防護(hù)等級(jí)的要求；在整機(jī)制作出以后，方可做出對(duì)水道散熱能力的準(zhǔn)確評(píng)估。隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，應(yīng)力分析和熱流體計(jì)算的可信度越來越高；產(chǎn)品的模塊化和參數(shù)化設(shè)計(jì)成為可能。在設(shè)計(jì)過程中，花費(fèi)小的成本即可對(duì)多種方案做出評(píng)估和取舍。本文結(jié)合Ansys軟件中的Mechanical和Fluent模塊，以機(jī)殼組件的密封和散熱分析為例，例述CAE技術(shù)在組件設(shè)計(jì)的一般過程。
3 計(jì)算實(shí)例
汽車行業(yè)的研發(fā)實(shí)踐中出現(xiàn)越來越多的需要對(duì)裝配體進(jìn)行分析的問題，涉及各零件的連接關(guān)系；有限元分析技術(shù)，是機(jī)械整機(jī)裝配體研究的可靠方法。電機(jī)機(jī)殼組件由前端蓋，外殼，后端蓋，密封墊和鎖緊螺釘組裝而成（如圖1）。端蓋壓緊密封墊，通過螺釘連接與外殼相連。螺釘連接的預(yù)緊力，使得處于端蓋和外殼間的密封墊產(chǎn)生彈塑性變形，實(shí)現(xiàn)密封的功能。建模過程中，通常忽略小的附件及零件的細(xì)微結(jié)構(gòu)，如高壓互鎖開關(guān)，旋轉(zhuǎn)變壓器，線束及零件小的倒角和圓角等。
圖1 裝配體分析中機(jī)殼組件的構(gòu)成
本文對(duì)比分析了電機(jī)機(jī)殼組件設(shè)計(jì)的初步方案和改進(jìn)方案。圖2-a所示為機(jī)殼組件初步設(shè)計(jì)方案，有限元分析和樣件試驗(yàn)顯示其密封性能不良；在初步設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，做出了三點(diǎn)改進(jìn)措施，形成改進(jìn)方案（如圖2-b所示）：1）增加鎖緊螺釘數(shù)目，2）修改密封墊樣式，3）降低冷卻液水道高度。
圖2 a-機(jī)殼組件初步設(shè)計(jì)；b-機(jī)殼組件改進(jìn)設(shè)計(jì)
3.1 裝配體結(jié)構(gòu)有限元分析
3.1.1 裝配體分析載荷設(shè)置
在建立裝配體模型之后，需要對(duì)各零部件的材料，連接配合關(guān)系及邊界條件進(jìn)行設(shè)置。在機(jī)殼組件中，外殼由6063鋁合金擠壓而成；面面接觸關(guān)系存在于端蓋和密封墊間及密封墊和機(jī)殼端面間。M8螺釘?shù)念A(yù)緊力選取為12000N，圖3為螺栓預(yù)緊力載荷的示意圖。在靜力分析中，為準(zhǔn)確模擬組件在實(shí)際工況中的受力變形，在懸置端面采用固定約束的方式，這種設(shè)置與電機(jī)在電動(dòng)車上的安裝方法是一致的。
圖3 機(jī)殼組件螺釘預(yù)應(yīng)力載荷示意圖
圖4 密封墊應(yīng)力分布（a-初始方案，b-改進(jìn)方案，單位：Pa）
3.1.2 有限元分析結(jié)果和討論
圖4-a示為初始方案中的密封墊應(yīng)力分布。在鎖緊螺釘附近區(qū)域，等效應(yīng)力值偏大，如圖紅色區(qū)域所示；在遠(yuǎn)離鎖緊螺釘?shù)膮^(qū)域，應(yīng)力值小于1.2Mpa，如圖中兩個(gè)螺釘之間的藍(lán)色區(qū)域所示。初始方案樣件的氣密性試驗(yàn)顯示，藍(lán)色區(qū)域位置附近，易出現(xiàn)泄漏，使得組件無法通過密封測試。這與應(yīng)力分析的結(jié)果是相符的，低應(yīng)力值區(qū)域延伸到內(nèi)徑側(cè)，表明設(shè)計(jì)中對(duì)冷卻液的密封效果不良。
改進(jìn)方案相對(duì)初始方案采取了下列措施：1）在對(duì)應(yīng)藍(lán)色區(qū)域附近增加鎖緊螺釘，螺釘外徑為6mm；M8螺釘?shù)念A(yù)緊力選取為12000N，M6螺釘?shù)念A(yù)緊力為7000N。2）修改了密封墊的截面形式（如圖5所示），以增加密封墊內(nèi)側(cè)與端蓋及外殼的接觸壓強(qiáng)。密封墊內(nèi)徑側(cè)相對(duì)于外徑側(cè)間有斜坡過渡，斜坡高度為0.1mm。3）降低了水道高度，由7mm改為5mm。
圖5 密封墊截面示意（a-初始方案，b-改進(jìn)方案）
對(duì)改進(jìn)方案的機(jī)殼組件，在裝配體狀態(tài)下進(jìn)行靜力分析，獲取的密封墊應(yīng)力分布如圖4-b所示。相對(duì)于初始方案設(shè)計(jì)，密封墊大部分區(qū)域的應(yīng)力值大于1.2Mpa，小于1.2Mpa的區(qū)域面積小，并且沒有在內(nèi)外側(cè)間形成連通域。
外殼及端蓋對(duì)密封墊的壓力作用，是密封墊產(chǎn)生應(yīng)力和變形的原因。圖6-a和6-b，分別為兩種方案密封墊表面的接觸壓強(qiáng)分布。在6-b圖中，壓強(qiáng)為正值的區(qū)域基本可以連接成兩個(gè)圓周，表明密封墊可阻止外部流體介質(zhì)和冷卻液進(jìn)入電機(jī)內(nèi)部。而初始方案設(shè)計(jì)的密封墊在兩個(gè)螺釘連接的中間位置，接觸壓強(qiáng)偏小。模擬結(jié)果說明，新方案設(shè)計(jì)比初始方案設(shè)計(jì)具有更好的密封性能。
圖6 密封墊表面接觸壓強(qiáng)分布（a-初始方案，b-改進(jìn)方案，單位：Pa）
3.2 機(jī)殼組件散熱分析
3.2.1 機(jī)殼組件散熱模型建立
在電機(jī)運(yùn)行情況下，冷卻液由入口通入水套中，沿通道設(shè)計(jì)路線，經(jīng)由冷卻液出口流出。機(jī)殼組件沿軸向展開后，冷卻液的水路如圖7所示；水道采用單一通道的方式。郭軍朝等人運(yùn)用流體仿真技術(shù)研究了這種水套設(shè)計(jì)方案，認(rèn)為單一通道的水套設(shè)計(jì)，比多通路的水套設(shè)計(jì)具有相對(duì)小的流阻。本文中的兩種設(shè)計(jì)方案，均采用單一通道的設(shè)計(jì)方式。
圖7 機(jī)殼組件中冷卻液水路示意圖
由于電機(jī)水道不具有物理上的對(duì)稱性和周期性，需要在仿真中建立完整的三維模型。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，對(duì)電機(jī)除電機(jī)機(jī)殼組件外的零部件進(jìn)行簡化。1）將電樞簡化為一圓環(huán)體熱源，電樞外表面與外殼水道內(nèi)表面重合，與實(shí)際電機(jī)中兩個(gè)表面過盈配合關(guān)系是相符的；2）電機(jī)轉(zhuǎn)子組件的熱損耗較小，可假定熱源僅為電樞，并設(shè)定其為均勻發(fā)熱體；3）電機(jī)各組件材料的熱物性在計(jì)算過程中不發(fā)生變化；4）冷卻液為不可壓流體；5）不涉及電機(jī)表面的對(duì)流換熱。在電機(jī)額定運(yùn)行狀態(tài)下，電樞上的熱損耗功率為2KW，電機(jī)入口冷卻液溫度為353K（70℃），流量為12L/Min。
3.2.2 散熱分析結(jié)果與討論
在上述的工況下，電機(jī)組件的溫度場達(dá)到了穩(wěn)態(tài)；圖8為兩種設(shè)計(jì)方案的機(jī)殼組件在穩(wěn)態(tài)下的溫度分布。在表面區(qū)域，溫度沿流動(dòng)水路方向逐漸升高，整個(gè)機(jī)殼組件的溫度未超過360K，外殼與電樞貼合的內(nèi)表面溫度值最高。圖9為兩種機(jī)殼相同位置截面的溫度分布，溫度變化梯度方向近似與徑向方向重合，徑向方向?yàn)闇囟鹊娘@著升高方向。
冷卻液的流動(dòng)帶走了由電樞傳遞到外殼上的熱量，阻止了電樞溫度的持續(xù)升高，使得電樞的最高溫度保持在370K以下。液體在流經(jīng)冷卻水路的過程中，平均溫度升高了2.44K；單位時(shí)間內(nèi)通過冷卻液帶走的熱量與電樞熱源的熱功率是一致的。在電機(jī)額定工況下，機(jī)殼組件溫度場可保持穩(wěn)定狀態(tài)。
根據(jù)仿真計(jì)算，將組成機(jī)殼組件各主要零件和電樞的平均溫度列于表1中。在兩種設(shè)計(jì)方案中，冷卻液的平均溫度相差不大；前后端蓋的平均溫度在改進(jìn)方案中的數(shù)值偏高，而機(jī)殼和電樞的平均溫度相比于初始方案有所降低。需要指出的是，電樞的平均溫度在改進(jìn)方案中降低了0.38K，溫升變化幅值降低了3.3%。
圖8 穩(wěn)態(tài)下機(jī)殼組件溫度分布（a-初始方案，b-改進(jìn)方案，單位：K）
圖9 穩(wěn)態(tài)下機(jī)殼組件和電樞截面溫度分布（a-初始方案，b-改進(jìn)方案，單位：K）
改進(jìn)方案中的水道高度由7mm減小為5mm，使得在同樣入口流量的情況下，流道中冷卻液的流速升高，加快了冷卻液與水道表面的換熱速率，降低了電樞的溫升幅度。溫度變化越小，電樞鐵心中的磁鏈損失越少，電機(jī)的效率越高；并且，電機(jī)輸出扭矩偏離標(biāo)準(zhǔn)值的幅度越小，電機(jī)越容易實(shí)現(xiàn)高扭矩控制精度。扭矩控制精度通常要求偏差低于5%；溫度變化幅值降低3.3%，對(duì)于提升扭矩控制精度的效果是顯著的。
從模擬分析中，可以得到不便測量的物理量。以水道設(shè)計(jì)為例，水道的流阻值可以在計(jì)算結(jié)果中取得。圖10為兩種設(shè)計(jì)方案的流道內(nèi)冷卻液靜壓云圖。水道流阻可由進(jìn)出口的靜壓差值獲得，初始方案的水道流阻值為20.7Kpa，改進(jìn)方案的流阻值為51.2Kpa，流阻值的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)相吻合。
表1 機(jī)殼組件主要零件平均溫度
傳統(tǒng)的管道沿程阻力的計(jì)算方法，無法給出準(zhǔn)確的流阻計(jì)算結(jié)果。使用傳統(tǒng)方法估算方案設(shè)計(jì)中水道的流阻，估算值偏差為20Kpa。結(jié)果精度是較差的，這主要是因?yàn)楣浪惴椒ㄒ越频睦鋮s液流場為依據(jù)，對(duì)直管路，管路過渡和轉(zhuǎn)接產(chǎn)生的流阻取經(jīng)驗(yàn)值，使得結(jié)果偏差較大。使用CAE設(shè)計(jì)方法準(zhǔn)確計(jì)算出的水道流阻結(jié)果為整車?yán)鋮s系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。參照冷卻系統(tǒng)對(duì)電機(jī)提出的性能指標(biāo)，兩種方案冷卻水道的流阻均在許可范圍內(nèi)。
圖10 水道內(nèi)液體靜壓云圖（a-初始方案，b-改進(jìn)方案，單位：Pa）
4 結(jié)論
汽車行業(yè)的高速發(fā)展和激烈競爭促使行業(yè)對(duì)CAE技術(shù)的應(yīng)用提出了越來越高的要求。CAE技術(shù)使得企業(yè)在產(chǎn)品研發(fā)過程中，減少對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴；依靠定性分析，解決產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的大多數(shù)問題；通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，獲得性能更加優(yōu)越的產(chǎn)品；在提升企業(yè)形象提高的同時(shí)，顯著增強(qiáng)了企業(yè)的技術(shù)實(shí)力。企業(yè)應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到運(yùn)用CAE技術(shù)的難度，建立規(guī)范的CAE分析機(jī)構(gòu)和流程，處理好試驗(yàn)和仿真分析結(jié)果間的關(guān)系。成功的CAE技術(shù)應(yīng)用，對(duì)于制造型企業(yè)縮短研發(fā)周期，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量具有重要意義。
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管理軟件信賴品牌。
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