汽車行業(yè)必須全面擁抱完整的虛擬原型設計，支持多學科仿真和多物理場，并在整個產(chǎn)品開發(fā)周期中全面系統(tǒng)化地使用這種方法，這樣才能發(fā)揮技術創(chuàng)新的真正潛力。汽車企業(yè)能否轉(zhuǎn)變仿真模式，從壁壘化的方式轉(zhuǎn)向統(tǒng)一可擴展的企業(yè)級仿真平臺，從而支持徹底的系統(tǒng)工程。
100年前，亨利·福特曾說：“任何顧客可以將這輛車漆成任何他所愿意的顏色，只要它保持它的黑色。”而現(xiàn)在，色彩已是汽車行業(yè)最不必擔心的挑戰(zhàn)之一了。21世紀的汽車必須提高燃料效率和穩(wěn)健性，要支持高新技術，做到物美價廉，而且能在生產(chǎn)線上快速生產(chǎn)，避免任何缺陷。同時，汽車還必須滿足日益嚴格的政府監(jiān)管要求。汽車必須采用快速發(fā)展的電子、通信和軟件技術，而這些技術在幾年之前幾乎還不存在。
汽車生產(chǎn)商及其供應鏈已經(jīng)在用工程仿真技術來應對當前的一些難題了，包括燃料效率標準、潛在的質(zhì)保問題（這會影響商譽和財務業(yè)績）以及混合動力汽車和電動汽車（HV/EV）的轉(zhuǎn)型發(fā)展。他們同時也在積極迎接更大的理念變革，如自動駕駛汽車等突破性技術。不過，成功的關鍵在于業(yè)界如何用仿真功能發(fā)展的大格局來推進創(chuàng)新，滿足客戶要求，符合嚴格的監(jiān)管要求，并滿足開發(fā)時間、成本和性能目標。換言之，公司部署通用企業(yè)級仿真平臺的效率能有多高？
成功的關鍵在于業(yè)界如何用仿真功能發(fā)展的大格局來推進創(chuàng)新，滿足客戶要求，符合嚴格的監(jiān)管要求，并滿足開發(fā)時間、成本和性能目標。
當前汽車創(chuàng)新的推進力量
更清潔的節(jié)能高效汽車
燃料效率和降低排放是業(yè)界最重要的趨勢，這一點不足為奇。全球各國政府都制定了燃料效率和溫室氣體減排標準。到2025年，美國CAFE標準將提升到54.5mpg，13家主要汽車制造商都對此予以支持。中國和印度作為全球最大的汽車市場也跟隨加入。全球計劃將進一步減少道路交通排放，節(jié)約燃油，并推動老舊車輛退役。
滿足上述目標要求需要尋找各種全新開展重組工程的機會。利用仿真技術，我們能了解如何快速解決各種權衡問題，包括減少空氣動力阻力，避免影響冷卻和車廂內(nèi)安靜性，也包括在減少汽車重量的同時滿足強度和耐用性規(guī)范要求。
汽車復雜性增加，突破性技術涌現(xiàn)
消費者需求、政府監(jiān)管要求和技術發(fā)展都在推動汽車從機械設備向復雜的電子產(chǎn)品發(fā)展。舉例來說，車門鎖裝置曾經(jīng)是一個小型機械設備，現(xiàn)在就成為一種電子系統(tǒng)，包括了電子傳感器、控制器、作動器和高級軟件算法。
7家汽車廠商已經(jīng)宣布銷售某種自動駕駛汽車的計劃。有關方面在此領域進行大力投資，也實現(xiàn)了重要發(fā)展里程碑。因特網(wǎng)巨頭谷歌在5年前開始測試，僅僅第一年測試的自動駕駛汽車就行駛了12.5萬英里。這些創(chuàng)新引發(fā)了消費者的極大興趣，同時也讓汽車企業(yè)高管備感壓力，必須應對汽車工程復雜性的增加，而且要分析開發(fā)時間和成本的影響。工程如果不能發(fā)現(xiàn)潛在的災難性問題，就會直接影響汽車設計復雜性。
業(yè)界如何在短期內(nèi)大幅提升產(chǎn)品的技術水平呢？汽車生產(chǎn)商如何確保自動駕駛系統(tǒng)的徹底安全性？仿真正是應對重大挑戰(zhàn)的最佳產(chǎn)品開發(fā)工具選擇，能幫助工程師將整個車輛作為統(tǒng)一系統(tǒng)進行建模。此外，由于公司通常在全球聘請成千上萬名工程師來設計車輛的不同部分，因此提供統(tǒng)一的協(xié)作化仿真平臺是重要的推進力量。有遠見的企業(yè)積極開發(fā)并部署統(tǒng)一的企業(yè)級仿真平臺，這個最佳實踐能加速數(shù)百乃至數(shù)千種工況的快速測試，實現(xiàn)安全的工作模式，同時探索難以發(fā)現(xiàn)的優(yōu)化和創(chuàng)新機遇。
電子產(chǎn)品
隨著智能電子技術的推廣，業(yè)界對汽車智能接口的需求也在增加。信息娛樂系統(tǒng)包括衛(wèi)星無線電、GPS裝置、觸摸屏等，會整合在儀表盤和頭枕上。汽車制造商現(xiàn)在提供車載4G LTE Wi-Fi功能（搭載支持相關功能的天線）。
車鑰匙和門窗鎖等組件可通過軟件操作，燃油消耗表、里程計和排放表等也需要軟件。此外，軟件還控制后視鏡、電池、加速和制動等功能。這些系統(tǒng)共同打造了復雜的嵌入式軟件和電子信號網(wǎng)絡，隨著技術發(fā)展，它們會變得更加復雜�，F(xiàn)代化汽車無疑是車輪上的大型計算機集群。
這種物聯(lián)網(wǎng)功能需要高保真度仿真工具來完成復雜任務，包括天線和雷達開發(fā)、EMI-EMC預測、信號完整性、芯片—封裝系統(tǒng)設計和電子產(chǎn)品冷卻等，這些還要搭配嵌入式代碼建模和生成工具。ANSYS軟件組合能在極具競爭力的時限內(nèi)確保整個軟硬件實現(xiàn)可靠的系統(tǒng)級工程。
圖1 變速箱仿真
圖2 ANSYS與TU Freiberg合作研究IC引擎流程的仿真
圖3 多物理場仿真
領先趨勢：打破壁壘
汽車行業(yè)是采用工程仿真技術的先驅(qū)，已經(jīng)使用了幾十年的時間了。汽車行業(yè)很早就認識到，在裝配任何物理原型之前，仿真技術就能支持整車及部件的虛擬測試和分析，成本要低于物理測試，而且能以很短時間就獲得結(jié)果。不過今天，汽車領域超過85%的計算機輔助工程都是單物理場仿真，只能孤立地去分析某個單一物理領域。舉例來說，剎車盤的機械強度分析只能與冷卻制動器的氣流分開進行分析。這種方法無法發(fā)現(xiàn)不同物理現(xiàn)象相互作用時潛在的故障模式，因此一旦發(fā)生產(chǎn)品故障就會帶來災難性后果。同時這也會影響開發(fā)時間，因為不同領域的仿真是順序進行的，不能實現(xiàn)并行同步。
隨著汽車電氣化過程的推進，不同物理領域之間的相互作用會增加。以牽引電動機為例，電氣、磁性、熱、流體、結(jié)構(gòu)和聲學等各個方面都緊密耦合。冷卻劑流動會影響溫度，溫度影響電磁場，這進而又影響電機效率和結(jié)構(gòu)振動以及噪聲。對這種系統(tǒng)來說，壁壘化的方法難以實現(xiàn)各種不同因素的最佳平衡。
為了高效對各種元素進行權衡，ANSYS仿真套件整合了所有重要物理領域的耦合求解器、詳細模型、子模型、方法和最佳實踐，有助于分析關鍵的汽車系統(tǒng)和組件。這些工具能幫助汽車公司真正優(yōu)化設計，執(zhí)行成千上萬次假設的耦合物理場分析，而用其它方法則是難以做到這一點的。由于ANSYS仿真解決方案具備無與倫比的深度和廣度，能在共享用戶框架下無縫實現(xiàn)托管服務，因此它也能成為出色的企業(yè)級通用仿真平臺。
汽車產(chǎn)品必須做到第一次就實現(xiàn)可靠工作，因此工程師必須通過仿真技術無風險地應對挑戰(zhàn)。
擴大設計探索并采用優(yōu)化技術
汽車產(chǎn)品必須做到第一次就實現(xiàn)可靠工作，因此工程師必須通過仿真技術無風險地應對挑戰(zhàn)。ANSYS工具內(nèi)置高穩(wěn)健性，同時能加速設計進程。參數(shù)化設計探索和參數(shù)化本身都能對廣泛設計空間提供全面視圖，從而發(fā)現(xiàn)潛在的故障模式和質(zhì)量問題。這些方法整合了試驗設計（DOE）分析、響應面研究和輸入約束分析，有助于找到最佳設計方案。拓撲優(yōu)化組件的大塊材料，在減輕重量的同時不會影響強度和耐用性。伴隨法能自動顯示在什么位置、如何去提高部件的形狀，以改善性能，這對優(yōu)化空氣動力學和管道流特別有用。
這些方法能測試具體參數(shù)，最大限度地整理成千上萬種產(chǎn)品設計方案，而且只使用和調(diào)整最佳設計備選方案。高性能計算（HPC）和云端空間加上存儲靈活性可確保在短時間內(nèi)就能探索各種廣闊的設計空間。
圖4 通過仿真設計最能配合Wi-Fi工作的汽車天線
圖5 ANSYS SCADE針對電子計算機單元（EBU）的混合動力汽車管理系統(tǒng)的精心部署
采用基于模型的系統(tǒng)工程和軟硬件協(xié)同仿真
汽車廠商必須進一步應對復雜性問題，采用整合了高保真度組件分析和整體系統(tǒng)行為模型的仿真技術。重點是基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE），它可實現(xiàn)系統(tǒng)和組件的協(xié)同仿真。這種解決方案采用降階法（ROM），能在裝配體中反映子組件的效果，避免損失準確度，同時還能大幅提升計算速度。
這種方法能在真實工況下精確捕獲不同組件作為大系統(tǒng)組成部分的行為特點。現(xiàn)代化汽車包括數(shù)十部微型計算機，執(zhí)行控制和計算功能，同時用嵌入式軟件程序運行。與硬件組件一樣，嵌入式軟件也必須針對各種工況進行測試，以確保無瑕疵的性能，特別在安全氣袋等安全關鍵型系統(tǒng)中尤為重要。為確保硬件和軟件統(tǒng)一無差錯地工作，他們必須進行協(xié)同仿真。ANSYS在MBSE和認證嵌入式代碼生成方面的技術發(fā)展大幅縮短了嵌入式軟件的開發(fā)時間，而且能滿足ISO 26262 ASIL-D等最高的安全標準要求。
下一個偉大想法
仿真對汽車來說并不是什么新事物，已成為汽車工程領域的關鍵組成部分。有遠見的企業(yè)正在變革工作方式，向整個企業(yè)部署統(tǒng)一仿真平臺的方向發(fā)展，這有助于汽車制造商跟上燃料效率和自動駕駛汽車發(fā)展的需求。未來，行業(yè)領導者會通過仿真技術設定發(fā)展趨勢。
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