CD-adapco中國工程咨詢經理 劉佳興
我來自于CD-adapco中國，今天與各位分享仿真驅動設計領域的熱門話題——整車熱管理。SpaceX、特斯拉汽車及PayPal三家公司的創始人埃隆•馬斯克曾說過：“任何在技術上固步自封的公司都將被競爭者超越”，由此可見只有不斷的創新產品，才能實現企業的蓬勃發展，保證企業不斷的前進。
產品創新
汽車在熱管理方面，可以借由翅片、風扇、開口等方式來進行散熱。但是汽車“裸身”的時候，灰塵跟濕氣會進入車廂里。這樣雖然達到了最佳的散熱效果，卻會產生加速氧化、老化等問題，因此，必須在汽車外面加裝一個機殼。加裝機殼的同時，需要確定機殼的散熱孔位置分布，這個位置的確定可以借由數字仿真分析來解決，而無需重復進行樣機試驗。
我們公司所提供的全面探索方法跟傳統的試驗設計法截然不同，傳統試驗設計法成本高周期長，且操作繁瑣。而全面探索法在設計末端的時候，非常穩定，可以快速模擬最佳方案。改進后的設計可以大幅減輕汽車重量的同時，提高散熱能力，這提升了公司的產品競爭力。
從產品分析的流程來看，首先是建立模型，然后是仿真，最后是探索、優化。從工程師角度來看，如果工程師需要在前期耗費大量時間進行建模，重復同樣的工作，就無法保留更多精力來進行后期優化這些更有價值的工作。工程師需要使用優質的工具，在減少前期工作量的同時在后期也發揮最大的功效。我們公司產品為什么能夠達到這樣的效果呢？第一，公司的產品注重不斷創新，其中START-CCM+是目前最新型的軟件之一；第二，產品授權非常方便快捷，能夠應對不同狀況發生；第三，我們產品有獨一無二的技術支持。
下面介紹一下公司軟件的優點，公司旗艦產品是START-CCM+，它不僅僅是一個CFD求解器，更是一個完整的多學科平臺，能夠模擬真實條件下的產品和設計。該產品被廣泛應用于汽車、航空航天、工程機械海洋船舶等行業的流體分析、傳熱分析、聲學分析、電磁分析以及多物理場耦合分析。START-CCM+還可結合其他第三方軟件，實現工作流程自動化。
我們產品的授權非常靈活。例如單一授權，即買一種授權，可以使用硬件無限成立。通過一個授權可以在CPU為10萬核的計算機上并行計算，如果CPU下降到6萬核，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，但是還是可以達到75%。客戶端可以自動到整個STEVE PORTAL去探索資料，每個客戶有自己專屬的工程師來做服務，當客戶有問題，我們內部有一個經驗分享庫，可以在24小時內幫忙解決。
汽車工業CAE解決方案
空氣動力學
一輛汽車工業演進從外到內是運用外觀空氣動力學。例如，買一部汽車，我們會關注這輛車三個方面的數據。第一個方面是耗油量，即汽車的風阻系數；第二個方面是抗撞能量；第三個方面是內裝，例如內裝選擇安裝皮質車套或者電動車門，這些屬于電裝設備的選擇。
空氣動力學是以一個產品研發階段的前端整個初期設計到后端的車輛產品。剛開始在產品研發階段放入零件數量比較少，但是越到后面放入零件數越來越多，關系到動力設計的時候全部可以實現。以一個整車空氣動力學耗油量為例，耗油量已經到極限了，怎么辦呢？這時還可以改善底盤，還有一些裝飾的地方能夠引流導流，當加入導流板實現風阻下降，再來查看底盤設計。目前有三個方案可以改善地盤設計，但并不是每個方案都要使用，使用的導流板越多，耗用材料越多，相應成本也會提高。我們借由數字仿真，分別建立不同的模擬狀況。
圖1 擾流板及底盤設計方案
案例3只放前面1、2位置放置導流板，案例4只有放1個，案例5全部放，案例6三個全部放，分別把每種狀況進行分析，最后發覺在案例4，即只要保留一個，就可以達到降阻的目標。這種方法叫事物法，完全是建立在數字化管理的平臺。
汽車是需要進行風洞試驗，風洞下的氣流左右是對稱的。但是實際上開車經過大車時，氣流卻是不對稱的，汽車兩邊的吸附狀態不一致，輪胎抓地力，有些摩托車、電動車，甚至上面戴著安全帽都要考量，還有輪胎造成的氣流，這些復雜流動狀態都可以用數字化管理。針對汽車后視鏡的阻力優化，我們公司首先改變了設計參數，然后改變后視鏡的前后位置跟伸出位置，最后對后視鏡位置進行設計掃描分析，找到最小阻力的位置，從而得到最優的設計方案。汽車雨天行駛，需要了解雨刮的反應程度，可以對汽車進行雨水管理模擬。
噪聲處理考慮的是駕駛員跟乘員的舒適度。通過后視鏡噪聲模擬實驗，提高乘車舒適度。汽車涉水分析，通過仿真得到汽車涉水過程中冷凝器、散熱器附近的水面高度，以防止水進入進氣口。同時，通過軟件自帶的物理力學的求解器，測出涉水對汽車車底護板水沖擊力。
整車熱管理與乘員舒適性
發動機冷卻液的流動可在多種速度條件下運行。基于開放的溫控器和旁通閥有不同的流動路徑，這使得需要進行大量的模擬以完全理解冷卻液的流動。
渦輪增壓器可以幫助提高發動機的效率，同時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動機，這樣可以減少碳的排放量。熱的廢氣使得整個單元處于高熱載荷。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 整車熱管理路線圖
汽車發動機的熱管理有好幾種方法，第一種狀態是散熱器加冷凝器，中冷，風扇；第二種狀態是散熱器加冷凝器加風扇；第三種是打開前格柵，2個散熱器。實驗的仿真模擬有誤差，第一種狀態誤差是0.95%，第二種狀態誤差是0.44%，第三種狀態誤差是1.57%，我們實驗跟仿真都可以對標得很好。排列組合實驗就是車子可以按照不同的車型長度適合用不同的冷卻裝置，這些是針對發動機艙的管理。
循環工況分析就是模擬汽車駕駛時極端的驅動循環使得發動機的熱環境所經受的考驗。
以BMW-SOAk工況分析為例，模擬汽車在駕駛周期中故障，當車輛處于時停時走的路況中，熱負荷積聚，可能導致過熱或更嚴重的熱負荷問題。一旦設計結束了，問題的修復會很昂貴，但是模擬仿真可以避免這個問題。
乘員舒適度，我們根據人體舒適性模塊（TCM），進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。
動力總成系統
動力總成是汽車的心臟，把加入的汽油轉變成能量，在產生能量之外還會產生一個問題，就是二氧化碳的排放，目前節能減碳是很重要的。燃燒效率有很大部分取決于進氣道流動、滾流比、渦流比已達到快速完全燃燒。我們有一款軟件STAR-CD，可以模擬發動機缸內流動噴霧燃燒情況，借由設計探索找到最佳的進氣道方式。現在汽車尾氣排放的標準越來越嚴格，這讓大家都關注氮氧化合物的排放情況。SCR系統是柴油機發動機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，可以達到減廢量作用。動力總成系統可以模擬發動機整個噴涂的FUSION過程，傳動系統的齒輪箱模擬。
圖3 動力總成系統
新能源汽車
新能源汽車里面最重要的核件是電池包，從電池最小顆粒之間化學反應，到我們公司和電池設計LLC公司專門設計的不同電路，按照不同的放電程度，最后結合結果，應用STAR-CCM+進行模擬仿真。
新能源汽車的電池包與傳統電池包有很大區別。電池在加熱供熱充電的時候會放熱，使用過程中也會放熱，因此我們可以看成是循環使用。做充放電仿真實驗，可以準確的預測電池冷卻性能，避免過熱，找到最佳實驗跟模擬也都可以追蹤得到。
新能源汽車的電機相當于一般汽車的發動機氣缸，我們公司有一款產品——SPEED，可以模擬點擊損耗，精確的設計電機。還可以跟STAR-CCM+耦合，進行熱管理。由于傳統的物理學沒辦法做熱對流，所以結合兩款軟件，對熱處理進行仿真分析。
制造工藝及其他
汽車的制造工藝模擬需要做到這幾個方面：噴涂、鑄造、涂裝、電泳、干燥。
在鑄造過程中，希望鑄造的部件能夠百分之百被使用。利用仿真軟件對鑄件進行模擬分析，從而使澆注成品提升合格率，減少成本。
結論
仿真驅動產品優化設計及創新時代已經來臨，可以通過IT來實現；創新產品要靠數字化管理、流程自動化技術，設計探索等，以達到更快發現更有設計的目標。
本文根據作者演講內容整理而成，未經作者確認！
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本文標題：仿真驅動產品優化設計及創新：以整車及熱管理仿真分析為例
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