1 前言
CAE技術廣泛應用于傳統汽車行業，對汽車設計產生了深遠的影響。很多汽車企業把CAE分析作為新產品或重大產品驗收的一個依據，縮短了開發周期，提高了產品性能，獲得了巨大的經濟回報。面對日益嚴峻的能源危機和環境污染問題，電動汽車獲得了前所未有的發展機遇。計算機輔助設計在電動車主要零部件的研發中，同樣發揮著關鍵作用，展現出其在產品研發和制造中的潛力。電動汽車生產制造的方方面面都涉及CAE分析，分析內容包括；設計校核，優化設計，工藝性分析，質量事故分析，虛擬原型設計和問題研究等。本文在介紹仿真模擬技術在電動車結構設計領域典型應用的基礎上，以電動車主驅電機機殼組件設計為例，介紹CAE技術在組件設計上的一般應用過程。
2 CAE技術的典型應用
2.1 密封研究
電動汽車性能的提高有賴于技術進步，當前電動車發展的關鍵是其動力組成系統的發展，系統主要包括電機，控制器和電池組。
新型電動汽車對組成動力系統的零部件提出了嚴格的防護等級要求，期望其實現IP67防護等級，即完全防止灰塵進入殼內，完全防止觸及殼內帶電體或運動部分；在規定的壓力和時間下浸在水中，進水量應無有害影響。電機端蓋和外殼之間及控制器端蓋和冷卻系統之間都具有密封結構，這些密封結構的可靠性直接關系到防護等級的實現，是電機和控制器設計的重點關注環節之一。
目前，電動車驅動電機正朝著小型化，高功率密度、高可靠性等方向發展。車用驅動電機，體積越小即能量密度越高越好。電機由于能量損耗，在狹小的空間內產生了大量的熱量。液體冷卻適用于擁有高能量密度的電動車電機，可迅速將電機運行過程中由于能量損耗產生的熱量帶出電機本體。采用液冷方式的部件需要在結構上包含有密封墊或密封圈，防止冷卻液的滲漏，尤其是防止液體進入到內腔，這提高了對電機運行和維護的要求。
作為實用高效的數值分析方法，有限元分析技術在密封裝置設計中得到了廣泛應用。湯斌等人使用有限元法探討了應用在水下電機密封裝置中的O型密封圈的變形和應力，建立了車氏動密封結構的有限元模型；毛劍峰應用蠕變模型對汽輪機進汽閥U型密封開展了有限元分析，探討了蠕變和接觸應力間的關系；趙俊杰等人對鋼絲繩葫蘆電機端蓋的密封性能做出了非線性接觸分析，通過計算應力和接觸間隙研究密封墊的密封能力；范杰等人對汽車發動機控制器密封膠接強度做出了模擬計算，獲得了有效的結構設計結果。
2.2 散熱分析
汽車行業中的產品設計也越來越受散熱問題的困擾，如果在設計階段未充分考慮產品的散熱問題，產品的正常使用將會受到影響。電池組是一個儲存和釋放電能的裝置；電機是一個將電能轉化為機械能的裝置；控制器是調節能量使用的裝置。電池組和電機在能量轉化過程中不可避免地會產生能量損耗。電池組在電能和化學能相互轉換的過程中，伴有熱能的產生，電池本體成為熱源；電池組的溫度過高，會引起電池組的爆炸，成為汽車安全的隱患。電機損耗包括銅耗，鐵耗和雜質損耗；損耗是導致電機溫度升高的原因。溫度過高會引起電機性能失穩，難以實現對電機的有效控制，甚至會直接造成電機燒毀。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計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實現散熱分析的主要方法。周黎民基于電機熱流場數值計算結果，驗證結構設計的合理性；楊明國對一種永磁電機在額定功率下的溫度場做了計算，通過數值結果與實測數據的比對，說明模型的準確性；李新華基于雅閣ISG不同工況下的溫度場數值計算和試驗結果，討論了電機溫度對磁鋼和磁橋結構的影響；楊志剛等人使用計算流體力學方法對電動汽車鋰離子電池組散熱方案進行優化設計；樂智等人基于計算流體力學方法對冷卻器和功率模塊的溫度場進行了分析，并根據分析結果對水道進行了結構改進。
在傳統設計中，產品的方案往往來自于設計者的經驗。依據經驗做出的產品設計還有很大的優化空間，但可能包含有設計隱患。以電機設計為例，工程師在樣件裝配完成后，才有條件評估樣件是否達到了防護等級的要求；在整機制作出以后，方可做出對水道散熱能力的準確評估。隨著CAE技術的發展，應力分析和熱流體計算的可信度越來越高；產品的模塊化和參數化設計成為可能。在設計過程中，花費小的成本即可對多種方案做出評估和取舍。本文結合Ansys軟件中的Mechanical和Fluent模塊，以機殼組件的密封和散熱分析為例，例述CAE技術在組件設計的一般過程。
3 計算實例
汽車行業的研發實踐中出現越來越多的需要對裝配體進行分析的問題，涉及各零件的連接關系；有限元分析技術，是機械整機裝配體研究的可靠方法。電機機殼組件由前端蓋，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。螺釘連接的預緊力，使得處于端蓋和外殼間的密封墊產生彈塑性變形，實現密封的功能。建模過程中，通常忽略小的附件及零件的細微結構，如高壓互鎖開關，旋轉變壓器，線束及零件小的倒角和圓角等。
圖1 裝配體分析中機殼組件的構成
本文對比分析了電機機殼組件設計的初步方案和改進方案。圖2-a所示為機殼組件初步設計方案，有限元分析和樣件試驗顯示其密封性能不良；在初步設計的基礎上，做出了三點改進措施，形成改進方案（如圖2-b所示）：1）增加鎖緊螺釘數目，2）修改密封墊樣式，3）降低冷卻液水道高度。
圖2 a-機殼組件初步設計；b-機殼組件改進設計
3.1 裝配體結構有限元分析
3.1.1 裝配體分析載荷設置
在建立裝配體模型之后，需要對各零部件的材料，連接配合關系及邊界條件進行設置。在機殼組件中，外殼由6063鋁合金擠壓而成；面面接觸關系存在于端蓋和密封墊間及密封墊和機殼端面間。M8螺釘的預緊力選取為12000N，圖3為螺栓預緊力載荷的示意圖。在靜力分析中，為準確模擬組件在實際工況中的受力變形，在懸置端面采用固定約束的方式，這種設置與電機在電動車上的安裝方法是一致的。
圖3 機殼組件螺釘預應力載荷示意圖
圖4 密封墊應力分布（a-初始方案，b-改進方案，單位：Pa）
3.1.2 有限元分析結果和討論
圖4-a示為初始方案中的密封墊應力分布。在鎖緊螺釘附近區域，等效應力值偏大，如圖紅色區域所示；在遠離鎖緊螺釘的區域，應力值小于1.2Mpa，如圖中兩個螺釘之間的藍色區域所示。初始方案樣件的氣密性試驗顯示，藍色區域位置附近，易出現泄漏，使得組件無法通過密封測試。這與應力分析的結果是相符的，低應力值區域延伸到內徑側，表明設計中對冷卻液的密封效果不良。
改進方案相對初始方案采取了下列措施：1）在對應藍色區域附近增加鎖緊螺釘，螺釘外徑為6mm；M8螺釘的預緊力選取為12000N，M6螺釘的預緊力為7000N。2）修改了密封墊的截面形式（如圖5所示），以增加密封墊內側與端蓋及外殼的接觸壓強。密封墊內徑側相對于外徑側間有斜坡過渡，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-改進方案）
對改進方案的機殼組件，在裝配體狀態下進行靜力分析，獲取的密封墊應力分布如圖4-b所示。相對于初始方案設計，密封墊大部分區域的應力值大于1.2Mpa，小于1.2Mpa的區域面積小，并且沒有在內外側間形成連通域。
外殼及端蓋對密封墊的壓力作用，是密封墊產生應力和變形的原因。圖6-a和6-b，分別為兩種方案密封墊表面的接觸壓強分布。在6-b圖中，壓強為正值的區域基本可以連接成兩個圓周，表明密封墊可阻止外部流體介質和冷卻液進入電機內部。而初始方案設計的密封墊在兩個螺釘連接的中間位置，接觸壓強偏小。模擬結果說明，新方案設計比初始方案設計具有更好的密封性能。
圖6 密封墊表面接觸壓強分布（a-初始方案，b-改進方案，單位：Pa）
3.2 機殼組件散熱分析
3.2.1 機殼組件散熱模型建立
在電機運行情況下，冷卻液由入口通入水套中，沿通道設計路線，經由冷卻液出口流出。機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。郭軍朝等人運用流體仿真技術研究了這種水套設計方案，認為單一通道的水套設計，比多通路的水套設計具有相對小的流阻。本文中的兩種設計方案，均采用單一通道的設計方式。
圖7 機殼組件中冷卻液水路示意圖
由于電機水道不具有物理上的對稱性和周期性，需要在仿真中建立完整的三維模型。根據設計方案，對電機除電機機殼組件外的零部件進行簡化。1）將電樞簡化為一圓環體熱源，電樞外表面與外殼水道內表面重合，與實際電機中兩個表面過盈配合關系是相符的；2）電機轉子組件的熱損耗較小，可假定熱源僅為電樞，并設定其為均勻發熱體；3）電機各組件材料的熱物性在計算過程中不發生變化；4）冷卻液為不可壓流體；5）不涉及電機表面的對流換熱。在電機額定運行狀態下，電樞上的熱損耗功率為2KW，電機入口冷卻液溫度為353K（70℃），流量為12L/Min。
3.2.2 散熱分析結果與討論
在上述的工況下，電機組件的溫度場達到了穩態；圖8為兩種設計方案的機殼組件在穩態下的溫度分布。在表面區域，溫度沿流動水路方向逐漸升高，整個機殼組件的溫度未超過360K，外殼與電樞貼合的內表面溫度值最高。圖9為兩種機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，徑向方向為溫度的顯著升高方向。
冷卻液的流動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升高，使得電樞的最高溫度保持在370K以下。液體在流經冷卻水路的過程中，平均溫度升高了2.44K；單位時間內通過冷卻液帶走的熱量與電樞熱源的熱功率是一致的。在電機額定工況下，機殼組件溫度場可保持穩定狀態。
根據仿真計算，將組成機殼組件各主要零件和電樞的平均溫度列于表1中。在兩種設計方案中，冷卻液的平均溫度相差不大；前后端蓋的平均溫度在改進方案中的數值偏高，而機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方案中降低了0.38K，溫升變化幅值降低了3.3%。
圖8 穩態下機殼組件溫度分布（a-初始方案，b-改進方案，單位：K）
圖9 穩態下機殼組件和電樞截面溫度分布（a-初始方案，b-改進方案，單位：K）
改進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，電機的效率越高；并且，電機輸出扭矩偏離標準值的幅度越小，電機越容易實現高扭矩控制精度。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。以水道設計為例，水道的流阻值可以在計算結果中取得。圖10為兩種設計方案的流道內冷卻液靜壓云圖。水道流阻可由進出口的靜壓差值獲得，初始方案的水道流阻值為20.7Kpa，改進方案的流阻值為51.2Kpa，流阻值的計算結果與試驗相吻合。
表1 機殼組件主要零件平均溫度
傳統的管道沿程阻力的計算方法，無法給出準確的流阻計算結果。使用傳統方法估算方案設計中水道的流阻，估算值偏差為20Kpa。結果精度是較差的，這主要是因為估算方法以近似的冷卻液流場為依據，對直管路，管路過渡和轉接產生的流阻取經驗值，使得結果偏差較大。使用CAE設計方法準確計算出的水道流阻結果為整車冷卻系統設計提供了依據。參照冷卻系統對電機提出的性能指標，兩種方案冷卻水道的流阻均在許可范圍內。
圖10 水道內液體靜壓云圖（a-初始方案，b-改進方案，單位：Pa）
4 結論
汽車行業的高速發展和激烈競爭促使行業對CAE技術的應用提出了越來越高的要求。CAE技術使得企業在產品研發過程中，減少對經驗的依賴；依靠定性分析，解決產品設計中的大多數問題；通過優化設計，獲得性能更加優越的產品；在提升企業形象提高的同時，顯著增強了企業的技術實力。企業應充分認識到運用CAE技術的難度，建立規范的CAE分析機構和流程，處理好試驗和仿真分析結果間的關系。成功的CAE技術應用，對于制造型企業縮短研發周期，降低成本，提高產品質量具有重要意義。
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