簡單分析新能源汽車設(shè)計中的CAE仿真技術(shù)應(yīng)用

新能源汽車是由幾千個零部件組成的復(fù)雜產(chǎn)品，在仿真設(shè)計和研發(fā)過程中涉及到流體、結(jié)構(gòu)、溫度、電磁和控制等多個領(lǐng)域的復(fù)雜多物理場問題。

隨著CAE仿真技術(shù)的日趨成熟，企業(yè)完全可以將這種先進(jìn)的研發(fā)手段與傳統(tǒng)的試驗(yàn)和設(shè)計經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合，形成互補(bǔ)，從而提升研發(fā)設(shè)計能力，有效指導(dǎo)新產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計，節(jié)省產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，從而大幅度提高企業(yè)的市場競爭力。



ANSYS新能源汽車仿真設(shè)計解決方案

ANSYS仿真技術(shù)在新能源汽車設(shè)計中的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：




動力電池

動力電池是新能源汽車的三大核心技術(shù)之一，被譽(yù)為新能源汽車的心臟。按照電池的工作性質(zhì)和貯存方式，可以劃分為兩大類：蓄電池和燃料電池。

蓄電池，又稱為二次電池，即可充電電池，如鉛酸蓄電池、鎳基電池、鋰電池、空氣電池等；燃料電池，即活性材料在電池工作時才連續(xù)不斷地從外部加入電池，如氫氧燃料電池、質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池等。

ANSYS CFD數(shù)值模擬方法可以在電池單體設(shè)計、電池包熱設(shè)計等領(lǐng)域中發(fā)揮重要的作用。



發(fā)動機(jī)及進(jìn)排氣系統(tǒng)

傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)及動力總成設(shè)計過程，基于宏觀概念的經(jīng)驗(yàn)外推、在臺架上反復(fù)調(diào)試對比，以及各種“集總”參數(shù)的半經(jīng)驗(yàn)分析、試湊等方法，花費(fèi)大、周期長、適用性小。而應(yīng)用CFD技術(shù)對發(fā)動機(jī)的工作過程進(jìn)行數(shù)值模擬分析，不僅提供的信息量大，而且花費(fèi)小、周期短、適用性強(qiáng)，能夠在短時間內(nèi)進(jìn)行廣泛的變參數(shù)研究，為開發(fā)新型發(fā)動機(jī)和舊發(fā)動機(jī)性能提升提供指導(dǎo)。

目前，ANSYS CFD在這個領(lǐng)域的應(yīng)用主要集中在氣缸蓋氣道設(shè)計、進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計、氣缸內(nèi)工作過程模擬、冷卻與潤滑系統(tǒng)設(shè)計、消音器設(shè)計等方面。


進(jìn)氣閥截面上的速度矢量分布圖


左：缸內(nèi)燃油噴射過程模擬；右：缸內(nèi)噴油渦流


排氣中的碳?xì)浜偷趸餄舛确植紙D



空調(diào)系統(tǒng)及乘員艙熱舒適性

空調(diào)系統(tǒng)是汽車不可缺少的部分，好的空調(diào)系統(tǒng)不僅噪音低，制冷/制熱效果好，而且燃油消耗低，除霜除霧效果好。通過對空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬分析，可以獲得空調(diào)風(fēng)道的空氣分配情況、風(fēng)道的阻力特性、各出風(fēng)口的空氣流速等，為優(yōu)化風(fēng)道設(shè)計提供依據(jù)。通過對風(fēng)擋和側(cè)窗進(jìn)行除霜除霧分析，可以得到當(dāng)前設(shè)計的除霜除霧性能，為改進(jìn)出風(fēng)口大小及角度提高除霜除霧性能提供依據(jù)。通過對乘員艙內(nèi)的CFD分析，可以得到艙內(nèi)的流動、溫度分布情況，再進(jìn)一步進(jìn)行乘員的舒適性分析。ANSYS CFD 系列產(chǎn)品在空調(diào)系統(tǒng)方面有豐富的解決方案 。


除霜分析：不同時刻的霜層厚度分布云圖


左：除霧分析：某時刻的霧層厚度分布云圖；右：乘員艙舒適性分析：艙內(nèi)的流線圖



發(fā)動機(jī)艙熱管理

在車身前結(jié)構(gòu)設(shè)計中，發(fā)動機(jī)艙的設(shè)計非常重要，在設(shè)計時盡可能地減小發(fā)動機(jī)艙的大小，從而增加乘客艙和行李艙的容積。但是太小的發(fā)動機(jī)艙又面臨著發(fā)動機(jī)散熱困難，影響發(fā)動機(jī)性能，嚴(yán)重的會造成發(fā)動機(jī)不能正常運(yùn)行。通過發(fā)動機(jī)艙熱管理分析，可以得到發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的溫度場分布情況和空氣流動情況，設(shè)計人員可以據(jù)此合理設(shè)計發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的布局，組織空氣流路，保護(hù)重要零部件不受熱害侵蝕。



發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的流線圖及溫度分布云圖



外空氣動力學(xué)及氣動噪聲

氣動性能分析是從空氣動力學(xué)角度分析汽車動力性、經(jīng)濟(jì)性和操作穩(wěn)定性，各大汽車廠商都致力于降低空氣阻力、改善氣流升力。這也是風(fēng)洞技術(shù)最早引入汽車設(shè)計的研究方向，更是CFD數(shù)值模擬方法在汽車設(shè)計中最成熟的應(yīng)用方向。

ANSYS CFD數(shù)值模擬方法與傳統(tǒng)的風(fēng)洞試驗(yàn)相比，不再局限于測量有限個點(diǎn)處的空氣流動屬性，而是直接獲得整車附近完整空間的流動屬性，從而可以讓設(shè)計者獲知一些復(fù)雜的空氣流動現(xiàn)象，為氣動減阻、降噪等問題提供幫助，而這正是傳統(tǒng)風(fēng)洞試驗(yàn)無法詳細(xì)獲知的。


車身附近的流線圖


車身表面的壓力分布云圖及車身附近的湍流動能等值面圖



底盤設(shè)計

從整車的組成看，底盤作為整車組成的三大部分之一，是整車動力性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性等性能的基礎(chǔ)；從車身設(shè)計制造的角度來看，必須選用與其緊密匹配的底盤和發(fā)動機(jī)才能發(fā)揮其整體優(yōu)勢。因此，底盤在整車的設(shè)計中具有舉足輕重的地位。

車架強(qiáng)度分析及優(yōu)化

就載荷性質(zhì)而言，車架所受到的主要載荷為彎曲、側(cè)向載荷和縱向載荷等。彎曲載荷是由車架自身質(zhì)量和外加質(zhì)量產(chǎn)生的載荷，外加質(zhì)量包括乘車人員和貨物的質(zhì)量、底盤各總成及發(fā)動機(jī)質(zhì)量等。側(cè)向載荷是由汽車轉(zhuǎn)向時離心力產(chǎn)生作用的載荷，縱向載荷是由于汽車加速、制動時的慣性力作用產(chǎn)生的載荷。ANSYS 軟件能夠快速準(zhǔn)確的計算應(yīng)力，提高底盤設(shè)計效率，避免設(shè)計缺陷及設(shè)計更改費(fèi)用。


左：幾何模型；右：網(wǎng)絡(luò)模型


車身骨架有限元模型


縱向應(yīng)力分布

剎車設(shè)計

剎車系統(tǒng)由操控系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和助力系統(tǒng)組成，它是汽車上最主要的安全裝置之一。其整體性能對汽車的操作穩(wěn)定性及人員的安全性都有著直接的影響。剎車系統(tǒng)的設(shè)計研發(fā)主要集中在制動器、調(diào)整臂、真空助力器、閥類控制及保護(hù)等部件，在CAE分析中通常需要關(guān)注這些結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形分析、振動和噪聲分析、疲勞壽命分析、溫度場分析、熱應(yīng)力分析等。


失穩(wěn)模態(tài)振型
制動散熱性能仿真分析(F1賽車制動器)


制動器溫度場分布


制動器空氣流場分布

動力傳動系統(tǒng)

汽車動力傳動系起功率傳遞功能，基本部件均屬高強(qiáng)度部件，其包含的零部件主要有：變速箱、離合器、萬向節(jié)、主減速器、差速器、半軸、液力偶合器與液力變矩器等。接觸強(qiáng)度與接觸疲勞計算對傳動系的設(shè)計尤為重要，ANSYS有效、易用的非線性計算功能，為接觸問題的解決提供了良好的工具。
齒輪作為汽車系統(tǒng)的傳動部件，在嚙合過程中其強(qiáng)度是否滿足要求至關(guān)重要。



齒輪傳動分析

萬向節(jié)密封套起防漏油、防塵作用，工作環(huán)境惡劣。某發(fā)動機(jī)有限公司采用ANSYS軟件對萬向節(jié)密封套進(jìn)行了不同軸斜傾角下超彈橡膠材料的大變形接觸分析，完好地解決了密封套的壽命與密封性問題。


萬向節(jié)密封套大變形接觸分析

液力變矩器是以液體作為工作介質(zhì)、利用液體的動能進(jìn)行能量傳遞的裝置，涉及到強(qiáng)度、內(nèi)部流體流動、疲勞等多方面仿真計算。ANSYS軟件可以幫助解決液力變矩器在不同的工況條件下，結(jié)構(gòu)零部件的強(qiáng)度、剛度及穩(wěn)定性校核問題。


液力變矩器強(qiáng)度校核

減速機(jī)一般都會傳遞較大的功率與扭矩，因此，在各齒輪嚙合傳動的過程中，相互之間就會產(chǎn)生較大的切向力、徑向力與軸向力，這些力通過各個軸承傳遞到箱體上使箱體受力變形。以下將通過Ansys 對箱體的受力和變形情況進(jìn)行模擬。


減速機(jī)箱體強(qiáng)度模擬

安全性

安全、清潔、節(jié)能是現(xiàn)代汽車設(shè)計的三大主題。汽車安全分主動安全（防止事故）和被動安全（一旦發(fā)生事故對乘員的保護(hù)）。被動安全的重要性已經(jīng)成為行業(yè)和用戶的共識。在汽車投入市場之前，廠家對整車進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，其目的就是為了提高汽車被動安全性能。但是在產(chǎn)品開發(fā)中，如果廠家僅依靠試驗(yàn)研究進(jìn)行汽車安全設(shè)計，保證碰撞檢測合格，那么必將面臨巨大的研發(fā)費(fèi)用和時間。應(yīng)用ANSYS LS-DYNA高度非線性瞬態(tài)動力分析功能可高效仿真各型汽車以任意的速度和角度與任意的物體發(fā)生碰撞的整個歷程，能分析在發(fā)生碰撞或緊急剎車時安全帶系統(tǒng)和安全氣囊系統(tǒng)對乘員的保護(hù)情況，從而優(yōu)化安全保險裝置的設(shè)計，提高汽車的安全性能。

ANSYS LS-DYNA程序具備模擬汽車碰撞時結(jié)構(gòu)破損和乘員安全性分析的全部功能，其內(nèi)置安全帶、傳感器等單元，以及氣囊和假人模型。


乘客安全保護(hù)模擬


整車碰撞性能分析