馬 巖，王偉軍，鄭英杰，張 輝

(吉林化工學院，吉林吉林，132000)

1 新能源汽車行業(yè)背景

近年來，特別是《中國節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2012-2020)》發(fā)布以來，各地方節(jié)能與新能源汽車產業(yè)蓬勃發(fā)展，呈現(xiàn)良好發(fā)展態(tài)勢。新能源汽車將逐漸取代純油耗汽車的發(fā)展新趨勢將為我國汽車工業(yè)的跨越式發(fā)展提供了前所未有的機遇與挑戰(zhàn)。

新能源汽車研發(fā)是一個及其復雜的系統(tǒng)工程，汽車技術涉及到多種學科，例如電氣和電子工程、機械工程、汽車工程以及化學工程等。而科學技術的全面快速發(fā)展，要求汽車設計過程要盡可能的靈活、即時和低成本。未來汽車產品質量和技術水平的競爭將變得更為激烈。在激烈的市場競爭與嚴格的政策規(guī)定下，提高自主創(chuàng)新能力、實現(xiàn)轉型升級成為國內汽車廠商生存與發(fā)展的必然選擇。而CAE 仿真技術已成為汽車行業(yè)產品研發(fā)過程中不可缺少的技術手段。汽車研發(fā)工程師在研發(fā)環(huán)節(jié)引入先進的 CAE 仿真技術開展產品輔助設計與分析工作，在前期就進行快速優(yōu)化設計，以避免在產品開發(fā)的后期發(fā)生意外和問題。

作為新型產品，新能源汽車研發(fā)經驗與理論尚未成熟以前，汽車工程師利用CAE 仿真技術研究各設計參數(shù)對整車性能的影響效果以及各參數(shù)之間相互影響規(guī)律，從而在最短周期內研制出高質量、可靠穩(wěn)定的新能源汽車。因此，CAE仿真技術將在新能源汽車研發(fā)過程中將扮演著至關重要的作用。

2 CAE仿真為新能源汽車應用帶來 的便利

(1)降低產品成本。可以應用更低價的材料達到同樣的設計性能要求。

(2)產品認證。國內外企業(yè)如國軒、力神、天能、航盛電子、比克電池產品都要求提供CAE仿真報告。在提供的材料參數(shù)和工作情況完全準確的情況下，仿真的可靠性能高達90% 。

(3)縮短產品開發(fā)周期。在產品開模之前，提前發(fā)現(xiàn)并解決設計問題。無需調動工程和產線人員反復制樣，改模。應用CAE提前發(fā)現(xiàn)問題并優(yōu)化，能夠讓新產品1-2次開模便可通過設計標準，大大縮短產品研發(fā)周期，如圖1所示。

圖1 產品開發(fā)流程

(4)提高產品性能及可靠性。CAE仿真能模擬產品在未來工作環(huán)境的工作狀態(tài)和運行行為，在設計階段發(fā)現(xiàn)設計中的缺陷、并對其修改，并證實未來工程、產品性能的可行性和可靠性。

3 CAE仿真在新能源領域的應用案例

以新能源汽車為例，CAE仿真在新能源汽車研發(fā)應用領域涵蓋了機械、流體動力學、熱學、聲學、電氣和電磁等領域，主要解決電氣傳動系統(tǒng)單個部件：電池組、牽引電動機、電力電子器件等的開發(fā)問題，以及子系統(tǒng)之間的集成和電磁干擾、復雜電氣傳動系統(tǒng)的設計和研究，此外還有新能源汽車NVH特性、輕量化、安全性等性能分析優(yōu)化。

(1)電池組仿真分析

1)電池組熱管理：根據(jù)溫度場分布設計散熱系統(tǒng)；

2)電池的機械性能分析：碰撞，碾壓，針刺對電池的影響；

3)電池的電性能分析：過充/過放，大電流，充/放，外部短路對電池的影響；

4)噪聲、振動和聲振粗糙度分析：流動噪聲，結構振動；

5)結構的耐久性分析。

熱仿真模型(根據(jù)經驗在不影響仿真結果的情況下幾何模型做了一定的簡化)

圖2 熱仿真模型

注：材料的導熱率設定，如果是單一材料部件，如外殼等，根據(jù)部件所使用的實際材料的導熱率給定；如果是復合材料部件或多種材料組合的部件，而在3D模型中是通過簡化模型繪制的，則材料導熱率，按照集總參數(shù)法，根據(jù)經驗給定當量導熱系數(shù)，如電芯等。

(2)電動機仿真分析

1)電磁設計優(yōu)化：計算轉矩曲線，優(yōu)化電磁參數(shù)；

2)熱分析：設計散熱系統(tǒng)，防止熱損耗；

3)振動分析：降低電機噪聲；

4)系統(tǒng)集成：優(yōu)化電動機及控制器；

5)結構耐久性分析。

圖3 電動機仿真模型

在新能源汽車牽引電動機的研發(fā)中，設計者要重點考慮電動機的電磁問題。首先根據(jù)最初的三維圖紙及裝配體的相關工程設計指標，在電子設計軟件中定義電動機的主要設計參數(shù)，包括永磁材料、繞組分布圖、繞組匝數(shù)等，此外還要計算出電動機的電氣特性。然后將這些輸出的模型和設計數(shù)據(jù)輸入到電磁仿真軟件中，模擬電動機的三維電磁場，計算出電動機的轉矩曲線，如圖3所示。

電動機的轉矩曲線可以反映出：在電動模式驅動車輛時轉矩如何隨時間上升；在停車制動模式時電氣阻力矩如何隨時間變化。電動機電磁性能分析時，還需要引入車輛的質量以確定各種情況下的加速時間及制動時間?；谶@些輸出結果，設計者可以改變某些設計參數(shù)如永磁體的尺寸來調整設計，通過參數(shù)優(yōu)化設計，在電動機的性能與電動機的尺寸、重量、成本之間做出最優(yōu)匹配，優(yōu)選設計方案。

(3)電力電子器件仿真分析

在對新能源汽車電力電子器件進行熱分析的時候，工程師需要先通過電子電路仿真軟件建立電力電子器件系統(tǒng)仿真分析模型，通常包括控制算法器件模型、電動機器件模型、各器件模型的電力特性(如通斷電壓、電流波形等)，以及器件模型之間的控制算法邏輯。通過電子電路仿真分析軟件確定出車輛在加速、巡航和制動等過程中任意給定時刻、整個系統(tǒng)內電流的變化情況。

1)控制邏輯優(yōu)化：在不同驅動工況下，優(yōu)化電氣傳動動力集成部件及系統(tǒng)；

2)熱管理：電磁損耗散熱方式和路徑設計；

3)熱應力分析：優(yōu)化由熱應力和電磁力產生的機械形變問題。

(4)電磁兼容仿真分析

與傳統(tǒng)汽車研發(fā)不同，在新能源汽車設計中需要重點考慮大量機電器件的電磁兼容性(EMC)，避免出現(xiàn)電磁干擾。主要存在兩類電磁干擾問題：通過載流結構傳導的電磁場引起的能量反射波對其它相連部件形成潛在威脅；通過空氣輻射的電磁場影響其它電子系統(tǒng)。這兩類電磁干擾問題都必須被充分考慮，工程師必須對車輛關鍵器件進行電磁兼容分析，如圖4所示。

1)在樣機制造之前進行電磁兼容分析；

2)減少電磁兼容的測試；

3)電機、母排、控制器等部件的電磁兼容分析。

圖4 電磁兼容仿真模型

(5)汽車輕量化仿真分析

基于輕量化仿真需求，通過將材料的各項特性準確的映射到結構分析CAE模型中，可提升計算結構CAE的求解精度，提高驗證可靠性；降低產品重量，節(jié)約材料成本；降低產品厚度，加快生產效率。通過歐特克所提供的異步仿真分析，優(yōu)化傳統(tǒng)開發(fā)流程，將產品力學問題在設計階段解決。通過虛擬驗證替代試驗驗證，縮短開發(fā)周期，節(jié)約大量開發(fā)成本，降低開發(fā)風險。強大的Nastran求解器拓撲結構優(yōu)化設計功能，基于給定的約束和載荷工況，自動獲得最佳的產品幾何結構，真正實現(xiàn)以仿真驅動設計的變革，將優(yōu)化設計貫穿整個設計過程。

(6)汽車風擋聲學性能仿真分析

圖5 風擋聲學性能仿真

擋風玻璃對乘客艙內振動與聲學特性影響顯著。寶馬公司使用CAE仿真分別研究風擋的振動與隔聲性能。實驗裝置中將風擋懸掛，使用點力激勵，測量風擋的振動加速度響應。CAE仿真計算，可以完全模擬風擋三層結構：玻璃-PVB-玻璃結構，模型包含三層風擋結構以及乘客艙內部空間。CAE中可以施加擴散聲場、湍流邊界層、脈動壓力等激勵方式，獲得風擋振動響應以及車內聲場分布，如圖5所示。

(7)氣動噪聲仿真分析

圖6 空調通風仿真

CAE被汽車企業(yè)用于計算空調通風口、管道流動、換熱風扇、車身外部氣動噪聲、排氣管等氣動噪聲。車載空調對車內乘車環(huán)境有重要影響，傳統(tǒng)的通風、溫度控制等功能是汽車空調行業(yè)關注的重點。隨著發(fā)動機、輪胎、氣動等噪聲源的降低，空調噪聲對乘客艙內舒適性有越來越重要的影響。CAE仿真軟件可模擬空調通風情況，如圖6所示。

(8)整車聲學仿真分析

對高阻尼或多孔部件的模擬(這些部件一般被稱為Trim部件)。這些部件可以通過CAE在物理坐標下進行模擬，并和整體結構的模態(tài)模型進行耦合，如圖7所示。

圖7 整車聲學仿真

本田汽車整車分析中，首先對車內聲空間與車身剛體結構使用結構軟件提取模態(tài)，對于高阻尼與吸聲材料，使用物理坐標建模。CAE軟件將吸聲材料投射于車身以及車內空間模態(tài)基上，流固耦合并建立物理坐標與模態(tài)坐標的混合模型進行聲學計算。本田使用CAE計算了從發(fā)動機排氣管到乘客艙人耳位置的傳遞函數(shù)，并且針對汽車內飾與車窗進行隔聲優(yōu)化設計。

(9)內飾件聲學仿真分析

為了提高汽車的隔聲、隔振性能，車身設計中通常加入一層多孔介質材料，如玻璃棉、巖棉、地氈等。這種用于絕熱處理的材料對車輛內部隔絕外部噪音、降低振動有著重要影響。

CAE能夠建立包含內飾件的汽車部件模型或整車模型，評價內飾件隔聲、隔振效果，幫助工程師進行聲學優(yōu)化設計，如圖8所示。

圖8 內飾件聲學仿真

邊界條件對結構隔聲性能有重要影響，通常聲學軟件只能設定固支、簡支等簡化邊界條件。這樣給結構聲學性能評價帶來很大的不確定性，低頻段聲振特性更是難以取信。為了解決邊界條件定義問題，CAE軟件支持超單元應用，將整車模態(tài)信息加載于結構邊界節(jié)點上作為邊界條件，這樣計算結果更貼近真實工況。

(10)輪胎噪聲仿真分析

在干燥路面上，當汽車時速達到 100 公里時，輪胎噪聲成為整車噪聲的重要噪聲源。而在濕路面上，即使車速低，輪胎噪聲也會蓋過其它噪聲成為最主要的噪聲源。眾多輪胎企業(yè)如固特異、米其林等使用 ACTRAN 軟件進行聲學設計。輪胎振動與輪胎的剛度和阻尼有關，剛度增大(例如輪胎簾布層數(shù)目增加)，阻尼減少，輪胎的振動就會增大，噪聲也隨之增加。要降低輪胎的噪聲，胎面可采用多種花紋節(jié)距，采用高阻尼橡膠材料，調整好輪胎的負載平衡以減少自激振動等，如圖9所示。

CAE在輪胎噪聲分析應用包含以下幾方面：

1)不同輪胎紋理噪聲頻譜特性分析；

2)輪胎噪聲喇叭口效應分析；

3)低噪聲路面對輪胎噪聲影響分析；

4)輪胎噪聲耦合模型分析。

圖9 輪胎噪聲仿真

4 結論

汽車企業(yè)應用 CAE 仿真進行車型開發(fā)已有多年的歷史，積累了大量的實踐經驗，逐漸形成一套行之有效的仿真技術體系。新能源汽車的使用已經越來越受歡迎并逐漸成為社會發(fā)展的必然趨勢，迎合世界新能源汽車產業(yè)發(fā)展趨勢，以新技術研發(fā)為核心，搶占新能源汽車發(fā)展制高點，提升自主創(chuàng)新能力，是我國新能源汽車領域未來的發(fā)展方向。借助CAE仿真技術替代反復使用物理樣機試驗，工程師可以充分利用CAE仿真技術對產品進行模流、鑄造、電子散熱、聲場、連接器多方面多學科的仿真分析，更快開發(fā)出安全可靠性好、性價比高的新能源汽車產品。