仿真技術(shù)的應(yīng)用幾乎貫穿著汽車研發(fā)設(shè)計(jì)的整個(gè)流程，在現(xiàn)代汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中扮演的角色也越來(lái)越重要。特別是在試驗(yàn)樣車和工裝樣車之前，通過仿真來(lái)驗(yàn)證整車性能，并通過優(yōu)化改進(jìn)，可以幫助企業(yè)打造更加具有安全性、經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、美觀性的產(chǎn)品。有效提升研發(fā)設(shè)計(jì)效率，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，提升產(chǎn)品性能。
仿真主要分布于概念設(shè)計(jì)階段、詳細(xì)設(shè)計(jì)階段、樣車階段、投產(chǎn)階段、改進(jìn)階段。仿真作為計(jì)算機(jī)輔助工程，也只能是這幾個(gè)階段中的一部分，有仿真則必有設(shè)計(jì)，有設(shè)計(jì)則總是需要仿真來(lái)輔助，設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品需要制造，制造出來(lái)后又需要試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，因此設(shè)計(jì)-仿真-試驗(yàn)，構(gòu)成一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的回路。
一、常用的汽車仿真分析都有哪些？
常見的汽車仿真分析包括剛強(qiáng)度分析、NVH分析、疲勞耐久分析、碰撞安全分析、空氣動(dòng)力學(xué)分析。除了這五大仿真領(lǐng)域，其他常見的仿真領(lǐng)域比如多場(chǎng)耦合仿真、電池仿真、一維仿真、拓?fù)鋬?yōu)化仿真、多體動(dòng)力仿真等。今天我們一起來(lái)看看五大仿真在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用吧。
1、剛強(qiáng)度分析
汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析是保證汽車安全性、可靠性的重要指標(biāo)，因此汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析也是CAE技術(shù)在汽車工程中應(yīng)用最廣泛的方面。
汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析一般都是應(yīng)用有限元法對(duì)汽車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。由于汽車是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，大多數(shù)的分析計(jì)算都是針對(duì)汽車的某些重要部件或總成（例如車架、懸架、傳動(dòng)系等），進(jìn)行分析的內(nèi)容主要包括靜力分析、特征值分析以及瞬態(tài)動(dòng)力分析。
2、NVH分析
隨著收入水平的提高，消費(fèi)者越來(lái)越看重汽車產(chǎn)品的舒適性即NVH（噪音、振動(dòng)、平穩(wěn)）性能，因此汽車開發(fā)中也必不可少要進(jìn)行NVH分析。
NVH分析主要包括動(dòng)力系統(tǒng)NVH、車身NVH、底盤NVH三大部分，而汽車NVH分析則涉及到汽車在各級(jí)頻率的模態(tài)分析，不同路面工況激勵(lì)下的汽車振型，還有風(fēng)噪、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、輪胎噪聲等聲學(xué)研究。
3、疲勞耐久性能
疲勞耐久性能是指汽車在正常的使用條件下，各主要結(jié)構(gòu)部件在功能失效前所經(jīng)歷的時(shí)間，評(píng)價(jià)指標(biāo)為失效時(shí)的行駛里程數(shù)。
目前采用的CAE方法是利用道路試驗(yàn)所采集的載荷，計(jì)算車身及關(guān)鍵部件連接處載荷的時(shí)間歷程，用有限元方法計(jì)算單位載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變，結(jié)合材料的疲勞破壞試驗(yàn)曲線，計(jì)算車身及其他關(guān)鍵部件的疲勞壽命，從而減少道路模擬試驗(yàn)。
4、碰撞安全分析
汽車安全性分為主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性。主動(dòng)安全性是指汽車能夠識(shí)別潛在的危險(xiǎn)自動(dòng)減速，或當(dāng)突發(fā)的因素出現(xiàn)時(shí)，能夠在駕駛員的操縱下避免發(fā)生交通事故的性能；被動(dòng)安全性是指汽車發(fā)生不可避免的交通事故后，能夠?qū)噧?nèi)乘員或行人進(jìn)行保護(hù)，以免發(fā)生傷害或使傷害降低到最小程度。
使用CAE技術(shù)對(duì)汽車碰撞過程進(jìn)行仿真模擬，主要包括正碰、側(cè)碰、后碰、40％偏置碰和行人保護(hù)等方面。因碰撞屬于大變形的非線性問題，實(shí)車模擬碰撞往往試驗(yàn)成本較高，仿真模擬可以大幅度降低試驗(yàn)成本。
5、空氣動(dòng)力學(xué)分析
汽車空氣動(dòng)力學(xué)主要是應(yīng)用流體力學(xué)的知識(shí)，研究汽車行駛時(shí)，即與空氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，汽車周圍的空氣流動(dòng)情況和空氣對(duì)汽車的作用力（稱為空氣動(dòng)力），以及汽車的各種外部形狀對(duì)空氣流動(dòng)和空氣動(dòng)力的影響。此外，空氣對(duì)汽車的作用還表現(xiàn)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻、車廂里的通風(fēng)換氣、車身外表面的清潔、氣流噪聲、車身表面覆蓋件的振動(dòng)、甚至刮水器的性能等方面。
二、SIMULIA新能源汽車動(dòng)力電池仿真應(yīng)用
針對(duì)電池系統(tǒng)涉及的仿真問題，達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA具備全方位的模擬能力，包括電磁、結(jié)構(gòu)、流體、優(yōu)化、多體等學(xué)科領(lǐng)域。
Abaqus解決問題的范圍從相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析到許多復(fù)雜的非線性問題；fe-safe采用其先進(jìn)的疲勞分析技術(shù)可準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出疲勞位置和疲勞壽命次數(shù)；Isight提供了一個(gè)可視化靈活的仿真流程搭建平臺(tái)，可進(jìn)行仿真分析流程自動(dòng)化和多學(xué)科多目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化；Tosca是一個(gè)靈活的、模塊化的、非參數(shù)化的優(yōu)化工具，能提供拓?fù)?、外形、尺寸和起筋等類型的?yōu)化；CST可對(duì)線路設(shè)計(jì)、電池充電特性、電機(jī)啟動(dòng)、剎車性能、汽車無(wú)線充電、電池阻抗等問題進(jìn)行仿真；PowerFLOW可對(duì)動(dòng)力電池的熱管理問題進(jìn)行瞬態(tài)精確模擬；Simpack可用來(lái)模擬新能源車整車工程的操控性能。
達(dá)索系統(tǒng)SIMULIA在BMS的仿真應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：
1、電芯工程
鋰離子電池作為可充電的能量存儲(chǔ)設(shè)備，其性能在很大程度上取決于反復(fù)充電和放電循環(huán)的影響，導(dǎo)致電池容量隨時(shí)間的推移而退化，這一現(xiàn)象可利用Abaqus的Newman模型進(jìn)行電化學(xué)特性模擬。業(yè)內(nèi)多采用1D仿真進(jìn)行鋰電池的電化學(xué)仿真，計(jì)算效率高但是精度有限，尤其是對(duì)于未來(lái)具有顛覆性新型電池、超大尺寸電池的研發(fā)，3D電化學(xué)仿真具極其重要的意義。
Abaqus新版本基于擴(kuò)展的三維多孔電極理論 Porous Electrode Theory（PET） Newman本構(gòu)模型，利用熱-電化學(xué)-結(jié)構(gòu)多場(chǎng)耦合對(duì)電芯3D模型的熱電化學(xué)結(jié)構(gòu)特性提供定量的仿真模擬，在精度上更具優(yōu)勢(shì)，是目前市面上唯一可以進(jìn)行電芯3D電化學(xué)的專業(yè)仿真工具。
熱電損耗采用電-熱-結(jié)構(gòu)三場(chǎng)耦合分析來(lái)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電芯的溫度、電流、變形之間的耦合效應(yīng)，避免電芯變形過大造成內(nèi)部短路，引起安全事故發(fā)生。
強(qiáng)度、剛度、疲勞、安全性問題主要是模擬在極限載荷作用下，確保電芯的完整性以及安全性。降階建模主要是考慮把電芯的各項(xiàng)異性材料及復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)如何簡(jiǎn)化為材料各項(xiàng)同性、幾何結(jié)構(gòu)單一的模型，從而減小模組及電池包的模型規(guī)模，提高計(jì)算效率。以上問題可用Abaqus、isight來(lái)進(jìn)行模擬分析。
2、電池模組工程
振動(dòng)和沖擊分析、跌落分析、穿刺分析、隨機(jī)疲勞壽命預(yù)測(cè)等工況主要是考慮模組在極限載荷工況作用下，確保模組的完整性以及安全性。通過熱管理分析，可為冷卻通道與冷卻方式的方案設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
3、電池包工程
除振動(dòng)和沖擊分析、跌落分析、穿刺分析、隨機(jī)疲勞壽命、熱管理分析等工況外，還包括擠壓分析。擠壓分析主要是考慮在使用過程中，電池包受擠壓作用下是否能確保模組的安全性，防止變形過大導(dǎo)致安全事故發(fā)生。
4、整車工程
如電池包裝車后整車的操控性能分析、整車碰撞分析、穿刺分析、托底工況分析、隨機(jī)振動(dòng)疲勞壽命預(yù)測(cè)、熱管理分析等等。碰撞、托底、穿刺工況主要是考慮新能源車整車的安全性能，確保電池包的剛度、強(qiáng)度，以免造成電芯變形過大或者電池泄露引起的火災(zāi)問題。熱管理分析主要是綜合考慮電池包裝車后的性能，在不同路況、使用氣候環(huán)境、充放電策略等等因素，從而影響動(dòng)力電池的續(xù)航性能。
SIMULIA的解決方案還適用于其他多個(gè)行業(yè)，如生命科學(xué)、材料科學(xué)、造船業(yè)等?？傊?，SIMULIA的仿真工具可以幫助不同行業(yè)的用戶進(jìn)行產(chǎn)品性能預(yù)測(cè)、優(yōu)化設(shè)計(jì)、流程集成和系統(tǒng)仿真等，提高工作效率、推動(dòng)創(chuàng)新并降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。
我國(guó)工業(yè)領(lǐng)域設(shè)備規(guī)模大、更新潛力足。中國(guó)信息通信研究院院長(zhǎng)余曉暉表示，2023年末，我國(guó)規(guī)模以上工業(yè)企業(yè)資產(chǎn)已經(jīng)超過167萬(wàn)億元，多種關(guān)鍵設(shè)備保有量全球領(lǐng)先，如工業(yè)機(jī)器人保有量占全球三分之一，新增裝機(jī)量超過全球總量的一半。下期內(nèi)容《新一輪工業(yè)設(shè)備更新，或開啟四萬(wàn)億市場(chǎng)空間，工業(yè)裝備行業(yè)如何賦能？》更新，敬請(qǐng)關(guān)注。
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撰稿：成都恒睿
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