1、 汽车与新能源车行业汽车与新能源车行业 CAE 技术应用技术应用 解决方案解决方案 2017 年年 2 目目 录录 1 新能源汽车行业背景新能源汽车行业背景.4 2 新能源汽车研发中面临的主要挑战新能源汽车研发中面临的主要挑战.5 2.1 电动机.5 2.2 电力电子器件.5 2.3 电磁兼容.6 2.4 NVH 性能.6 2.5 安全性.7 2.6 汽车轻量化.7 3 CAE 技术在新能源汽车研发中的应用技术在新能源汽车研发中的应用.7 3.1 汽车工业 CAE 应用分类.7 3.1.1结构强度、刚度和模态分析及结构优化设计.8 3.1.2噪声、振动与不平顺性(NVH)分.8 3.1.3疲劳2、寿命与可靠性分析.8 3.1.4碰撞与安全性分析.8 3.1.5气动或流场分析.8 3.1.6汽车的可操纵性分析.9 3.1.7整车性能的分析评价与预测.9 3.2 新能源汽车 CAE 独特应用.9 3.2.1电池组仿真分析.9 3.2.2电动机仿真分析.11 3.2.3电力电子器件仿真分析.12 3.2.4电磁兼容仿真分析.12 3.2.5多物理场的系统集成仿真分析.13 4 新能源汽车仿真分析主要解决方案新能源汽车仿真分析主要解决方案.13 4.1 FLOEFD（通用流体）.14 4.1.1软件简介.14 4.1.2应用解决方案.15 4.2 FLOTHERM（电子电路热设计）.18 4.3、2.1软件简介.18 4.2.2电子器件应用解决方案.18 4.3 STAR-CCM+（通用流体）.19 3 4.3.1软件简介.19 4.3.2应用解决方案.19 4.4 ANSYS（结构+流体+电磁）.20 4.4.1软件简介.20 4.4.2应用解决方案.21 4.5 FLOWMASTER（一维汽车热管理系统）.22 4.5.1软件简介.22 4.5.2应用解决方案.23 4.6 AMESIM（一维液压、机电、电气）.25 4.6.1软件简介.25 4.6.2应用解决方案.25 4.7 ACTRAN（通用噪声）.27 4.7.1软件简介.27 4.7.2应用方案.28 4.8 PUMPL4、INX（专业旋转机械）.32 4.8.1软件简介.32 4.8.2应用解决方案.32 4.9 ADVISOR（汽车动力性能）.35 4.9.1软件简介.35 4.9.2动力应用解决方案.35 4.10 INFOLYTICA（专用电磁电机）.36 4.10.1软件简介.36 4.10.2电机应用解决方案.36 4.11MSC（结构、机械动力、碰撞）.37 4.11.1软件简介.37 4.11.2应用解决方案.37 5 小结小结.39 附录：汽车行业常用附录：汽车行业常用 CAE 软件列表软件列表.40 1 新能源汽车行业背景 中国汽车产业经过半个多世纪的努力，已形成完整的工业体系。随着社会经济水5、平的不断发展，汽车产销量已跃居成世界首位并且保有量每年快速增长，由此带来的环境和能源问题日益突出。如全国各地持续出现的雾霾天气。在汽车行业，以节能和环保为主题的新能源汽车在全球范围内得到普遍重视与广泛发展，新能源汽车是国务院确定的重要战略性新兴产业，是我国最具发展潜力的重要领域之一。近年来，特别是 中国节能与新能源汽车产业发展规划（20122020）发布以来，各地方节能与新能源汽车产业蓬勃发展，呈现良好发展态势。新能源汽车将逐渐取代纯油耗汽车的发展新趋势将为我国汽车工业的跨越式发展提供了前所未有的机遇与挑战。新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源（或使用常规的车用燃料、采用新型车载动力6、装置），综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进、具有新技术、新结构的汽车。主要包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车、太阳能电池汽车，以及生物燃料汽车和其它燃气汽车等。新能源汽车研发是一个及其复杂的系统工程，汽车技术涉及到多种学科，例如电气和电子工程、机械工程、汽车工程以及化学工程等。而科学技术的全面快速发展，要求汽车设计过程要尽可能的灵活、即时和低成本。未来汽车产品质量和技术水平的竞争将变得更为激烈。在激烈的市场竞争与严格的政策规定下，提高自主创新能力、实现转型升级成为国内汽车厂商生存与发展的必然选择。而CAE 仿真技术已成为汽车行业产品研发过程中不可缺少的技术手段。7、汽车工程师在研发环节引入先进的 CAE 仿真技术开展产品辅助设计与分析工作，来替代传统的反复使用物理样机验证方法，帮助工程师在汽车物理样机制造之前，就能够有效地评估多个供选方案，进行许多假设分析研究，预测车辆在实际驾驶情况下的性能，在前期就进行快速优化设计，以避免在产品开发的后期发生意外和问题。作为新型产品，新能源汽车研发经验与理论尚未成熟以前，汽车工程师利用CAE 仿真技术研究各设计参数对整车性能的影响效果以及各参数之间相互影响规律，从而在最短周期内研制出高质量、可靠稳定的新能源汽车。因此，CAE仿真技术将在新能源汽车研发过程中将扮演着至关重要的作用。5 2 新能源汽车研发中面临的主要挑战 8、由于与传统汽车在结构和工作原理上有巨大区别，在新能源汽车的设计研发环节，汽车工程师面临着诸多挑战，关键部件包括动力电池组、牵引电动机及发电机、功率电子器件等，除了这些关键部件的设计中涉及到复杂的物理问题之外，还存在系统集成时电磁部件之间的电磁兼容/电磁干扰等问题。汽车 NVH 性能、轻量化、安全性研究也是新能源汽车研发时必须考虑的因素。2.1 电动机 电动机是新能源汽车驱动系统中必不可少的部分，它决定了将多少蓄电池的电能转化为机械能来驱动车辆运行，消费者都期望汽车具有高燃油效率，它在很大程度上影响了消费者的购买决策。而电动机工作效率与其电磁特性密切相关，因此研究电磁问题、设计出高效率的电动机是9、新能源汽车电气传动系统研发最重要的挑战之一。此外，混合动力和纯电动汽车所用的牵引电动机可能面临非常严苛的工作环境，电动机持续工作在极端温度条件、剧烈振动、大工作循环及崎岖路面条件下。在混合动力汽车中，电动机还受发动机产生的高温影响。这些因素要求电动机必须具有很高的可靠性和安全性。2.2 电力电子器件 在新能源汽车的电气传动系统中，电力电子器件精确地控制着蓄电池与牵引电动机、发电机之间的能量传输，并根据路况和驾驶员指令做出逻辑判断来调节电气传动系统。电力电子器件根据传感器监测到的位置、速度、温度等反馈信号，严格控制着蓄电池提供给牵引电动机的电能，为了保证汽车在各种驾驶条件下都能以最高效率工作，电10、力电子系统必须具备良好的性能。与电池组一样，热管理也是新能源汽车电力电子设计所关注的一个主要问题。由电气传动系统传递到车轮和再生制动充入电池的所有能量都需要通过电力电子器件完成，因此即使电子器件极微小的功率损失也能产生大量的热。不同工作 6 环境下，电力电子系统中产生的热量都需要严格控制并做好散热，避免电子元器件及其周边部件的热损坏。这需要对电力电子器件中的电磁损耗做精确计算并研究出相关的散热方式。为了确保最有效的冷却，还要根据电力电子系统具体情况进行散热路径设计。除了热管理，新能源汽车中电力电子控制逻辑也是需要严格设计的，在不同的驱动工况下对电气传动动力集成部件及系统进行优化 2.3 电磁兼11、容 电磁兼容性是指设备或者系统在其电磁环境中能正常工作，而且不对该环境中其它任何事物构成不能承受的电磁骚扰。新能源汽车中应用了高压和大电流的大功率电子变换装置和驱动电机，而且车上的电子电气设备繁多，设备的电磁敏感度也各不相同，整个车辆处于很复杂的电磁环境中。因此在新能源汽车中，各种电气元件之间的电磁兼容性就成为一个重要的问题，如果不解决这些问题，电磁干扰就会破坏信号传递和检测并影响电动机正常工作，甚至引发安全问题。为达到电磁兼容性的设计要求，要分析各种电磁干扰源，确定干扰路径和耦合方式，然后根据具体情况采取有效的抑制干扰、消除干扰的措施。必须通过电磁学分析来仔细研究电气元件之间的电磁干扰影响，12、在电气传动系统逻辑控制中也要考虑。这就需要全面地研究电动机及其周围电磁部件内和周边的电磁场，这些部件在工作时又是相互连通、耦合的，这对电磁兼容性分析、解决电磁干扰问题提出了更高的要求 2.4 NVH 性能 随着收入水平的提高，消费者越来越看重汽车 NVH 性能指标（噪音 Noise、振动 Vibration、平稳 Harshness 三项，即乘坐“舒适感”），而对于新能源汽车而言，由于其内部布置、动力总成的结构与振动特性与传统汽车完全不同，不能通过已有经验和方法来研究其动力总成和底盘悬架的振动特性对 NVH 性能的影响。在噪音优化方面，还需要分析电池组中电液流动噪声、驱动电机和发电机的转动和振13、动噪声。7 2.5 安全性 安全性是汽车研发中不得不考虑的问题，新能源汽车的安全性同样备受关注。但是在新能源汽车的安全性指标上，除了要满足常规的安全碰撞标准之外，还要考虑可能发生的电池燃烧、高压漏电、电磁干扰带来的安全隐患。传统汽车使用的电池电压只有几十伏，而混合动力汽车或纯电动汽车所用电池电压少则100多伏，多则300多伏，一旦发生漏电对人体的伤害将是致命的。电磁干扰可能导致汽车操控系统失灵，电池燃烧也会导致爆炸，这些都给汽车安全分析提出了更高的要求。2.6 汽车轻量化 轻量化一直是汽车研发中重要的一点，可以提升汽车动力性能和操控性、减少能源消耗和排放物。对于新能源汽车更是如此，降低车重对于14、延长昂贵的蓄电池组使用寿命、提高能源转换效率有着重大意义。然而受制于蓄电池的高质量密度，新能源汽车的轻量化工作也具有一定难度。3 CAE 技术在新能源汽车研发中的应用 CAE 分析贯穿了汽车开发的全过程，小到螺栓预紧力分析，大到整车碰撞模拟和整车 NVH（噪声、振动和声振粗糙度）分析，CAE 分析都发挥了无可替代的优势和作用。CAE 分析范围覆盖了结构、流体力学、多体动力学、被动安全、工艺、整机合整车性能等方方面面。新能源汽车研发中的 CAE 仿真技术应用既具有延续性也有其独特性。3.1 汽车工业 CAE 应用分类 概括起来，目前汽车开发过程中的 CAE 分析主要包括：8 3.1.1 结构强度15、刚度和模态分析及结构优化设计 汽车结构有限元分析的应用体现于：一是在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、强度和稳定性进行分析；二是在汽车的计算机辅助设计和优化设计中，用有限元法作为结构分析的工具；三是在汽车结构分析中普遍采用有限元法来进行各构件的模态分析，同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振动模态，进一步计算出各构件的动态响应，较真实地描绘出动态过程，为结构的动态设计了提供方便。3.1.2 噪声、振动与不平顺性(NVH)分析 有限元法除了广泛应用于汽车结构分析外，还可应用于车身内的声学设计，通过车身内声模态与整机模态的耦合，评价乘员感受的噪声，并进行噪声控制。3.1.3 疲16、劳寿命与可靠性分析 汽车产品设计已进入有限寿命设计阶段，要求汽车在设计的使用期内整车和零部件完好，不产生疲劳破坏；而达到使用期后，零部件尽可能多地达到损伤。以求产品轻量化，节约材料和节省能源。3.1.4 碰撞与安全性分析 汽车模拟碰撞分析的目的就是为了提高汽车被动安全性能。对于汽车被动安全性能的要求，一是在碰撞时，车身结构、驾驶系统、座位等能吸收较高能量，缓和冲击；二是发生事故时，确保车内乘员生存空间、安全气囊、座椅安全带等对乘员的保护功能，以保证乘员安全并在碰撞后容易进行车外救助和脱险。3.1.5 气动或流场分析 随着计算机技术的飞速发展，应用计算流体力学(CFD)方法来预测汽车车身外部流场17、已成为可能。CFD 在汽车领域中的绝大部分应用都集中于进行汽车外流场的数值模拟。在内燃机的设计和开发中，CFD 已经被作为一种重要而有效 9 的工具加以利用。3.1.6 汽车的可操纵性分析 车辆的可操纵性分析是指利用整车多体动力学模型，在驾驶人员采用不同驾驶方法的情况下，对车辆的侧倾稳定性进行仿真研究，还可以预测车辆在各种极限条件下的性能。3.1.7 整车性能的分析评价与预测 从整体的角度对汽车的各种性能进行分析和预测，包括汽车的空气动力学特性、声学特性、振动特性、操纵稳定性、乘坐舒适性、碰撞安全性等。3.2 新能源汽车 CAE 独特应用 用于新能源汽车的 CAE 技术涵盖了机械、流体动力学、18、热学、电气和电磁等领域，主要解决电气传动系统单个部件：电池组、牵引电动机、电力电子器件等的开发问题，以及子系统之间的集成和电磁干扰、复杂电气传动系统的设计和研究，此外还有新能源汽车 NVH 特性、轻量化、安全性等性能分析优化。3.2.1 电池组仿真分析 新能源汽车及其他设备所使用的电池主要分为化学电池、物理电池以及生物电池三大类，由于技术限制现阶段物理电池和生物电池并不能广泛使用，所以目前新能源汽车主要用的是铅酸蓄电池、镍氢电池及锂离子电池等。就像内燃机车对发动机有各种要求，新能源汽车对电池组也有着苛刻的性能要求，包括安全性、稳定性、成本、充放电效率、比功率、比能量等，这些直接关系到新能源车在19、电动驱动上的表现。电池组热管理：根据温度场分布设计散热系统 电池的机械性能分析：碰撞，碾压，针刺对电池的影响 电池的电性能分析：过充/过放，大电流，充/放，外部短路对电池的影响 10 噪声、振动和声振粗糙度分析：流动噪声，结构振动 结构的耐久性分析 影响电池组在这些性能的一个最大因素就是温度，化学电池只有在一定温度范围内工作，才能保证其性能和寿命，而电池组在充、放电的时候会产生热量，电池组周围其他汽车部件工作时也会产生热量，这时候需要建立电池组热管理系统，来准确测量和监控电池组温度，在电池组温度过高时有效散热和冷却，保证电池组温度场的均匀分布在最优工作温度范围内。在电池组热管理系统中，合理的冷20、却方式和散热结构显得尤为重要。对圆柱形电池单体通常采用风冷策略，结合电池组外壳的形状设计形成足够的气流以实现最佳的冷却。对矩形电池单体，冷却一般通过与电池单体相接触的热交换器中液体循环来实现。散热结构设计的传统方法是试验结合理论式，来推导出最佳散热结构。传统方法效率低，且局限于较简单的电池组结构。引入 CAE 技术之后，可以建立虚拟的电池组和散热通道的三维模型，在此基础上分析散热效果并对不同方案进行对比和优化，取代了试验方法，大大提高了设计效率。针对电池组的散热结构设计以及设计方案评估优化，首先要根据电池电极反应及生热原理得到电池生热量计算公式，由传热学的质量、动量和能量守恒定律建立电池组三维21、非稳态散热模型。针对模型的热源加载方式目前主要有两种，将热源加载到电池组内部或直接加载到整个电池组区域。然后利用计算流体力学（CFD）工具，对电池组的温度场进行数值模拟，模拟结果可以反应电池组表面及周围的温度场分布信息。根据不同方案的温度场分布信息找出最优散热系统，还可以继续进行电池组散热系统最优模型的稳态和瞬态仿真分析，进一步优化。在研究过充、大电流充/放电、外部短路或其它电路问题对电池性能、稳定性的影响时，优秀的 CAE 软件也能将涉及流体动力学和机械的三维物理模型无缝集成到控制电路中进行联合仿真。结构力学分析软件可用于评估电池组结构的完整性，分析电池组因不同的安装位置影响其所受各种应力，22、是否可能导致结构破坏，以及如碰撞和异物穿透电池等事故造成的电池组结构问题，以防止电液溢出以及可能造成的热失控与电池爆炸。同样还能分析研究电池组的振动、耐久性和疲劳寿命等。11 3.2.2 电动机仿真分析 主要为以下几个方面：电磁设计优化：计算转矩曲线，优化电磁参数 热分析：设计散热系统，防止热损耗 振动分析：降低电机噪声 系统集成：优化电动机及控制器 结构耐久性分析 在新能源汽车牵引电动机的研发中，设计者要重点考虑电动机的电磁问题。首先根据最初的三维图纸及装配体的相关工程设计指标，在电子设计软件中定义电动机的主要设计参数，包括永磁材料、绕组分布图、绕组匝数等，此外还要计算出电动机的电气特性。然23、后将这些输出的模型和设计数据输入到电磁仿真软件中，模拟电动机的三维电磁场，计算出电动机的转矩曲线。电动机的转矩曲线可以反映出：在电动模式驱动车辆时转矩如何随时间上升；在停车制动模式时电气阻力矩如何随时间变化。电动机电磁性能分析时，还需要引入车辆的质量以确定各种情况下的加速时间及制动时间。基于这些输出结果，设计者可以改变某些设计参数如永磁体的尺寸来调整设计，通过参数优化设计，在电动机的性能与电动机的尺寸、重量、成本之间做出最优匹配，优选设计方案。电磁仿真输出的转矩可进一步输入到结构力学软件中，用于分析电气传动系统中其它部件包括驱动轴、齿轮等的应力、载荷、变形及振动。以电动机为主的驱动系统是新能源24、汽车的主要噪声源，为了进行噪声优化，驱动系统的振动分析也非常重要。此外，流体动力学可用于研究电动机的热管理问题，以确定电动机周围的热分布，优化热损耗问题。在进行电动机仿真分析的时候，要同时兼顾电磁和机械分析的多物理场，还要考虑两者之间的耦合，在不同载荷情况的性能计算和不同设计方案比较时，要协调多个工具的动作，在不同工具之间交换数据。这要求仿真工具具有多物理场联合仿真的能力，能够在一个统一的环境中实现针对机电系统不同部件、不同学科之间的耦合仿真。12 3.2.3 电力电子器件仿真分析 在对新能源汽车电力电子器件进行热分析的时候，工程师需要先通过电子电路仿真软件建立电力电子器件系统仿真分析模型，通25、常包括控制算法器件模型、电动机器件模型、各器件模型的电力特性（如通断电压、电流波形等），以及器件模型之间的控制算法逻辑。通过电子电路仿真分析软件确定出车辆在加速、巡航和制动等过程中任意给定时刻、整个系统内电流的变化情况。控制逻辑优化：在不同驱动工况下，优化电气传动动力集成部件及系统 热管理：电磁损耗散热方式和路径设计 热应力分析：优化由热应力和电磁力产生的机械形变问题 利用电子热流分析工具，工程师可以指定电气传动系统中主要热源（电子控制器件和电机的载流部件）的几何尺寸，通过单独添加系统中关键点上的每个热源，同时还考虑空气流通量和传导热量的影响，以及参数化分析，可处理数据并生成等效热模型，用于热26、分析。利用这些热模型可确定电力电子器件整体温度分布以及温升性能参数，例如：从电池获得多少电能才能保证温度不超过影响某电子器件性能的限定值。根据温度分布，工程师可以利用有限元软件的热-结构耦合分析功能，确定由此产生的热应力。电子设计分析工具还可用于计算电动机各部分上的电磁力，从而确定形变量和机械应力分布。由此，工程师可以通过修改结构，消除应力集中和过度变形，或者反之，减少那些由于过度设计而额外使用多余材料的区域。3.2.4 电磁兼容仿真分析 与传统汽车研发不同，在新能源汽车设计中需要重点考虑大量机电器件的电磁兼容性（EMC），避免出现电磁干扰。主要存在两类电磁干扰问题：通过载流结构传导的电磁场引27、起的能量反射波对其它相连部件形成潜在威胁；通过空气辐射的电磁场影响其它电子系统。这两类电磁干扰问题都必须被充分考虑，工程师必须对车辆关键器件进行电磁兼容分析。在样机制造之前进行电磁兼容分析 减少电磁兼容的测试 13 电机、母排、控制器等部件的电磁兼容分析 为了精确分析器件的电磁兼容性能，工程师首先要建立电路模型。供应商提供的数据手册中有器件性能曲线和数据，从中提取出需要的参数来生成器件的半导体电路模型。为了进行传导干扰分析，工程师需要将功率变换器的设计版图从CAD 软件直接导入到寄生参数提取软件中，从而计算导电通路的频变电阻、部分电感和电容，并生成等效电路模型以备系统仿真使用。系统仿真的结果可28、用于检验辐射水平，工程师通过计算空间任意点上的电磁场强度以判断是否符合国内外相关标准。如果辐射超标，电磁干扰和电磁兼容可溯源到器件设计版图上的问题源。由此，对设计做出参数更改，并获得一系列仿真结果，直到传导辐射和辐射电磁发射等级都在可接受的限值之内。这样就能在样机制造之前保证新能源汽车部件间的电磁兼容性符合要求，避免出现电磁干扰问题，也取代了成本较高的电磁兼容测试。3.2.5 多物理场的系统集成仿真分析 在新能源汽车研发设计中，除了要解决电池组、电动机、电力电子等部件的问题之外，系统集成也是一个完整可靠的电气传动系统中至关重要的部分，必须考虑每个部件独有的特征、属性、强度和其它复杂因素等，以确29、保整个电气传动系统在宽负载范围内及各种行驶条件下都能获得最高的整体效率。由于子系统和部件协同工作，紧密耦合，它们的开发也不能完全独立地进行，而且每个子系统性能的改变都必须与其它所有子系统相匹配。同时整个系统涉及机械、流体动力学、热学、电气和电磁等领域的研究，因此为了成功地仿真如此复杂的电气传动系统，仿真方案必须建立在一个可实现多物理场、无缝集成的设计平台上，来平衡复杂的、相互依赖的、或相互矛盾的机械、电气、电磁、流体和热管理等多种设计需求。4 新能源汽车仿真分析主要解决方案 由于与传统汽车在结构和工作原理上有巨大区别，此处仅针对新能源汽车研发，列举的仿真分析解决方案主要涉及电池组热管理和电化学30、模拟、电动机和电 14 子器件模拟、电磁场分析、电机驱动控制系统等领域。综合新能源汽车设计问题与市场主流商业仿真软件的功能特点，本节按照不同类别产品列出仿真分析解决方案。4.1 FloEFD（通用流体）4.1.1 软件简介 同步 CFD 模拟软件 FloEFD 是一款完全嵌入在 CAD 环境中的三维 CFD 软件，能与 CREO、CATIA、NX、SolidWorks 以及其他主流 MCAD 系统集成。此外还可自动识别流体计算域，在 MCAD 环境下完成分析工作，大大提高效率。在汽车工业中，工程师就已使用 FloEFD 软件设计下列产品和工艺，其中包括：燃料喷射器、散热器、催化转换器、排气和排31、放控制系统、歧管、阀门、喷嘴、水泵和各种液压系统 通风罩下气流和散热管理 乘客舒适度和环境控制系统 水套、发动机机体和气缸内的冷却液流量 电子冷却系统，制动系统，动力传动元件和头灯等 热交换器和散热器的性能 通过过滤器的流量和压力降 燃料电池性能 整个车辆或诸如后视镜、挡风玻璃刮水器、扰流器等部件的空气动力性 15 4.1.2 应用解决方案 1)电池组热分析电池组热分析 电池组热分析通常重点考虑电池包风道的不同布置，对电池包散热系统的影响。同侧风道方案是指电池模组顺序排列配置在电池箱体内，外部进入的冷却气流从电池包一侧进入，通过内部风道进入电池模组之间的缝隙，最后在与进风道同侧位置的出风道处将32、气体排出。异侧风道方案是指电池模组顺序排列配置在电池箱体内，外部进入的冷却气流从电池包一侧，通过内部风道进入电池模组之间的缝隙，最后在与进风道相反方向位置的出风道处将气体排出。16 同侧进出风道方案，空气从进气管进入到电池组底部，到达右方后回流至左侧，这种回流现象将导致热循环，不利于电池上下部散热。相对于同侧进出风道方案，异侧进出风道方案气流从左侧进口进入到电池组底部，直接到达右方，能够减小电池热循环程度，有利于降低电池上部的最高温度；异侧进出风道底部流场流速分布更加均匀。结合1D Flowmaster和 3D FloEFD可以对电动汽车电池组热管理复杂系统开展设计分析。在部件级层次，FloE33、FD 用于研究分析热管理系统详细的流动和换热行为，确保电池组工作性能可靠。识别任何不可接受的设计，如不合理的流动布置或极端的温度梯度。在系统层次，结合 Flowmaster 模拟整个电池冷却系统，分析部件的相互影响，确保正确的系统性能。在早期 CAD 设计过程中同步使用FloEFD 仿真，相比传统 CFD 工具，模拟时间可以大大减少。进一步结合使用Flowmaster，系统工程师可以在有限的开发时间内获得最佳设计效率。17 2)IGBT 模组热分析模组热分析 IGBT 可以在上百安培的电流下运行并扮演极高开关速率的电子开关的角色。因此它也会产生大量的热量。利用 FloEFD 和 T3Ster 34、热测试仪进行功率模块的热特性优化。FloEFD 用于设计前的热分析与评估。T3Ster 使工程师可以了解散热路径的内部信息，结构函数清晰的给出了每一部分的热阻，并且在耐久性测试之前和之后都可以进行测试来比较散热的特性。18 4.2 FloTHERM（电子电路热设计）4.2.1 软件简介 FloTHERM 作为全球第一款专门针对电子器件/设备热设计而开发的仿真软件，可以实现从元器件级、PCB 板和模块级、系统级到环境级的热分析。FloTHERM 软件自 1989 年推出以来就一直居于市场领导地位（市场占有率高达 70%）并引领该行业的技术发展。其研发人员是全球最早开始研究 CFD 理论的科研人员35、，也是最早一批将传统的 CFD 仿真技术工程化的技术先驱。4.2.2 电子器件应用解决方案 FloTHERM 提供元器件到板级到系统级的完整解决方案。FloTHERM 软件是全球第一个专业为电子散热应用开发的 CFD 软件，根据第三方公布的统计数据，目前拥有全球超过 70%的市场份额，目前，FloTHERM 软件不单纯是一个仿真软件，更是为散热工程师进行热方案设计和数据交换的一个强大数据库，包括风扇、滤网、散热器、热管、电容器、电源模块、材料（各种金属与非金属、特殊导热材料等）、芯片模型等；开放的数据库可以导入，也可以输出，可以由用户自已建立企业平台的公用数据库。19 4.3 STAR-CCM36、+（通用流体）4.3.1 软件简介 STAR-CCM+是 CD-adapco 公司采用最先进的连续介质力学数值技术（computational continuum mechanics algorithms）开发的新一代通用 CFD 求解器，在国内汽车行业得到普遍应用，主要用于汽车外流场及发动机舱热环境分析。4.3.2 应用解决方案 1)电池电池组组模拟模拟 STAR-CCM+广泛应用于汽车工业的 CFD 分析中，针对电动汽车电池模拟也开发出了专门的应用模块。电池模拟 STAR-CCM+的电池建模技术将 STAR-CCM+的热流模拟与电池设计工具 Battery Design Studio（BD37、S）相结合，以进行电池分析。BDS 设计开发用于为单电池电化学系统和详细几何形状的分析和设计提供模拟环境。为用户提供三个电池性能模型，加强了与当代电池设计相关的重大发展成果，如多种活性材料与粒径。BDS 通过其整合环境为其用户提供更快的电池设计流程以及连接材料供应商、电池设计方和电池用户的标准平台。STAR-CCM+电池模拟模块(BSM)通过将 BDS 电化学求解器与 STAR-CCM+流场&热场求解器相结合，STAR-CCM+BSM 可以在多个长度标尺上计算锂离子电池的 3D 热学性能、流体性能和电化学性能，从电池内的有限体积/e-cell 到整个电池组，包括热导部件如高充电/放电率的金属连38、接件。这一点可以通过紧密耦合的 3D 模拟来实现，该模拟将电化学和热性能还原至电极和电池上。电池的内部结构被考虑在内，不需要独立解决所有电池层，以保持计算量与适当细节之间的平衡。2)电机模拟电机模拟 因为过多的热载荷会制约电子设备最大性能的发挥，并大幅增加系统的能源足迹，所以组件和系统温度控制仍然是电子系统设计所面临的最重大的一项挑战。STAR-CCM+与电机设计工具 SPEED 相结合，可作为创建电机虚拟样机的一体化工具，具有综合流体动力学和热传递模拟技术的优势。SPEED 基于电机深层 20 次理论进行高效计算，还能够向 STAR-CCM+提供几何形状和热负载，从而对电气设备进行全面的流体39、与热分析。STAR-CCM+拥有一个矢量磁位（Magnetic Vector Potential）求解器，能够在稳态和瞬态模式下工作，并与电磁问题的电势求解器耦合。如果结合现有模型，即流体流动、热传递和结构力学，该项功能将可以实现在同一个模型中完成电机、热和结构分析，这可以让分析工程师能够以可视化形式呈现电机的全面性能。4.4 ANSYS（结构+流体+电磁）4.4.1 软件简介 ANSYS 软件是美国 ANSYS 公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。分析计算模块如下：1)结构静力分析结构静力分析 用来求解外载荷引起的位40、移、应力和力。静力分析很适合求解惯性和阻尼对结构的影响并不显著的问题。ANSYS 程序中的静力分析不仅可以进行线性分析，而且也可以进行非线性分析，如塑性、蠕变、膨胀、大变形、大应变及接触分析。2)结构动力学分析结构动力学分析 结构动力学分析用来求解随时间变化的载荷对结构或部件的影响。与静力分析不同，动力分析要考虑随时间变化的力载荷以及它对阻尼和惯性的影响。ANSYS 可进行的结构动力学分析类型包括：瞬态动力学分析、模态分析、谐波响应分析及随机振动响应分析。3)结构非线性分析结构非线性分析 结构非线性导致结构或部件的响应随外载荷不成比例变化。ANSYS 程序可求解静态和瞬态非线性问题，包括材料非41、线性、几何非线性和单元非线性三种。4)动力学分析动力学分析 ANSYS 程序可以分析大型三维柔体运动。当运动的积累影响起主要作用时，可使用这些功能分析复杂结构在空间中的运动特性，并确定结构中由此产生的应力、应变和变形。21 5)热分析热分析 程序可处理热传递的三种基本类型：传导、对流和辐射。热传递的三种类型均可进行稳态和瞬态、线性和非线性分析。热分析还具有可以模拟材料固化和熔解过程的相变分析能力以及模拟热与结构应力之间的热结构耦合分析能力。6)电磁场分析电磁场分析 主要用于电磁场问题的分析，如电感、电容、磁通量密度、涡流、电场分布、磁力线分布、力、运动效应、电路和能量损失等。还可用于螺线管、调42、节器、发电机、变换器、磁体、加速器、电解槽及无损检测装置等的设计和分析领域。7)流体动力学分析流体动力学分析 ANSYS 流体单元能进行流体动力学分析，分析类型可以为瞬态或稳态。分析结果可以是每个节点的压力和通过每个单元的流率。并且可以利用后处理功能产生压力、流率和温度分布的图形显示。另外，还可以使用三维表面效应单元和热流管单元模拟结构的流体绕流并包括对流换热效应。8)声场分析声场分析 程序的声学功能用来研究在含有流体的介质中声波的传播，或分析浸在流体中的固体结构的动态特性。这些功能可用来确定音响话筒的频率响应，研究音乐大厅的声场强度分布，或预测水对振动船体的阻尼效应。9)压电分析压电分析 用43、于分析二维或三维结构对 AC（交流）、DC（直流）或任意随时间变化的电流或机械载荷的响应。这种分析类型可用于换热器、振荡器、谐振器、麦克风等部件及其它电子设备的结构动态性能分析。可进行四种类型的分析：静态分析、模态分析、谐波响应分析、瞬态响应分析。4.4.2 应用解决方案 1)电池组热分析电池组热分析 在解决电池热组管理问题上，可以采用 ANSYS 的计算流体力学软件FLUENT 去检查电化学，研发先进的电池冷却方案。其他热管理应用需要 ANSYS的 Icepak 技术，该软件可用于封装、电路板及系统级 CFD 模拟，包括自然对流、强制对流和辐射传热。产品开发人员可以在模拟中并入封装或电路基板44、的焦耳热 22 现象。并入焦耳热有两种方式：或者可以通过 CFD 求解器内的近似计算，或者通过转换配电数据，其中配电数据是通过功率和信号完整性的 ANSYS 工具SIwave 模拟计算而得到的。2)结构和结构热分析结构和结构热分析 对于机械和热模拟，ANSYS 软件提供了一个进行结构综合分析的解决方案，包括 ANSYS 机械、机械可靠性分析和应力分析的结构程序包，该套件包含了一套完整的非线性及线性单元和一系列有限元性能和材料定义，ANSYS 的疲劳软件可用于模拟产品在预期循环加载条件下以及在产品预计的寿命范围内的性能。ANSYS 软件还提供了隐式和显式求解器，使工程师能够模拟机械应力和应变，如45、通过显式跌落模拟分析冲击和振动。3)高频电磁场分析高频电磁场分析 对于高频电磁的研究，ANSYS 提供 HFSS 和 Designer RF。工程师可以使用工具来进行天线，全球定位系统，以及各种无线应用的 3-D 电磁模拟和 RF 电路仿真。在信号、电源完整性（SI/PI）以及电磁干扰和兼容（EMI/EMC）分析的领域里，ANSYS 提供了 HFSS 软件、SIwave 和 DesignerSI 技术，这些技术可以与电路和系统仿真相结合，在一个单独设计平台上做精密的电磁场领域分析。4)低频和机电低频和机电 低频和机电系统仿真工具应用在电动汽车和混合动力电动汽车、电力电子、传感器和执行器等方面。46、为了解决固有的设计问题，ANSYS 提供了低频电磁场仿真工具 Maxwell 和机电系统仿真工具 Simplorer。用户可以把 Simplorer 和ANSYS 3-D 电磁、机械和流体求解器结合起来去设计包括机电组件细部在内的复杂汽车系统。4.5 Flowmaster（一维汽车热管理系统）4.5.1 软件简介 Flowmaster 是一维流体系统仿真解算工具，与关注部件级流动与换热特性的三维 CFD 软件不同，Flowmaster 关心的是系统尺度上所发生的事情，每个流体系统由许多的元件构成，如泵、阀、管路、散热器等等，Flowmaster 可以监视系 23 统的运行情况，如改变泵转速、开47、/关闭阀门时等引起的系统各支路流量变化和各节点压力的变化。Flowmaster 可以对系统中的各个环节进行精确的压力、流量、温度、流速分析。通过开展系统级分析，快速分析部件之间相互作用。Flowmaster Auto 版是针对汽车行业用户开发的专业版本，该版本提供了冷却系统、润滑系统、空调系统、空气侧系统、燃油喷射系统等专业元件库，极大的方便了用户的仿真建模需求。其解算器以组成系统的各元件流阻特性为基础，通过迭代求解系数矩阵的方式来计算得到系统内各部分的压力、流量、温度等参数分布。对于各种复杂的流体系统，汽车工程师可以利用 Flowmaster 便捷的建立系统仿真模型，进行快速且完备的计算分析48、。如不可压缩稳态或瞬态流动计算、可压缩稳态或瞬态计算、稳态或瞬态换热计算等。具体来说，汽车工程师利用Flowmaster 可开展以下方面的应用分析：精确预测各系统压力、温度、流速、流量等参数变化。部件选型设计与系统匹配分析。空调系统性能分析。冷却系统系统性能分析。润滑系统系统性能分析。空气侧系统性能分析。进排气系统性能分析。液压系统性能分析。整车热管理性能分析。部件选型设计与系统匹配分析。4.5.2 应用解决方案 1)整车热管理整车热管理应用应用 Flowmatser 提供的元件库不仅能满足冷却水泵、节温器、管道等基本部件的建模要求，同样还可以满足燃料电池冷却系统建模的特殊要求，如使用质量源元49、件模拟双极板质量、热桥元件模拟冷却液与固体间的对流换热、热源元件模拟电池放热量等方式。燃料电池汽车的行驶性能及充电的便利性很大程度上取决于电 24 池的性能。而电池的性能特性，如能量密度、输出特性、使用寿命等都与工作温度直接关联。使用 Flowmaster 搭建完整的燃料电池发动机冷却系统模型，开展仿真计算，预测燃料电池及冷却系统在各种驾驶工况下（如暖起、怠速、高速等）的流量分配、温度分布、压力分布等变化规律，从而帮助系统工程师评估及优化冷却系统设计方案。2)空调系统空调系统 Flowmaster 空调分析模块是一个非常精确的空调系统解算器，已经得到很多空调专家们的使用和验证。利用 Flowm50、aster 直观的建模界面以及丰富的空调系统元件库，工程师可以按照实际系统组成快速的建立空调系统仿真模型，并对模型进行性能参数研究和“what-if”想定分析：预测空调系统内的参数如压力、过冷/热度、流量、制冷量等 预测进入车内冷却空气的速度、温度及湿度、PPD/PMV 预测换热器换热量，压缩机功率及制冷系数 稳态或瞬态分析，如压缩机定/变转速 模拟与汽车其它子系统的相互影响，实现整车热系统管理 优化系统设计及零部件选型 优化空调系统电气控制 评估空调系统的性能 25 4.6 AMESim（一维液压、机电、电气）4.6.1 软件简介 LMS Imagine.Lab AMESim 提供了一个完整51、的一维仿真平台，用于对多领域智能系统进行建模和分析，并预测其多学科专业的耦合性能。模型的元件由解析模型表示，描述系统的液压、气动、电子、机械性能。要创建一个系统模型，用户只需把来自各个不同物理领域，应用库中预先定义，并经验证的元件模型连接起来。LMS Imagine.Lab AMESim通过不同的应用库创建基于物理学的系统模型，例如采用液压元件设计库（HCD）和 IFP 发动机库，LMS Imagine.Lab AMESim软件可以远在给出详细有效的 CAD 几何模型之前，精确地仿真智能系统的性能。4.6.2 应用解决方案 1)机电系统解决方案机电系统解决方案 LMS Imagine.Lab 52、机电系统解决方案能够模拟机电元件，如平动作动器和电动马达，从功能模拟到设计和验证控制策略。此外，该解决方案可以从不同的层次分析电气系统，如功耗估算、精确的瞬态响应评估和热效应分析。LMS Imagine.Lab 电系统解决方案能够模拟复杂机电作动器的功能特性，机电和电液元件的设计者可以通过集成的平台来模拟完整系统的响应。并且，该解决方案可 26 以考虑电、磁、机械、热和流体现象的耦合。2)电气系统解决方案电气系统解决方案 LMS Imagine.Lab 可以从不同的层次分析电气系统，如功耗估算、精确的瞬态响应评估和热效应分析。基于 LMS Imagine.Lab AMESim 的多领域系统仿真53、方法，LMS Imagine.Lab 电气系统解决方案带来了一整套综合的电气特性分析模型，可用于评估新的体系结构，分析电力消耗以及对油耗的影响，设计和验证控制策略。还提供了专门的车用电气仿真库用于汽车电气网络的快速设计，包含一套汽车常用的电气元件模型：发电机、耗能元件以及面向应用的参数化电池模型。通过该库用户可以快速的设计和确定包含汽车上完整的各种电气消耗元件的电气网络的技术参数（保险丝、储能单元、发电机等）。LMS Imagine.Lab 结果显示电、磁和机械之间的耦合现象 LMS Imagine.Lab 机电元件解决方案有助于仿真机电一体化系统，用于进行元件选型、分析和机械结构的相互作用以54、及控制策略的设计和验证。多学科专业平台的 AMESim 中包含含热端口的电、磁方面的专用模型的一整套应用库，用于建立机电作动器，例如电磁铁和力矩马达等模型。LMS Imagine.Lab 机电元件解决方案集成了两种互补的方法：采用简单单元例如：磁阻、气隙（集中参数）等建立的磁通回路模型，或者采用 FEM 数表建模。通过考虑电/磁/机械之间的强耦合处理能力，可以确定元件的尺寸，并对动态特性进行优化。工程师可以设计多学科系统和子系统，并评估不同技术选择的系统特性。该平台快速的计算，可以进行快速的分析和优化。3)车辆系统动力学解决方案车辆系统动力学解决方案 车辆系统动力学解决方案提供专用的功能，用于55、设计底盘系统包含的各个子系统（制动、悬架、转向、防侧倾和车辆本身）。为了有效地进行耦合与分析，用户可方便地把所有底盘元件相互连接，并将这些子系统集成为单一的系统模型，在此基础上仿真和验证底盘整体控制策略。LMS Imagine.Lab 车辆系统动力学解决方案提供一个独特的平台，可以通过不同复杂程度的模型对作动器和车辆进行建模和仿真。该解决方案提供软件在环或硬件在环验证过程的集成，还包含与LMS Virtual.Lab Motion，MSC.Adams 和 Simulink 仿真软件包的接口。4)动力传动解决方案动力传动解决方案 LMS Imagine.Lab 动力传动解决方案为分析和设计最优的56、传动系统提供了一 27 个通用平台。提供了传动链、发动机和变速箱的模型和元件，重点关注舒适性，性能和损失及 NVH 方面的问题。LMS Imagine.Lab 动力传动解决方案可以帮助用户研究从低频到高频（40Hz），完整的动力传动系统的整体特性。采用 LMS Imagine.Lab 动力传动系统解决方案，可以更加容易地实现新型动力传动系统的设计，更好地应对动力传动系统设计的各项挑战，例如高换挡品质及低传动噪音。该解决方案充分考虑了系统的非线性现象，如干/湿离合器、减振器、双质量飞轮、质量平衡器、万向节及齿轮间隙等。采用这一解决方案可以极大地缩短系统开发周期（从数月缩短至几周），并且模型的维护57、也非常便利，从而在降低开发成本的同时延长了使用寿命。不断完善、扩充的模型应用库能够保证跟随最新的工业发展趋势。4.7 ACTRAN（通用噪声）4.7.1 软件简介 目前汽车的声学特性已经成为衡量车辆舒适性的重要指标。在设计方案确定后，声学软件 ACTRAN 被用于预测车内及车外的声压、声强的频率响应特性，分析各个部件对声音作用效果的贡献，各种不同装饰件和装饰方案的隔音效果。ACTRAN 不仅可以预测现有方案的声学性能，而且可以协助设计工程师迅速找到最佳的隔音减振设计方案以提高汽车乘坐舒适性。1)声学分析声学分析 ACTRAN Acoustics 能够研究车厢内的声场、发动机振动辐射噪声、提取声58、空间模态等，ACTRAN Acoustics 还可以直接利用驻波管实验数据，模拟装内饰材料车厢内部声场。2)振动声学分析振动声学分析 ACTRAN Vibro-Acoustics 模块，支持对车身详细建模，研究振动传递入车内以及声音通过空气对结构的声透射，支持声振耦合问题分析。ACTRAN 支持瑞利边界元，对于声透射问题能够更好的进行分析。除此以外 ACTRAN for NASTRAN 模块支持模态与物理混合方法求解，对整车进行声学分析。支持NASTRAN 的超单元应用，精确模拟研究对象的边界条件。28 3)流动声学分析流动声学分析 ACTRAN Aero-Acoustics 模块，支持流动声59、学分析，可以研究汽车外部气动噪声以及内部空调管道内的流动噪声等。4)流动流动/振动声学一体化分析振动声学一体化分析 ACTRAN 软件提供独有的流动/振动声学一体化分析功能，将外部湍流噪声源加载于声学网格上，计算外部气动噪声分布、结构受激振动响应以及车厢内部的声场。一次分析可以得到内外声场以及结构响应，减少工程假设。4.7.2 应用方案 ACTRAN涵盖了汽车噪声各个领域，下文将逐一介绍ACTRAN的典型应用。1)汽车侧窗噪声模拟汽车侧窗噪声模拟 后视镜作为汽车不可缺少的部件之一，在保证视野的同时，增加了汽车的气动阻力和气动噪声。由于后视镜结构和在汽车所处的特殊位置，使得后视镜流动和气动噪声问60、题显得格外重要。空气通过后视镜时，在后视镜、侧窗表面以及后视镜尾部形成剧烈流场脉动，产生强烈的气动噪声，透过侧窗向车内传播。大众、标志雪铁龙等企业NVH工程师，使用ACTRAN软件研究后视镜噪声。利用ACTRAN Vibro-Acoustics以及Aero-Acoustics模块，可以将外部流场脉动压力、侧窗结构、乘客舱放入统一的声学模型。计算完成后，结果包括侧窗振动、车内声学响应等数据，并且可以直接提取司机或乘客人耳处声压级响应。2)汽车风挡声学性能模拟汽车风挡声学性能模拟 29 挡风玻璃对乘客舱内振动与声学特性影响显著。宝马公司使用ACTRAN软件分别研究风挡的振动与隔声性能。实验装置中将61、风挡悬挂，使用点力激励，测量风挡的振动加速度响应。ACTRAN仿真计算，可以完全模拟风挡三层结构：玻璃-PVB-玻璃结构，模型包含三层风挡结构以及乘客舱内部空间。ACTRAN中可以施加扩散声场、湍流边界层、脉动压力等激励方式，获得风挡振动响应以及车内声场分布，如图3.3所示。3)气动噪声模拟气动噪声模拟 ACTRAN被汽车企业用于计算空调通风口、管道流动、换热风扇、车身外部气动噪声、排气管等气动噪声。车载空调对车内乘车环境有重要影响，传统的通风、温度控制等功能是汽车空调行业关注的重点。随着发动机、轮胎、气动等噪声源的降低，空调噪声对乘客舱内舒适性有越来越重要的影响。伟世通公司使用ACTRAN软62、件研究空调通风 ACTRAN 也被广泛用于计算风扇等旋转机械噪声。ACTRAN 可以提取面源与体源，计算由于风扇叶片旋转所产生的气动噪声。Pioneer、Vistoen、Johndeer等公司使用 ACTRAN 软件对旋转机械噪声进行分析，与实验结果吻合良好。30 4)整车声学分析整车声学分析 对高阻尼或多孔部件的模拟（这些部件一般被称为Trim部件）。这些部件可以通过ACTRAN在物理坐标下进行模拟，并和整体结构的模态模型进行耦合。ACTRAN提供独有的物理坐标与模态坐标混合求解方法。本田汽车整车分析中，首先对车内声空间与车身刚体结构使用结构软件提取模态，对于高阻尼与吸声材料，使用物理坐标建63、模。ACTRAN软件将吸声材料投射于车身以及车内空间模态基上，流固耦合并建立物理坐标与模态坐标的混合模型进行声学计算。本田使用ACTRAN计算了从发动机排气管到乘客舱人耳位置的传递函数，并且针对汽车内饰与车窗进行隔声优化设计。5)内饰件声学分析内饰件声学分析 为了提高汽车的隔声、隔振性能，车身设计中通常加入一层多孔介质材料，如玻璃棉、岩棉、地毡等。这种用于绝热处理的材料对车辆内部隔绝外部噪音、降低振动有着重要影响。ACTRAN 软件能够建立包含内饰件的汽车部件模型或整车模型，评价内饰件隔声、隔振效果，帮助工程师进行声学优化设计。31 边界条件对结构隔声性能有重要影响，通常声学软件只能设定固支、64、简支等简化边界条件。这样给结构声学性能评价带来很大的不确定性，低频段声振特性更是难以取信。为了解决边界条件定义问题，ACTRAN 软件支持超单元应用，将整车模态信息加载于结构边界节点上作为边界条件，这样计算结果更贴近真实工况。6)密封条声学分析密封条声学分析 雷诺汽车利用 ACTRAN 软件研究密封条隔声性能。对密封条的研究分两步：首先进行准静态分析，研究密封条受挤压产生几何变形；针对变形后的密封条建立声学模型，进行隔声分析。声学模型包含密封条、密封条内部空腔、密封条外部空气域以及声学无限元。计算使用扩散声场激励，ACTRAN 可以自动提取密封条外表面入射声能以及无限元辐射声能，并进而计算得到65、隔声量。雷诺汽车研究了不同参量对密封条隔声性能的影响：密度、杨氏模量等，另外针对不同截面形状的密封条进行了声学性能比较研究。7)轮胎噪声分析轮胎噪声分析 在干燥路面上，当汽车时速达到 100 公里时，轮胎噪声成为整车噪声的重要噪声源。而在湿路面上，即使车速低，轮胎噪声也会盖过其它噪声成为最主要的噪声源。众多轮胎企业如固特异、米其林等使用 ACTRAN 软件进行声学设计。轮胎 32 振动与轮胎的刚度和阻尼有关，刚度增大（例如轮胎帘布层数目增加），阻尼减少，轮胎的振动就会增大，噪声也随之增加。要降低轮胎的噪声，胎面可采用多种花纹节距，采用高阻尼橡胶材料，调整好轮胎的负载平衡以减少自激振动等。ACT66、RAN 在轮胎噪声分析应用包含以下几方面：不同轮胎纹理噪声频谱特性分析 轮胎噪声喇叭口效应分析 低噪声路面对轮胎噪声影响分析 轮胎噪声耦合模型分析 4.8 PumpLinx（专业旋转机械）4.8.1 软件简介 PumpLinx 是美国 Simerics 公司特别针对各种运动机械的流体力学模拟计算开发的 CFD 软件。PumpLinx 的核心部分是一个功能强大的 CFD 求解器，可求解包括可压缩/不可压缩流体流动的传热、传质、湍流、空化等物理现象。在求解器基础上，PumpLinx 提供了多种运动机械模板，用于完成不同运动机械的网格生成、参数设置、非定常计算中动网格设置以及后处理数据自动采集等多项67、专用功能。它的目标是成为工程师最有力的数值模拟工具（预测空化、压力和流动），帮助工程师更好的设计泵、阀、压缩机及水下航行体等运动机械。4.8.2 应用解决方案 1)冷却水泵冷却水泵 CFD 模拟模拟 33 冷却水泵通常为离心式结构，离心泵模拟是 PumpLinx 的典型应用之一，通过 PumpLinx 仿真可以帮助用户工程师在泵物理原型实验之前，快速分析其性能，包括：预测空化 计算汽蚀余量 计算流量-扬程曲线 获得泵的有效功率及效率 监测泵内压力波动 此外，PumpLinx 还可以模拟冷却系统中的冷却风扇、节温器等部件。2)变排量滑片泵模拟变排量滑片泵模拟 随着国际油价的不断攀升和排放法规的日68、益严格，降低油耗成为汽车行业的一个重要发展目标。传统定排量机油泵以发动机热怠速时的机油需求量为设计依据，由于机油泵供油流量随转速变化几乎呈线性增加，高速时输出油量过多，需采用机油限压阀来旁通掉多余的机油，这样就相当于浪费了一部分机油泵耗功。要减少油泵的功率消耗，需要使机油泵的供油量与发动机的实际机油需求量进行匹配，使用可变排量机油泵就能达到这样的要求。目前可变排量机油泵主要有可变排量外齿轮泵和可变排量叶片泵。PumpLinx 作为专业的运动机械 CFD 仿真软件，对于泵阀类运动机械具有独特的技术优势：PumpLinx 具备专业的 VDVP 模板，可快速完成 VDVP 转子区域的网格划分、动网格69、设置及其与其他腔室之间的协同作用；34 PumpLinx 具备专业的阀模板，可快速完成摆动滑片和往复阀门的网格划分，并快速完成其动网格设置；PumpLinx 内置有专业的模板网格，可完成低至几十微米量级的间隙网格；除此之外，PumpLinx 内置的基于 CAB 算法的笛卡尔网格，划分速度快、精度高、网格数量少，结合 PumpLinx 高效的求解器，可快速完成结构复杂的运动机械仿真。PumpLinx 内置独一无二的全空化模型，收敛性好，稳定性高，且计算结果已得众多实例验证，如湖南机油泵和 SLW 汽车公司。3)润滑系统润滑系统 CFD 模拟模拟 PumpLinx不仅可以解决包含各种齿轮泵在内的复70、杂的旋转机械的CFD问题，同时还可以解决泵、控制阀门、接头、局部损失元件等组成的流体系统的 CFD问题，在考察泵本身的运行特性的同时，还可以充分考察泵与上下游部件之间的相互影响及匹配性，从而为泵、阀门的选型提出指导意见。35 4.9 ADVISOR（汽车动力性能）4.9.1 软件简介 ADVISOR 是美国国家可再生能源实验室开发的一款著名的电动汽车仿真软 件。主要用于 Ev、HEV 及 FCEV 的仿真研究工作，同时兼具对 cV 的仿真功能。其内部程序由模块化的 MatlabSimulink 语言编写而成，提供了多种可供选择的电动汽车整车模型及灵活可修改的部件模型库。可对选定车辆的整车燃油经71、济性、排放、加速时间、最大爬坡度等进仿真计算，人性化的 GUI 操作界面大大简化 了用户的操作难度。通过修改部件模型或控制策略，还可实现对特定车型的优化 计算。ADVISOR 将后向仿真与前向仿真相结合，以后向仿真为主，前向仿真计算作为后向仿真的补充。4.9.2 动力应用解决方案 1)动力性能分析动力性能分析 ADVISOR 提供了两种方式来定义车辆传动系统的类型。一种是 ADVISOR内部保存了包括 Insight 和 Prius 在内的 37 种电动汽车的数据文件，用户可以选择合适类型的汽车，在此基础上作修改。另一种是 ADVISOR 内部保存了传统汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车，并联混合72、动力汽车、串联混合动力汽车、混联混合动力汽车等 8 种类型的传动系统作为模板，用户可在此基础上定义自己的传动系统。另外用户还可以自定义新类型的传动系统增加到 ADVISOR 的模板库中。2)驱动系统参数优化驱动系统参数优化 电动汽车的优化设计技术能根据对汽车的加速性能和爬坡性能等约束的要求，对汽车部件和控制系统的参数进行调整，以达到优化汽车性能的目的。目前该技术主要应用于电动汽车驱动系统的优化设计和控制策略的优化设计中，其中驱动系统的优化设计是指对电机，能源储存系统和传动系的参数进行优化匹配，使其在满足约束条件的前提下，达到某一设计目标的最优值。控制策略的优化设计是对电动汽车多能源控制系统中的73、关键控制参数进行调整，达到提高汽车燃料经济性和运行效率的目的。36 ADVISOR 是基于 MATLAB 语言环境开发的，它不仅提供了界面运行的方式，还提供了命令式的运行方式。这样外部程序便可通过访问 ADVISOR 的内部命令来控制它的仿真运行，它在问题求解过程中的作用是：从外部的优化程序获得优化设计的设计变量（如电机功率），以这些变量作为仿真参数，运行仿真产生目标函数响应值(如油耗值、约束函数响应值（如驾驶循环中所能达到的最大速度、最大加速度等），再将其传递给外部的优化程序。4.10 INFOLYTICA（专用电磁电机）4.10.1 软件简介 INFOLYTICA 公司作为众多电磁软件新技74、术的创始人和领导者，一直致力于电磁场有限元分析领域的技术研究和开发，致力于为电磁设计工程师提供完整解决方案。INFOLYTICA 软件成为全世界设计者进行低频电磁分析的首选软件，不断为航空、航天、汽车、耐用电器、电力、医疗设备、电子产品等行业以及科研教育等领域提供复杂的磁场、电场、热场问题解决方案。INFOLYTICA产 品 系 列 主 要 包 含MagNet,ElecNet,ThermNet,OptiNet,MotorSolve 等软件，使得二维和三维的电场、磁场以及热场的独立及耦合分析在同一界面下轻松进行。4.10.2 电机应用解决方案 MotorSolve 是 Infolytica 公司75、的最新电磁软件包产品。Infolytica 公司积累了近 30 年的电磁场设计经验，创造了强有力的旋转电机设计分析软件包。MotorSolve 提供了先进的几何生成器和绕组编辑器，方便的结果驱动后处理器，另外还具有管理、比较、分析多种设计原型和图表、数值、数据组合的功能。绕组定义是电机设计面临的最复杂的任务之一。MotorSolve 包含了先进的绕组设计工具，对于非常复杂的极槽组合也能自动地选择绕组分布。从绕组编辑器中选择自动计算出的绕组分布或手工建立绕组分布。特性中包含：分数槽节距，分布式/集中式绕组、并联支路数、单/双层边等等。软件自动计算出绕组因数和反电势（包含电势谐波）。37 4.1176、MSC（结构、机械动力、碰撞）4.11.1 软件简介 MSC.Software 公司(MSC.Software Corporation，MSC)是世界著名的有限元分析 和 计 算 机 仿 真 预 测 应 用 软 件 CAE 供 应 商 和 虚 拟 产 品 开 发(VPD，Virtual Product Development)概念的倡导者。MSC.Software 公司的产品众多，有许多 MSC.Patran、MSC.Nastran、MSC.Marc、MSC.Thermal、MSC.FEA、MSC.AFEA、MSC.Dytran、MSC.Adams、MSC.Easy5、MSC.Fatigue、77、MSC.Optishape、MSC.Actran等。涉及内容包括静态分析、动力学分析、热传导分析、显式瞬态动力分析、疲劳寿命分析、拓扑优化、运动仿真、噪声/声场分析、材料数据库及管理、仿真数据管理和控制系统仿真等。4.11.2 应用解决方案 1)结构强度分析结构强度分析 MSC.Nastran 中有近 70 余种单元独特的单元库。所有这些单元可满足MSC.Nastran 各种分析功能的需要，且保证求解的高精度和高可靠性。模型建好后，MSC.Nastran 即可进行分析，如动力学、非线性分析、灵敏度分析、热分析等。此外，MSC.Nastran 的新版本中还增加了更为完善的梁单元库，同时新的基 378、8 于 P-单元技术的界面单元的引入，可有效地处理网格划分的不连续性(如实体单元与板壳单元的连接)，并自动地进行 MPC 约束。MSC.Nastran 的 RSSCON 连接单元可将壳-实体自动连接，使组合结构的建模更加方便 2)机械动力学机械动力学 能够帮助用户改善所有运动物体或系统的设计从简单的连杆机构、小型机电产品到重型机械和车辆无所不能。如分析飞机起落架、货舱门机构运动和工作人员及装备的空投；研究载重车辆和武器系统的动力学问题；对太阳能电池板的展开和回收过程的运动学、动力学分析；对轿车卡车、越野汽车以及其他车辆的动力学分析；对人/机界面设计、事故再现、汽车乘员保护以及机电产品的人机工程79、学设计；对磁盘和磁带驱动器的设计、传真机以及电路断电器的设计；还可以在制造业、机器人、材料加工设备、包装机械以及食品加工设备的设计中获得广泛的应用。在铁道车辆制造业，MSC.Adams 能够用于分析车轮与铁轨的相互作用，以及车厢之间耦合的动力学问题。还可以与 MSC.Nastran 接口解决柔性体问题。3)碰撞分析碰撞分析 MSC.Dytran 专门应用在需要考虑产品与环境之间或产品内部的高速非线性动力特性的产品设计、制造和运行环节中，通过仿真了解产品性能，优化产品设计。主要用于求解高度非线性、瞬态动力学、流体及流-固耦合等问题，其领先技术可用于解决广泛复杂的工程问题，如金属成形(冲压、挤压、80、旋压、锻压)、(水下)爆炸、碰撞、搁浅、冲击、发射、穿透、汽车安全气囊(带)、液-固耦合、晃动、安全防护等问题。4)疲劳分析疲劳分析 MSC.Fatigue 是专业的耐久疲劳寿命分析软件系统。可用于结构的初始化裂纹分析、裂纹扩展分析、应力寿命分析、焊接寿命分析、整体寿命预估分析、疲劳优化分析、振动疲劳分析、多轴疲劳分析、电焊疲劳分析、虚拟应变片测量及数据采集等各种分析。同时该软件还拥有丰富的疲劳断裂相关材料库、疲劳载荷和时间历程库等，能够可视化疲劳分析的各类损伤、寿命结果 39 5 小结 汽车企业应用 CAE 技术进行车型开发已有多年的历史，积累了大量的实践经验，逐渐形成一套行之有效的仿真技术81、体系。而目前 CAE 商业软件市场呈现出由通用化向专业化的发展趋势，针对每一学科问题都有多种软件提供了解决方案。因此，商业软件的选用上可以从专业性、易用性、普及性、高效性及售后服务等几个重点方面来考察。40 附录：汽车行业常用 CAE 软件列表 序号 学科 主流推荐软件 其它 1 网格处理 Hyperworks Patran、ICE-CFD 2 碰撞分析 LSDyna Dytran 3 机械动力学仿真 Adams SIMPACK 4 疲劳分析 Fatigue 5 结构强度 ABAQUS、Nastran ANSYS、Marc 6 流体分析 STAR-CCM+FloEFD、ANSYSY 7 噪声分析 ACTRAN Sysnoise 8 电机分析 INFOLYTICA ANSYS-Ansoft 9 电池分析 FloEFD STAR-CCM+、ANSYS 10 整车/电池热管理 Flowmaster Kuli 11 动力性分析 ADVISOR Amesime 12 机电、电气、液压分析 Amesim Easy5 13 电气控制策略 Matlab/Simulink 14 发动机燃烧 AVL GT 15 铸造分析软件 Magma Procast 16 板金冲压 DYNAFORM 17 优化分析 ISIGHT ModeFrontier