汽車工業(yè) automotive industry
1. 引言
隨著全球汽車產(chǎn)業(yè)的持續(xù)演進和科技革命的加速推進，汽車行業(yè)正經(jīng)歷著前所未有的深刻變革?？蛻粜枨蠖鄻踊a(chǎn)品迭代周期縮短、法規(guī)標準日趨嚴格、節(jié)能減排迫切要求，與此同時，研發(fā)成本高、生產(chǎn)效率低、質(zhì)量控制難、系統(tǒng)集成復(fù)雜等問題，仍是制約企業(yè)發(fā)展的重要瓶頸。
海基科技集二十多年工程研發(fā)、項目咨詢的經(jīng)驗，從汽車行業(yè)實際業(yè)務(wù)需求出發(fā)，結(jié)合最佳實踐，能夠為客戶提供國內(nèi)領(lǐng)先的技術(shù)支持與服務(wù)，助力中國汽車產(chǎn)業(yè)邁向高質(zhì)量發(fā)展的新階段。
2. 海基典型汽車工業(yè)應(yīng)用方向
1） 汽車泵閥等零部件性能分析
汽車泵閥等零部件性能仿真分析是現(xiàn)代汽車設(shè)計和開發(fā)過程中不可或缺的一部分，通過計算機輔助工程（CAE）技術(shù)模擬泵閥等零部件在各種工況下的行為，包括結(jié)構(gòu)分析（靜態(tài)分析、動態(tài)分析、疲勞分析）、流體分析、多體動力學(xué)分析、電磁場分析等等，幫助工程師優(yōu)化設(shè)計、提高性能并確保安全性和可靠性。
2） 活塞頭部噴油冷卻分析
在高性能發(fā)動機中，燃燒室內(nèi)的高溫高壓環(huán)境對活塞頂部施加了極大的熱負荷。傳統(tǒng)的冷卻方式（如通過缸壁傳導(dǎo)散熱）往往不足以應(yīng)對這種極端條件，因此需要額外的冷卻措施來保護活塞免受過熱損害。活塞頭部噴油冷卻是一種先進的冷卻技術(shù)，可有效降低活塞頂部的溫度，防止過熱并提高發(fā)動機的可靠性和效率。通過CFD分析，可以深入理解該技術(shù)的工作原理及其對發(fā)動機性能的影響，幫助工程師優(yōu)化設(shè)計，提高發(fā)動機的整體性能和可靠性。
3） 通用齒輪CFD分析解決方案
通用齒輪包括不同種類的內(nèi)外嚙合齒輪模型，例如內(nèi)/外齒輪、正/斜齒輪和螺桿機械等，通用齒輪的CFD（計算流體力學(xué)）分析主要用于研究齒輪在運行過程中與潤滑介質(zhì)（如潤滑油或潤滑脂）之間的相互作用，以及由此產(chǎn)生的熱傳遞和流體動力學(xué)效應(yīng)。這種分析對于優(yōu)化齒輪設(shè)計、提高效率、減少磨損和延長使用壽命至關(guān)重要。
4） 換熱器模擬
車輛換熱器模擬是汽車熱管理系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)，它通過計算流體力學(xué)（CFD）和其他仿真技術(shù)來優(yōu)化設(shè)計和性能。車輛換熱器包括但不限于散熱器、冷凝器、蒸發(fā)器和油冷器等組件，它們在發(fā)動機冷卻、空調(diào)系統(tǒng)以及變速器油溫控制等方面起著至關(guān)重要的作用。
5） 電機冷卻分析
電機在運行過程中會產(chǎn)生大量的熱量，尤其是在高負荷條件下，如果這些熱量不能及時有效地散發(fā)出去，會導(dǎo)致過熱損壞、效率下降、壽命縮短、安全性風險等問題。因此，有效的冷卻系統(tǒng)對于維持電機的最佳工作溫度至關(guān)重要。
6） 整車發(fā)動機艙通風模擬
1.技術(shù)難點：
? 幾何處理：整車零部件眾多，提取幾何域時往往會存在許多小縫隙或重疊部分，這些缺陷給網(wǎng)格劃分造成很大難度，而手動修復(fù)這些缺陷幾乎是不可能的，這就要求所采用的CFD軟件在劃分網(wǎng)格時具備較好的處理幾何缺陷的能力;
? 幾何特征表達：劃分網(wǎng)格時要求軟件具有自動加密功能，使網(wǎng)格模型能精確表達原始的CAD模型；
? 所有部件的網(wǎng)格數(shù)加起來將達到千萬級，對于這樣龐大的網(wǎng)格模型，要求采用的CFD軟件具有快速穩(wěn)定的求解器，才能對設(shè)計更改做出有意義的預(yù)測和評估。
2.解決方案：
如何高效快速建模是主機廠商一直頭疼的問題。Simerics-MP+軟件為了解決目前發(fā)動機艙通風傳熱仿真難點，開發(fā)了專門的模板Vehicle Template，前處理時間可減少至傳統(tǒng)的1/4左右，大大提升了前處理效率。
? Simerics-MP+采用自適應(yīng)二叉樹網(wǎng)格技術(shù)，在一定程度上能容忍“爛”幾何，在劃分網(wǎng)格前的幾何修復(fù)工作非常少，可直接用原始CAD畫網(wǎng)格，大大節(jié)約了工程師的時間；同時Simerics-MP+采用最小網(wǎng)格尺寸控制，可實現(xiàn)自適應(yīng)加密功能，精確表達原始幾何；
? Vehicle Template根據(jù)發(fā)動機艙的幾何尺度，自動設(shè)置網(wǎng)格解析尺度，精確表達諸如進氣格柵燈等位置的幾何特征；
? Vehicle Template將模型設(shè)置流程化，自動引導(dǎo)用戶設(shè)置風扇、散熱器、進出口參數(shù)設(shè)置，極大程度上壁免人工設(shè)置出錯；
? Simerics-MP+求解器是在傳統(tǒng)的 CFD 求解器基礎(chǔ)上進行開發(fā)和改進，將其最新的數(shù)值技術(shù)與Simerics-MP+專有算法相結(jié)合，建立了一個比其它競爭對手更快速、更穩(wěn)健的數(shù)值模擬工具。
7） 整車涉水仿真
雨天道路積水，汽車會以不同速度通過不同積水深度的道路。特別是對于越野車輛，汽車涉水能力直接影響發(fā)動機的壽命。因此，在汽車研發(fā)階段，需要對汽車的涉水通過性進行研究，CFD方法是較為經(jīng)濟普遍的方法。通過模擬，可觀測水是否會進入發(fā)動機進氣口，甚至通過空氣濾。
8） 風擋除冰除霜應(yīng)用
車輛風擋除冰除霜是確保在寒冷天氣條件下駕駛安全的關(guān)鍵技術(shù)之一，去除或防止風擋玻璃上的冰雪和霜凍，從而保證駕駛員的視線清晰。利用具有相變的共軛傳熱模擬仿真，預(yù)測擋風玻璃上的冰融化所需要的時間。
車窗水管理是確保車輛在各種天氣條件下，尤其是雨天或清洗時，駕駛員和乘客擁有清晰視野的關(guān)鍵。有效的車窗水管理系統(tǒng)不僅能夠提高駕駛安全性，還能增強乘坐舒適度，并保護車內(nèi)電子設(shè)備免受水分侵害。采用CFD技術(shù)對車輛雨水管理系統(tǒng)進行建模，預(yù)測流體通過不同排水口情況。
發(fā)動機燃燒室內(nèi)的混合氣和燃燒后的廢氣會順著活塞和氣缸體的內(nèi)壁漏入曲軸箱內(nèi)，造成竄氣，從而稀釋機油、降低機油使用性能、加速機油氧化、變質(zhì)和增加消耗；如有酸性氣體混入還會加速發(fā)動機零部件的腐蝕和磨損；竄氣還會使曲軸箱壓力過高而破壞曲軸箱的密封，使機油滲漏流失。介于以上原因，必須實行曲軸箱通風。而由于環(huán)保的原因，現(xiàn)代汽車上一般都采用強制曲軸箱通風系統(tǒng)，將這些進入曲軸箱的氣體導(dǎo)入進氣歧管，使其重新燃燒，這樣既可減少排氣污染又可提高發(fā)動機經(jīng)濟性，因此目前多采用強制式通風。
11） 基于CFD的發(fā)動機系統(tǒng)級分析
發(fā)動機潤滑系統(tǒng)是確保發(fā)動機內(nèi)部組件正常運行、延長使用壽命和提高效率的關(guān)鍵部分。它不僅減少了摩擦、冷卻了關(guān)鍵部件、清潔了內(nèi)部環(huán)境，還在一定程度上起到了密封和防銹的作用。忽視潤滑系統(tǒng)的維護會導(dǎo)致嚴重的機械故障，增加維修成本，并可能對環(huán)境造成負面影響。采用CFD手段對汽車潤滑系統(tǒng)中的若干部件同時進行模擬，獲得系統(tǒng)各性能指標，可以有效指導(dǎo)潤滑系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化。
汽車發(fā)動機冷卻系統(tǒng)是確保發(fā)動機在各種工況下能夠穩(wěn)定運行的關(guān)鍵子系統(tǒng)之一。它不僅對發(fā)動機的性能和壽命有著直接影響，還關(guān)系到車輛的安全性和燃油經(jīng)濟性。通過CFD分析，工程師可以深入了解冷卻系統(tǒng)內(nèi)部的流動特性和熱傳遞效率，從而對冷卻系統(tǒng)進行針對性的設(shè)計改進和優(yōu)化。
3. 成功案例
1） 冷卻水泵CFD模擬
冷卻水泵通常為離心式結(jié)構(gòu)，通過CFD仿真可以幫助用戶工程師在泵物理原型實驗之前，快速分析其性能，包括：
? 預(yù)測空化
? 計算汽蝕余量
? 計算流量-揚程曲線
? 獲得泵的有效功率及效率
? 監(jiān)測泵內(nèi)壓力波動……
離心泵模型 離心泵網(wǎng)格
流量-功率曲線對比 流量-效率曲線對比
流量-揚程曲線對比
離心泵流場壓力分布（考慮間隙）
2） 外齒輪泵CFD模擬
通過CFD對外齒輪泵模擬，可實現(xiàn)泵內(nèi)流量、空化、效率的精確模擬，并通過模擬結(jié)果間接指導(dǎo)泵的優(yōu)化設(shè)計。如下圖為某外齒輪機油泵結(jié)構(gòu)模型及提取出的流體域模型，采用CFD對該齒輪泵進行數(shù)值模擬，其數(shù)值模擬結(jié)果與試驗值相比誤差很小。
齒輪泵幾何模型
數(shù)值模擬結(jié)果
3） 活塞頭部噴油冷卻分析
根據(jù)活塞噴油冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同，一般可分為以下幾種典型設(shè)計：
? 有/無環(huán)形冷卻通道
? 噴嘴直噴/斜噴
無冷卻通道 有冷卻通道
共軛傳熱數(shù)據(jù)傳遞
共對三種不同的設(shè)計方案進行了模擬計算，并與試驗結(jié)果進行對比驗證。分別如下：
? NT：無環(huán)形油液冷卻通道，傾斜噴射
? GT：有環(huán)形油液冷卻通道，傾斜噴射
? GS：帶環(huán)形油液冷卻通道，直噴
對應(yīng)的流體部分的幾何模型如下：
幾何模型
網(wǎng)格模型
計算條件如下：
|
活塞類型 |
發(fā)動機轉(zhuǎn)速[RPM] |
油流量
（ |
油溫
（ |
|
NT |
2500 |
1 |
1 |
|
GT |
2300 |
0.75 |
1.1 |
|
GS |
3500 |
0.825 |
1.01 |
燃燒產(chǎn)生的熱通量 活塞內(nèi)襯溫度
冷卻通道的油液體積分數(shù) 冷卻噴嘴帶走的熱量
活塞固體的溫度分布
活塞固體多個位置監(jiān)測點的溫度結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比
4） 換熱器模擬
采用CFD技術(shù)，分析冷卻介質(zhì)在換熱器內(nèi)的流動情況及其對傳熱的影響。
管殼式換熱器流場及溫度場云圖
換熱功率、出口溫度仿真值與試驗值結(jié)果對比
5） 水箱加注過程模擬
水箱加注過程模擬是汽車熱管理系統(tǒng)設(shè)計和優(yōu)化中的一個重要方面，它涉及到確保冷卻系統(tǒng)能夠在車輛運行期間維持適當?shù)睦鋮s液水平，同時避免空氣滯留或形成氣穴等問題。通過仿真技術(shù)，可以優(yōu)化加注過程，提高效率，減少維護需求，并確保系統(tǒng)的長期可靠性。
不同時刻水等值面云圖
出口流量變化 體積分數(shù)變化
6） 電機冷卻模擬
利用Simerics-MP+軟件，建立具有共軛傳熱的完整三維電機模型，包括所有繞阻、轉(zhuǎn)子和定子層壓板等所有重要部件，流體域和固體域分別建立仿真模型，采用混合時間尺度進行流固共軛傳熱分析。
共軛傳熱迭代次數(shù)與流固溫度變化
油液等值面云圖
不同界面油液體積分數(shù)云圖
繞阻中熱電偶位置處24種不同條件下測試數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果比較
7） Simerics-MP+整車發(fā)動機艙通風模擬
Simerics-MP+除自適應(yīng)網(wǎng)格加密外，也可支持多重區(qū)域網(wǎng)格加密功能，且結(jié)合Simerics-MP+的網(wǎng)格記憶功能，可實現(xiàn)整車氣動模擬的模板化。下圖中該整車網(wǎng)格模型體網(wǎng)格總數(shù)為46170349。
整車網(wǎng)格模型
速度和壓力云圖分布 不同部位壓力分布
機艙散熱器通風量誤差
8） Simerics-MP+整車外氣動仿真
DrivAer車是Audi A4與BMW結(jié)合的汽車模型，具有公開、完善的外氣動試驗數(shù)據(jù)。DrivAer具有三種車型：Fastback、Notchback、Estateback，如下所示。
DrivAer試驗?zāi)Ｐ?nbsp; 三種車型
采用Simerics-MP+對三款DrivAer車型進行了整車外氣動計算，并與試驗結(jié)果進行比對，吻合度非常高，完全適用于工程精度要求。
Notchback車型Y=0截面車頂壓力系數(shù)對比 Notchback車型Y=0截面車底壓力系數(shù)對比
三款車型風阻系數(shù)結(jié)果對比
9） Simerics-MP+整車涉水仿真
汽車涉水仿真技術(shù)受到VOF模型魯棒性、求解速度的限制。Simerics-MP+的先進處理方法在于：
? 利用vehicle template mesher直接生成整車網(wǎng)格，不需繁瑣的幾何清理；
? VOF模型魯棒性極高，解算速度快；
? 靈活處理需要網(wǎng)格加密的區(qū)域，最大程度減少網(wǎng)格量與計算時間；
? 可在模型中同時考慮風扇和車輪的運動。
整車網(wǎng)格解析
機艙進水分布情況預(yù)測
10） 缸發(fā)動機潤滑系統(tǒng)仿真中的應(yīng)用
該案例來自凱特比勒公司，如下圖所示，該16 缸發(fā)動機潤滑系統(tǒng)由油泵、控壓閥，過濾器，冷卻器，主油道和連桿油膜等眾多部件組成。其網(wǎng)格總數(shù) 600萬。
發(fā)動機潤滑系統(tǒng)三維仿真計算模型
發(fā)動機潤滑系統(tǒng)整體網(wǎng)格
空化體積分數(shù)分布 壓力分布（箭頭處為監(jiān)測點）
對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行無量綱分析，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比可知，CFD計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合度較高，可以有效指導(dǎo)該類型系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化。
無量綱壓力值的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果
|
位置 |
泵出口 |
油冷器出口 |
油濾器入口 |
油濾器出口 |
主油道 |
|
CFD 計算值 |
0.479 |
0.411 |
0.394 |
0.378 |
0.378 |
|
試驗值 |
0.489 |
0.431 |
0.409 |
0.386 |
0.386 |
|
對比誤差 |
2.0% |
4.6% |
3.7% |
2.1% |
2.1% |
