如何通過(guò)仿真優(yōu)化汽車(chē)設(shè)計(jì)

對(duì)于當(dāng)今的汽車(chē)制造商而言，產(chǎn)品設(shè)計(jì)是一個(gè)反復(fù)迭代的過(guò)程，需要計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）分析師、設(shè)計(jì)工程師、制造團(tuán)隊(duì)和供應(yīng)商的共同協(xié)作才能成。汽車(chē)行業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)已呈白熱化趨勢(shì)，各類(lèi)新車(chē)型的推出令人目不暇接。汽車(chē)制造商需要盡可能地提高協(xié)作效率、縮短新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)進(jìn)程，才能在激烈的競(jìng)爭(zhēng)中贏得優(yōu)勢(shì)。以馬恒達(dá)為代表的多家汽車(chē)公司，在努力提升產(chǎn)品質(zhì)量、安全性和可靠性的同時(shí)，將著力點(diǎn)放在了革新設(shè)計(jì)流程上。在仿真 App 的幫助下，馬恒達(dá)研發(fā)團(tuán)隊(duì)使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程變得更具包容性和靈活性，推動(dòng)企業(yè)邁向成功。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的難題

不同團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作往往是一個(gè)非常耗時(shí)的過(guò)程，這是因?yàn)槊總€(gè)團(tuán)隊(duì)都需要以合理、高效的方式整合各自的專業(yè)知識(shí)。設(shè)計(jì)工程師在評(píng)估新的設(shè)計(jì)概念或調(diào)整現(xiàn)有設(shè)計(jì)方案時(shí)，其中涉及的復(fù)雜物理現(xiàn)象會(huì)增加工作的難度。擁有專業(yè)知識(shí)的仿真工程師能夠應(yīng)對(duì)這些極其復(fù)雜的問(wèn)題，他們可以通過(guò)詳細(xì)的 CAE 分析來(lái)幫助設(shè)計(jì)工程師完成對(duì)設(shè)計(jì)概念的評(píng)估。然而多數(shù)企業(yè)中的仿真工程師人員有限，在面對(duì)大量的技術(shù)支持需求時(shí)常常無(wú)法及時(shí)交付評(píng)估結(jié)果。

特定汽車(chē)零部件的設(shè)計(jì)交付時(shí)間取決于所需的迭代次數(shù)。設(shè)計(jì)迭代是確保車(chē)輛安全性和可靠性必不可少的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)設(shè)計(jì)方案的復(fù)雜度，仿真分析可能需要數(shù)周到數(shù)月的時(shí)間才能得到可靠結(jié)果。此后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)根據(jù)仿真結(jié)果執(zhí)行設(shè)計(jì)修改，然后需要再次等待 CAE 團(tuán)隊(duì)進(jìn)行設(shè)計(jì)的可行性驗(yàn)證。

為了贏得這場(chǎng)與時(shí)間的競(jìng)賽，馬恒達(dá)研發(fā)團(tuán)隊(duì)借助 COMSOL Multiphysics? 多物理場(chǎng)仿真軟件中的“ App 開(kāi)發(fā)器 ”工具，開(kāi)發(fā)了多個(gè)用于考察各類(lèi)穩(wěn)定桿和底盤(pán)設(shè)計(jì)方案的仿真 App。與傳統(tǒng)方法相比，仿真 App 的使用大幅減少了一款設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和仿真團(tuán)隊(duì)間的迭代次數(shù)。

創(chuàng)新的穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)方法

穩(wěn)定桿（圖 1）是汽車(chē)懸掛系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件，可防止車(chē)輛發(fā)生過(guò)大的橫向側(cè)傾，它通常被設(shè)計(jì)成一根包含多個(gè)彎曲部分的空心或?qū)嵭牧?。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)必須確保穩(wěn)定桿具有適當(dāng)?shù)膭偠群蛻?yīng)力水平，因此他們需要選擇與 CAE 分析師合作，或是向供應(yīng)商索取驗(yàn)證報(bào)告。CAE 分析師會(huì)針對(duì)不同的設(shè)計(jì)創(chuàng)建模型，以準(zhǔn)確模擬穩(wěn)定桿的形變和應(yīng)力。一旦模型的驗(yàn)證結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)良好吻合，他們就會(huì)創(chuàng)建仿真 App。

圖 1. 常見(jiàn)的穩(wěn)定桿（又稱防傾桿）設(shè)計(jì)。

穩(wěn)定桿的仿真 App 支持組建各式各樣的設(shè)計(jì)配置，僅彎曲部分的樣式就多達(dá) 15 種。不僅如此，仿真 App 還提供了空心桿和實(shí)心桿選項(xiàng)，如圖 2 所示。最終用戶 （通常是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的成員）在仿真 App 中輸入彎曲處的坐標(biāo)來(lái)表征穩(wěn)定桿的幾何形狀，并提供軸承位置、襯套剛度和交叉測(cè)試等信息。CAE 分析師通過(guò)在仿真 App 中預(yù)定義約束條件，方便設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)單快捷地運(yùn)行準(zhǔn)確的仿真，計(jì)算穩(wěn)定桿剛度，并建立標(biāo)準(zhǔn)載荷工況的應(yīng)力模型，如圖 3 所示。仿真 App 的一般運(yùn)行時(shí)間只有幾分鐘，因此設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)可連續(xù)運(yùn)行迭代，實(shí)時(shí)獲取設(shè)計(jì)反饋。在了解仿真 App 是基于經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的多物理場(chǎng)模型開(kāi)發(fā)之后，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)汽車(chē)封裝水平信心大增。馬恒達(dá)的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，仿真 App 不僅節(jié)省了大量時(shí)間，更是促進(jìn)了企業(yè)內(nèi)部協(xié)作。新型的團(tuán)隊(duì)協(xié)作文化也有利于員工對(duì)最終產(chǎn)品產(chǎn)生更強(qiáng)烈的主人翁意識(shí)，由于他們能在一兩天內(nèi)生成設(shè)計(jì)方案，減少了對(duì)供應(yīng)商的依賴。

圖 2. 仿真 App 可用于創(chuàng)建幾何圖形以及計(jì)算穩(wěn)定桿的剛度和位移。

圖 3. 使用 App 計(jì)算特殊穩(wěn)定桿配置的剛度得到的仿真結(jié)果。

減少底盤(pán)的設(shè)計(jì)迭代

底盤(pán)是一個(gè)重要的承載部件，它的作用是為車(chē)輛提供結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并充當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱等其他零部件的安裝基座。最常見(jiàn)的一種底盤(pán)結(jié)構(gòu)是由兩條縱向主梁和多個(gè)橫梁組成的梯形車(chē)架（圖 4）。橫梁的數(shù)量、尺寸、位置和形狀是早期設(shè)計(jì)階段中需要確定的重要參數(shù)。

圖 4. 基于 CATIA? 軟件創(chuàng)建的常見(jiàn)多功能底盤(pán)幾何結(jié)構(gòu)。

底盤(pán)承受的載荷會(huì)產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，這類(lèi)問(wèn)題沒(méi)有簡(jiǎn)單的解析解。解決這類(lèi)問(wèn)題的常規(guī)方法是：參照封裝要求，對(duì)多款底盤(pán)配置進(jìn)行評(píng)估，然后通過(guò)多次 CAE 分析完成設(shè)計(jì)定型。正確的封裝意味著所有零部件都能配合運(yùn)行而不受任何干擾，并且能夠正常裝配和拆卸。最優(yōu)設(shè)計(jì)不僅需要結(jié)構(gòu)牢固，還必需滿足裝配要求。從封裝角度考慮，每一個(gè)完整的 CAE 迭代都需要包含三個(gè)獨(dú)立的分析：彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)。使用這一傳統(tǒng)方法必須執(zhí)行三到四次完整的 CAE 迭代，而每次迭代往往需要兩到三周的時(shí)間。

團(tuán)隊(duì)借助 COMSOL 多物理場(chǎng)仿真軟件將三個(gè)獨(dú)立的分析進(jìn)行了整合，從而將完整的 CAE 迭代次數(shù)減少至一到兩次，由此節(jié)省了寶貴的時(shí)間。他們隨后又將基于鐵木辛柯梁理論（Timoshenkobeam theory）的一維梁模型（圖 5）封裝為底盤(pán)設(shè)計(jì)仿真 App。最終用戶無(wú)需了解底層數(shù)學(xué)模型，就能從仿真 App 的計(jì)算結(jié)果中受益。即便是包含大量不同橫截面和構(gòu)件的復(fù)雜底盤(pán)設(shè)計(jì)，仿真也只需短短數(shù)秒即可完成。如圖 6 所示，梁分析為各類(lèi)配置提供了快速而可靠的結(jié)果，并計(jì)算了扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度和位移。仿真 App 主要服務(wù)于負(fù)責(zé)底盤(pán)和穩(wěn)定桿設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)底盤(pán)（drive away chassis，簡(jiǎn)稱 DAC）懸架團(tuán)隊(duì)，支持通過(guò)輸入簡(jiǎn)單的文本字段對(duì)不同的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，無(wú)需為每個(gè)配置創(chuàng)建 CAD 模型，這種便捷性節(jié)省了 CAE 分析師和 DAC 懸架團(tuán)隊(duì)的寶貴時(shí)間。

圖 5. 馬恒達(dá)公司內(nèi)部門(mén)戶提供的汽車(chē)底盤(pán)仿真 App （名為 MathApps） 的用戶界面。

圖 6. 底盤(pán)設(shè)計(jì) App 針對(duì)特定配置提供的仿真結(jié)果。

仿真 App 開(kāi)拓未來(lái)設(shè)計(jì)道路

馬恒達(dá)開(kāi)發(fā)的仿真App具有處理各種參數(shù)變化、物理場(chǎng)和邊界條件的強(qiáng)大能力。得益于此，設(shè)計(jì)人員在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的早期階段便可以探索各種設(shè)計(jì)方案，完全擺脫了對(duì)CAE分析師的依賴。參數(shù)化研究的結(jié)果可以對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，從而提升產(chǎn)品性能，并降低加工成本。

仿真 App 的開(kāi)發(fā)融合了設(shè)計(jì)人員和 CAE 分析師的意見(jiàn)和反饋，并通過(guò)公司內(nèi)部安裝的 COMSOL Server? 產(chǎn)品在馬恒達(dá)的各個(gè)團(tuán)隊(duì)中進(jìn)行部署。以前只能由 CAE 分析師經(jīng)手的復(fù)雜設(shè)計(jì)配置，現(xiàn)在可以讓設(shè)計(jì)人員在簡(jiǎn)單易用的平臺(tái)上隨時(shí)訪問(wèn)。借助多物理場(chǎng)仿真和 App，馬恒達(dá)公司實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)大的分析能力共享，他們期望在未來(lái)的工作中，將振動(dòng)聲學(xué)和熱結(jié)構(gòu)分析也納入仿真分析中。

本文內(nèi)容來(lái)自《COMSOL News》2018，點(diǎn)擊“閱讀原文”，閱讀更多用戶成功案例。