如何通過仿真優(yōu)化汽車設計

對于當今的汽車制造商而言，產(chǎn)品設計是一個反復迭代的過程，需要計算機輔助工程（CAE）分析師、設計工程師、制造團隊和供應商的共同協(xié)作才能成。汽車行業(yè)的市場競爭已呈白熱化趨勢，各類新車型的推出令人目不暇接。汽車制造商需要盡可能地提高協(xié)作效率、縮短新產(chǎn)品的設計進程，才能在激烈的競爭中贏得優(yōu)勢。以馬恒達為代表的多家汽車公司，在努力提升產(chǎn)品質(zhì)量、安全性和可靠性的同時，將著力點放在了革新設計流程上。在仿真 App 的幫助下，馬恒達研發(fā)團隊使產(chǎn)品的設計過程變得更具包容性和靈活性，推動企業(yè)邁向成功。

產(chǎn)品設計中的難題

不同團隊之間的協(xié)作往往是一個非常耗時的過程，這是因為每個團隊都需要以合理、高效的方式整合各自的專業(yè)知識。設計工程師在評估新的設計概念或調(diào)整現(xiàn)有設計方案時，其中涉及的復雜物理現(xiàn)象會增加工作的難度。擁有專業(yè)知識的仿真工程師能夠應對這些極其復雜的問題，他們可以通過詳細的 CAE 分析來幫助設計工程師完成對設計概念的評估。然而多數(shù)企業(yè)中的仿真工程師人員有限，在面對大量的技術支持需求時常常無法及時交付評估結(jié)果。

特定汽車零部件的設計交付時間取決于所需的迭代次數(shù)。設計迭代是確保車輛安全性和可靠性必不可少的重要環(huán)節(jié)。根據(jù)設計方案的復雜度，仿真分析可能需要數(shù)周到數(shù)月的時間才能得到可靠結(jié)果。此后，設計團隊根據(jù)仿真結(jié)果執(zhí)行設計修改，然后需要再次等待 CAE 團隊進行設計的可行性驗證。

為了贏得這場與時間的競賽，馬恒達研發(fā)團隊借助 COMSOL Multiphysics? 多物理場仿真軟件中的“ App 開發(fā)器 ”工具，開發(fā)了多個用于考察各類穩(wěn)定桿和底盤設計方案的仿真 App。與傳統(tǒng)方法相比，仿真 App 的使用大幅減少了一款設計在設計團隊和仿真團隊間的迭代次數(shù)。

創(chuàng)新的穩(wěn)定桿設計方法

穩(wěn)定桿（圖 1）是汽車懸掛系統(tǒng)中的關鍵組件，可防止車輛發(fā)生過大的橫向側(cè)傾，它通常被設計成一根包含多個彎曲部分的空心或?qū)嵭牧骸ＴO計團隊必須確保穩(wěn)定桿具有適當?shù)膭偠群蛻λ?，因此他們需要選擇與 CAE 分析師合作，或是向供應商索取驗證報告。CAE 分析師會針對不同的設計創(chuàng)建模型，以準確模擬穩(wěn)定桿的形變和應力。一旦模型的驗證結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)良好吻合，他們就會創(chuàng)建仿真 App。

圖 1. 常見的穩(wěn)定桿（又稱防傾桿）設計。

穩(wěn)定桿的仿真 App 支持組建各式各樣的設計配置，僅彎曲部分的樣式就多達 15 種。不僅如此，仿真 App 還提供了空心桿和實心桿選項，如圖 2 所示。最終用戶 （通常是設計團隊的成員）在仿真 App 中輸入彎曲處的坐標來表征穩(wěn)定桿的幾何形狀，并提供軸承位置、襯套剛度和交叉測試等信息。CAE 分析師通過在仿真 App 中預定義約束條件，方便設計人員簡單快捷地運行準確的仿真，計算穩(wěn)定桿剛度，并建立標準載荷工況的應力模型，如圖 3 所示。仿真 App 的一般運行時間只有幾分鐘，因此設計團隊可連續(xù)運行迭代，實時獲取設計反饋。在了解仿真 App 是基于經(jīng)過驗證的多物理場模型開發(fā)之后，設計團隊對汽車封裝水平信心大增。馬恒達的團隊發(fā)現(xiàn)，仿真 App 不僅節(jié)省了大量時間，更是促進了企業(yè)內(nèi)部協(xié)作。新型的團隊協(xié)作文化也有利于員工對最終產(chǎn)品產(chǎn)生更強烈的主人翁意識，由于他們能在一兩天內(nèi)生成設計方案，減少了對供應商的依賴。

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

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

減少底盤的設計迭代

底盤是一個重要的承載部件，它的作用是為車輛提供結(jié)構(gòu)強度，并充當發(fā)動機和變速箱等其他零部件的安裝基座。最常見的一種底盤結(jié)構(gòu)是由兩條縱向主梁和多個橫梁組成的梯形車架（圖 4）。橫梁的數(shù)量、尺寸、位置和形狀是早期設計階段中需要確定的重要參數(shù)。

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

底盤承受的載荷會產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷，這類問題沒有簡單的解析解。解決這類問題的常規(guī)方法是：參照封裝要求，對多款底盤配置進行評估，然后通過多次 CAE 分析完成設計定型。正確的封裝意味著所有零部件都能配合運行而不受任何干擾，并且能夠正常裝配和拆卸。最優(yōu)設計不僅需要結(jié)構(gòu)牢固，還必需滿足裝配要求。從封裝角度考慮，每一個完整的 CAE 迭代都需要包含三個獨立的分析：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間。

團隊借助 COMSOL 多物理場仿真軟件將三個獨立的分析進行了整合，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）封裝為底盤設計仿真 App。最終用戶無需了解底層數(shù)學模型，就能從仿真 App 的計算結(jié)果中受益。即便是包含大量不同橫截面和構(gòu)件的復雜底盤設計，仿真也只需短短數(shù)秒即可完成。如圖 6 所示，梁分析為各類配置提供了快速而可靠的結(jié)果，并計算了扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度和位移。仿真 App 主要服務于負責底盤和穩(wěn)定桿設計的驅(qū)動底盤（drive away chassis，簡稱 DAC）懸架團隊，支持通過輸入簡單的文本字段對不同的設計參數(shù)進行計算，無需為每個配置創(chuàng)建 CAD 模型，這種便捷性節(jié)省了 CAE 分析師和 DAC 懸架團隊的寶貴時間。

圖 5. 馬恒達公司內(nèi)部門戶提供的汽車底盤仿真 App （名為 MathApps） 的用戶界面。

圖 6. 底盤設計 App 針對特定配置提供的仿真結(jié)果。

仿真 App 開拓未來設計道路

馬恒達開發(fā)的仿真App具有處理各種參數(shù)變化、物理場和邊界條件的強大能力。得益于此，設計人員在產(chǎn)品開發(fā)的早期階段便可以探索各種設計方案，完全擺脫了對CAE分析師的依賴。參數(shù)化研究的結(jié)果可以對設計進行指導，從而提升產(chǎn)品性能，并降低加工成本。

仿真 App 的開發(fā)融合了設計人員和 CAE 分析師的意見和反饋，并通過公司內(nèi)部安裝的 COMSOL Server? 產(chǎn)品在馬恒達的各個團隊中進行部署。以前只能由 CAE 分析師經(jīng)手的復雜設計配置，現(xiàn)在可以讓設計人員在簡單易用的平臺上隨時訪問。借助多物理場仿真和 App，馬恒達公司實現(xiàn)了強大的分析能力共享，他們期望在未來的工作中，將振動聲學和熱結(jié)構(gòu)分析也納入仿真分析中。

本文內(nèi)容來自《COMSOL News》2018，點擊“閱讀原文”，閱讀更多用戶成功案例。