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计算机模拟在汽车行业应用将兴起
发布时间:2013年07月22日  来源:网络   浏览次数:

计算机模拟在汽车设计、测试中重要性日益增加,让工程师能够花费更少的时间对汽车组件进行优化和完善。

事实上,梅赛德斯-奔驰已经全新的奔驰CLA上采用了计算机模拟的方法优化该车空气动力学性能,克莱斯勒利用最先进的模型来设计出更好的制造工厂,而福特则通过计算机模拟分析C-MAX Energi这款车中的燃效数据。

如此看来,汽车制造业已经离不开计算机模拟。让我们来看一下计算机模拟究竟是何物。

克莱斯勒利用计算机模拟建造更好的动力总成工厂

我们正在踏入物联网时代,越来越多的设备都将实现互联,更多的数据将会帮助汽车制造商更高效地制造汽车。目前计算机已经可以用来跟踪库存信息,不过,克莱斯勒已经开发出一种新的模型,能够跟踪指定零件在工厂内的位置以及工人安装该零件需要的动作。

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克莱斯勒负责动力总成生产的副总裁Brian Harlow表示,克莱斯勒目前采用的是世界一流的生产流程。在装配动力总成和发动机时的安全性、安装过程和风险分析都可通过三维建模得以实现。“我们希望工人利用最少的时间将零件装配在正确的位置。” Harlow说。

那变速箱总装过程举例。在装配过程中,需要一根长15英寸,直径8英寸的圆柱型元件。克莱斯勒创建一种计算机模拟方案,能够展示该元件在工厂中的精确位置并提示优化安装的方法。工人们能够看到精确的零件安装说明,包括安装位置和安装手法。

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Harlow说,这仅仅是一个开始。在将来,克莱斯勒还将创建其它的计算机模型,展示获取零件并将其运输到工厂的途径。甚至通过模型能够预测零件安装后的情况,并基于此优化零件并延长其使用寿命,其中包括零件使用的材料。

有趣的是,虽然这项“业界领先的制造技术”是针对工厂制造而设计的,不过其目标确实优化人工装配过程,而不是针对机器人。

Harlow表示:“人类相比机器人具有智慧优势,机器人只能按照程序工作,而人却可以放置昂贵的零件被损坏,并根据安装工作设计的安全和人机工程问题提出反馈意见。”

奔驰利用计算机建模优化CLA空气动力学性能

奔驰CLA车身空气动力学改进项目负责人Norbert Fecker介绍:“要增强一辆车的空气动力性能并减少其风阻系数需要在各个细节上做出改善,甚至每个细节部位仅改进千分之一,那么其合力也是非常可观的。”

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减少车辆风阻系数靠单一的解决方案远远不够,它需要不断地在各部件上进行持续的改进,例如后箱盖调高一点,发动机盖条纹改变一些,等等。

工程师们利用风洞对车辆进行测试,对从车轮拱到后扰流板的任何可改善空气动力学的部件进行分别试验。

奔驰CLA虽是奔驰A级掀背车的最新款车型,其平台与动力总成与奔驰A级也相同,但车身部件方面除了全景天窗以及发动机盖与A柱的倾角相同之外,没有一处与该系列其它车型相同,这也就意味着工程师需要对每个部件进行重新的分析与测试。风洞采用直径9米的风扇,最高气流流速为265千米/时,能够模拟汽车在现实路况中行驶的情景。

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在风洞试验中,工程师将散热器叶片、后车灯透镜弧度进行改变,提高车尾部形成类似卡姆式车尾翼,后保险杠下方安装一个扩散器,车底部分包括后轴中间部分都采用密封处理。此外消声器也经过了空气动力学处理。

奔驰A级和B级车在前后车轮轮拱处采用锯齿状扰流板以降低线性湍流,气流能够在经过车轮时发生偏转形成稳定的剪切层。CLA车型与其的处理方法类似。

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Fecker解释道:“轿跑风格的车架是最佳的空气动力学形态,它使车辆的后躯部分在视觉上更为显著。另外在A级掀背车的基础上,CLA将车后长度增加了30厘米也同样对减小风阻系数起到了一定作用。”Fecker团队的研究表明,降低CLA的风阻系数0.04个Cd能减少该车以130公里/时速度巡航时0.5升/百公里的油耗,二氧化碳排放量减少了13克/公里。使用其他方法同样能够减少二氧化碳排量,达到同等效果则需减少底盘35千克的重量。

福特利用建模优化C-MAX Energi燃效

利用电脑建模确定油耗的做法在近几年正逐步兴起。过去可能有各种模型,燃烧系统模型、变速器模型、电池模型和相关组件的模型,然后,可能还有另一个模型用于分析气候控制设置和空气动力。每个模型都独立工作,例如:发动机模型就是为了尽量提高燃烧效率。

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计算能力的发展,提高了精确度。虽然还没有利用单个模型来预测总体效果,但各模型都关联了起来,如今已经能够用于评定油耗。

福特动力总成电气化总工程师Mazen Hammoud博士称,福特尝试针对习惯不同速度的一般用户进行预测。该模型通过一个收集插电式混合动力车用户的充电习惯——充电频率和使用时长。有的用户每天仅在充电站充电,有的用户仅在每晚充电,福特分别为这两种用户进行建模和比较。

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Hammoud 表示:“在整车层面建模——发动机舱温度和空气动力——需要在模型中假设各种行驶条件中各种系统间的互动。例如:时速60英里时的空气阻力与时速80英里时是不同的。”

另一个可变因素,与汽车的热机过程有关。这是模型最复杂的部分:有的用户可能一天跑好几个短途,而有的用户发动一次汽车,开车去上班,然后晚上再开车回家。热机过程涉及活动部件的润滑、变速器、发动机和空调系统等。除了驱动汽车的直接动力外,所有这些部件都需要能量。

“所有这些能量都来自燃油或电力,”他说。“甚至包括加热座椅或调节座椅。我们尝试着重新生成能量,但总体而言,所有能量都来自这两个来源。每使用一点能量,续航里程数都会减少一点。”

福特C-MAX Energi在高速公路上的额定油耗是41英里/加仑,但在使用油电混合动力时可以达到100英里/加仑。满电的发动机时速高达85英里,纯电力模式下可以跑21英里。当然用户可以选择“保持模式”来保存电量,等需要时再启用——例如,当你在市区低速行驶时,就可以充分利用电动优势。

“我们的大部分数据都来自实验室,”他说。“实验室营造了最理想的环境,风、汽车热机等干扰因素没有被纳入模型中。随着我们对插电式混合动力及其使用方法的深入理解,我们正在开发更多的模型,但目前还没有完成。我们将把这些成果与实际驾驶和实验数据相关联,因为只有关联起来,才能派上用场。”

最终模型将监测汽车内的所有数值——从加热座椅,到变速器温度——并生成数据。目前,基于用以验证实验成果的真实测试,用该数据预测平均值。

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