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如何用仿真实现更好的整车性能集成

2019-08-28e-works 张瑾

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2019年7月,2019 Altair技术大会在上海举行,会议期间,e-works记者受邀对广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院整车集成部性能集成科科长袁侠义和空气动力学博士陈志夫进行了专访。

    2019年7月,2019 Altair技术大会在上海举行,会议期间,e-works记者受邀对广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院整车集成部性能集成科科长袁侠义和空气动力学博士陈志夫进行了专访。袁侠义科长和陈志夫博士围绕汽车性能仿真、CFD、新能源汽车性能集成与CAE等相关问题,对仿真在汽车整车集成过程中的作用,我国汽车整车集成现状,以及新能源汽车整车集成的仿真难点等进行了解读。

广汽研究院整车集成部性能集成科科长袁侠义

广汽研究院整车集成部性能集成科科长袁侠义

    1+1>2的合作

    广汽和Altair的合作始于2011年,当时广汽研究院在仿真方面还只有仿真分析部一个相关部门,Altair参与了广汽第一代传祺系列车型的开发工作,为该系列车型轻量化提供服务。之后,广汽研究院对仿真业务进行了调整,将CAE工程师根据业务内容划分到不同的部门,与Altair的合作也一直持续至今,双方在软件、工程服务、CAE二次开发等方面达成了良好的合作基础,每年在业务上都有增长。

    袁侠义表示,Altair拥有在CAE领域强大的前处理能力,这是广汽选择的初衷,基于Altair HyperWorks软件平台,广汽在汽车整车集成仿真发展阶段获得了想要的分析能力。在接下来的几年,Altair不断提升自己的业务,双方合作的领域范围越来越广,尤其是近几年在CFD和超级计算平台调度等领域,与Altair的合作为广汽推进CAE带来了很大的帮助。在袁侠义看来,如何让CAE” 更准确、更高效、更低成本”一直是企业在CAE应用上的追求,之前由于计算机资源达不到相应的标准,很多人认为通过CAE计算得来的结果比不上实验来的准确和快捷,这几年随着计算机的发展,并行计算、云计算、超级计算等技术为克服这些难点带来了新的解决方案。目前,国内大部分超级计算平台调度的服务都是由Altair提供,袁侠义相信,随着超级计算的发展,CAE计算结果留给人们不准确的印象也将成为过去,CAE会更好的在工程开发领域发出它应有的声音。

    而在广汽研究院整车集成部性能集成科空气动力学博士陈志夫眼中,Altair的仿真软件给他带来的是更多量化的数据。

    陈志夫表示,他们一直有一个初衷:要实现仿真驱动设计,提升效率,缩减整个开发过程中的试验与CAE投入总成本。因而,他们也一直在寻找相应的更先进的工具。去年开始Altair带来了最新一代的CFD技术,跟传统的CFD技术相比,明显的区别在于新一代技术将LBM跟GPU计算两种最低成本的方式结合,两者组合在一起发挥了1+1>2的功效。具体体现在三个层面,一是效率。对CFD工程师而言,用传统的CFD方法可能90%的工作花在前处理方面,例如搭建一个整车模型,一个熟练的工程师估计要一个月,用了新一代的CFD技术以后,基本上几天就能完成,最快甚至能压缩到一天;二是计算。新一代的CFD技术采用GPU计算,计算处理的能力大大高于CPU,时间按倍数级来提升。此外,也能获得更高的计算精度,LBM的方法本身是一个瞬态的技术,与真实的物理环境更加接近的,同时也就意味着它算出来的结果是更表达实际物理状态下的性能的表现;三是使用的资源成本。效率提升了,相应的人力投入减少,释放出更多的人力去专注于其它方面。而要达到同等规模的计算能力,GPU服务器跟CPU服务器相比也要便宜很多。陈志夫告诉记者,采用新的技术以后,目前总成本可能只是原来的10%。

    整车集成与CAE

    袁侠义表示,整车集成可以简单理解为主要包括三个维度,物理集成、性能集成和策略集成。传统汽车企业在CAE领域会用到的主要是性能集成,性能集成维度里面又分多种性能,例如动力性、空气动力学、热管理、NVH、车辆动力学等,CAE是实现这些性能集成开发的一个工具。最传统的工具是人脑,通过思维想象出物体的雏形然后做出来,有了CAE以后,就可以先将人的思维用计算机来做模拟并验算一遍,接着是实物出来以后做测试, CAE这个工具能被应用到众多领域,三大块集成都包含其中。

    随着社会的发展,作为代步工具的汽车中很多零部件都会电子化,策略集成在未来将会成为一个重要方向。以前汽车内大部分零部件都是机械化,不需要太多运作的策略,但是往后可能所有的零部件都会电子化。目前一些先进汽车车身上的控制器可能达到一百多个,如何在整车层面去控制所有的零部件,在执行某一具体指令时完成统一运作,在电子化跟智能化以后,策略集成将是整车集成中的重要工程,仿真也会在其中发挥巨大的作用。

    在袁侠义看来,目前市场上对整车集成的概念普遍还处在物理集成层面,即如何将汽车各部件组装到一起,因为这个工作量是看得见的,人们对此比较容易形成直观的印象。而性能集成和策略集成可能是看不见的,通常能被看到的是集成后的某些专项性能,比如在性能集成中看到的可能是动力经济性、车辆动力学、碰撞安全等单项比较清楚的能够表达出来的性能,但是它们彼此之间是怎样的关系,在最早做性能集成时是如何选择定位,以及如何定义性能目标等,可能是无法让人们感受到的,但是这一块恰恰是性能集成最应该发挥作用的。

    性能集成的目的是在车型定位的时候对各项性能进行一个最佳最优的目标设定,并让它在规定的时间、规定的成本内呈现出来,而不是让某一项性能只是随着本身的最大要求去发挥,甚至将别的性能变得更弱,这样出来的车型无法满足市场对整车产品的整体需求。例如某些单项性能开发能力很强会引领了很多技术方案的选择偏向,从而影响其它性能在开发过程中对于技术方案和资源的获取,这个时候,性能集成就应该开始发挥作用。

    袁侠义表示,这是性能集成中最难的部分,它需要有一个团队或一个人对所有的性能开发都非常了解,从而才能够对所有性能进行协调和平衡,这在中国自主品牌开发里面也是最难的,缺少性能集成开发经验的工程师和团队。一个工程师需要了解众多性能,以及通过大量项目经历和长时间的累积,还有数据。广汽传祺目前只有十多年的历史,积累的数据相比标杆企业较少,一定程度上影响性能集成工作的开展。在性能集成过程中,需要所有数据透明化,数据之间彼此能对话,才能够让各项性能平衡,设计出最恰当的产品。人、数据以及流程是自主品牌做性能集成的三大壁垒,要有高资历懂很多性能开发和集成设计的人才,要有数据积累从而便于团队实施,更要有最适合的工作流程,让整车集成发挥作用。

    陈志夫从空气动力学领域表示,汽车整车集成遇到的瓶颈主要来自两个方面,从仿真角度,空气动力学是流体力学的一个分支,而目前流体力学理论基础还不完善,基础理论缺失会导致CFD方法层面也存在某些层面的缺失,可能需要经验或者实验数据来进行修正和补充,导致CFD工具在某些应用层面可信度需要进一步的提升;从试验层面,空气动力学相应的试验需要风洞实验室支撑,而风洞实验室建造成本大概在几亿人民币,且单次试验费用昂贵,现在中国已经在运营的只有上海同济大学一家,此外还有几家在建,国内自主品牌企业也只有广汽在建全尺寸的气动风洞,相对应的国外每个汽车品牌巨头都有几座汽车风洞实验室。风洞是离用户实际使用最真实的测试条件,这一现象会导致相应的开发资源往CFD倾斜。

    新能源汽车的整车集成困境

    袁侠义表示,广汽在新能源汽车方面有明确的战略计划,相应的新车型会陆续上市。新能源车型的出现对传统工程开发带来了很多挑战,尤其是在CAE领域。之前长期积累的开发模式对传统车更实用,现在新能源的三电系统(电池、电控、电机)从前期的仿真到测试到可靠性的设计,都没有相应的数据积累,如何把开发传统汽车总结出来的流程方法工具,快速应对到新能源车型开发中,是整车集成要解决的关键问题。

    陈志夫表示,新能源汽车在整车集成中CFD方面面临的挑战主要来自两个方面,一是需要降低能耗,其中空气动力学里面的气动阻力是其中一个比较典型的能耗,尤其对于高速续航而言,跟传统内燃机的集成相比,性能对阻力的要求更高;二是风噪,传统车有一个发动机,对于纯电动车来讲,由于缺少了发动机的噪声,其它的噪声变得更容易暴露,尤其对于高速风噪,新能源车开发对这个性能的提升也更为严格。

    袁侠义最后告诉记者,广汽对开发模式的进步是持续的将可能存在问题前置,在概念设计、前期设计完成的时候,理论上所有的问题都已经被解决,目前性能开发遇到的问题在前期有60%~80%都能应用CAE来解决,广汽研究院开设了一个仿真体系工程建设课题,目的在于推进仿真技术成为“更准确、更高效、更低成本”的工具,提高项目开发中仿真技术的覆盖率,希望将来每一个性能,每一个零件的设计都有相应的CAE技术能力支撑。

责任编辑:张瑾
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