計(jì)算機(jī)模擬在汽車(chē)行業(yè)應(yīng)用將興起

計(jì)算機(jī)模擬在汽車(chē)設(shè)計(jì)、測(cè)試中重要性日益增加，讓工程師能夠花費(fèi)更少的時(shí)間對(duì)汽車(chē)組件進(jìn)行優(yōu)化和完善。

事實(shí)上，梅賽德斯-奔馳已經(jīng)全新的奔馳CLA上采用了計(jì)算機(jī)模擬的方法優(yōu)化該車(chē)空氣動(dòng)力學(xué)性能，克萊斯勒利用最先進(jìn)的模型來(lái)設(shè)計(jì)出更好的制造工廠，而福特則通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬分析C-MAX Energi這款車(chē)中的燃效數(shù)據(jù)。

如此看來(lái)，汽車(chē)制造業(yè)已經(jīng)離不開(kāi)計(jì)算機(jī)模擬。讓我們來(lái)看一下計(jì)算機(jī)模擬究竟是何物。

克萊斯勒利用計(jì)算機(jī)模擬建造更好的動(dòng)力總成工廠

我們正在踏入物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，越來(lái)越多的設(shè)備都將實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，更多的數(shù)據(jù)將會(huì)幫助汽車(chē)制造商更高效地制造汽車(chē)。目前計(jì)算機(jī)已經(jīng)可以用來(lái)跟蹤庫(kù)存信息，不過(guò)，克萊斯勒已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種新的模型，能夠跟蹤指定零件在工廠內(nèi)的位置以及工人安裝該零件需要的動(dòng)作。

克萊斯勒負(fù)責(zé)動(dòng)力總成生產(chǎn)的副總裁Brian Harlow表示，克萊斯勒目前采用的是世界一流的生產(chǎn)流程。在裝配動(dòng)力總成和發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)的安全性、安裝過(guò)程和風(fēng)險(xiǎn)分析都可通過(guò)三維建模得以實(shí)現(xiàn)。“我們希望工人利用最少的時(shí)間將零件裝配在正確的位置。” Harlow說(shuō)。

那變速箱總裝過(guò)程舉例。在裝配過(guò)程中，需要一根長(zhǎng)15英寸，直徑8英寸的圓柱型元件?？巳R斯勒創(chuàng)建一種計(jì)算機(jī)模擬方案，能夠展示該元件在工廠中的精確位置并提示優(yōu)化安裝的方法。工人們能夠看到精確的零件安裝說(shuō)明，包括安裝位置和安裝手法。

Harlow說(shuō)，這僅僅是一個(gè)開(kāi)始。在將來(lái)，克萊斯勒還將創(chuàng)建其它的計(jì)算機(jī)模型，展示獲取零件并將其運(yùn)輸?shù)焦S的途徑。甚至通過(guò)模型能夠預(yù)測(cè)零件安裝后的情況，并基于此優(yōu)化零件并延長(zhǎng)其使用壽命，其中包括零件使用的材料。

有趣的是，雖然這項(xiàng)“業(yè)界領(lǐng)先的制造技術(shù)”是針對(duì)工廠制造而設(shè)計(jì)的，不過(guò)其目標(biāo)確實(shí)優(yōu)化人工裝配過(guò)程，而不是針對(duì)機(jī)器人。

Harlow表示：“人類(lèi)相比機(jī)器人具有智慧優(yōu)勢(shì)，機(jī)器人只能按照程序工作，而人卻可以放置昂貴的零件被損壞，并根據(jù)安裝工作設(shè)計(jì)的安全和人機(jī)工程問(wèn)題提出反饋意見(jiàn)。”

奔馳利用計(jì)算機(jī)建模優(yōu)化CLA空氣動(dòng)力學(xué)性能

奔馳CLA車(chē)身空氣動(dòng)力學(xué)改進(jìn)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Norbert Fecker介紹：“要增強(qiáng)一輛車(chē)的空氣動(dòng)力性能并減少其風(fēng)阻系數(shù)需要在各個(gè)細(xì)節(jié)上做出改善，甚至每個(gè)細(xì)節(jié)部位僅改進(jìn)千分之一，那么其合力也是非?？捎^的。”

減少車(chē)輛風(fēng)阻系數(shù)靠單一的解決方案遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，它需要不斷地在各部件上進(jìn)行持續(xù)的改進(jìn)，例如后箱蓋調(diào)高一點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)蓋條紋改變一些，等等。

工程師們利用風(fēng)洞對(duì)車(chē)輛進(jìn)行測(cè)試，對(duì)從車(chē)輪拱到后擾流板的任何可改善空氣動(dòng)力學(xué)的部件進(jìn)行分別試驗(yàn)。

奔馳CLA雖是奔馳A級(jí)掀背車(chē)的最新款車(chē)型，其平臺(tái)與動(dòng)力總成與奔馳A級(jí)也相同，但車(chē)身部件方面除了全景天窗以及發(fā)動(dòng)機(jī)蓋與A柱的傾角相同之外，沒(méi)有一處與該系列其它車(chē)型相同，這也就意味著工程師需要對(duì)每個(gè)部件進(jìn)行重新的分析與測(cè)試。風(fēng)洞采用直徑9米的風(fēng)扇，最高氣流流速為265千米/時(shí)，能夠模擬汽車(chē)在現(xiàn)實(shí)路況中行駛的情景。

在風(fēng)洞試驗(yàn)中，工程師將散熱器葉片、后車(chē)燈透鏡弧度進(jìn)行改變，提高車(chē)尾部形成類(lèi)似卡姆式車(chē)尾翼，后保險(xiǎn)杠下方安裝一個(gè)擴(kuò)散器，車(chē)底部分包括后軸中間部分都采用密封處理。此外消聲器也經(jīng)過(guò)了空氣動(dòng)力學(xué)處理。

奔馳A級(jí)和B級(jí)車(chē)在前后車(chē)輪輪拱處采用鋸齒狀擾流板以降低線性湍流，氣流能夠在經(jīng)過(guò)車(chē)輪時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)形成穩(wěn)定的剪切層。CLA車(chē)型與其的處理方法類(lèi)似。

Fecker解釋道：“轎跑風(fēng)格的車(chē)架是最佳的空氣動(dòng)力學(xué)形態(tài)，它使車(chē)輛的后軀部分在視覺(jué)上更為顯著。另外在A級(jí)掀背車(chē)的基礎(chǔ)上，CLA將車(chē)后長(zhǎng)度增加了30厘米也同樣對(duì)減小風(fēng)阻系數(shù)起到了一定作用。”Fecker團(tuán)隊(duì)的研究表明，降低CLA的風(fēng)阻系數(shù)0.04個(gè)Cd能減少該車(chē)以130公里/時(shí)速度巡航時(shí)0.5升/百公里的油耗，二氧化碳排放量減少了13克/公里。使用其他方法同樣能夠減少二氧化碳排量，達(dá)到同等效果則需減少底盤(pán)35千克的重量。

福特利用建模優(yōu)化C-MAX Energi燃效

利用電腦建模確定油耗的做法在近幾年正逐步興起。過(guò)去可能有各種模型，燃燒系統(tǒng)模型、變速器模型、電池模型和相關(guān)組件的模型，然后，可能還有另一個(gè)模型用于分析氣候控制設(shè)置和空氣動(dòng)力。每個(gè)模型都獨(dú)立工作，例如：發(fā)動(dòng)機(jī)模型就是為了盡量提高燃燒效率。

計(jì)算能力的發(fā)展，提高了精確度。雖然還沒(méi)有利用單個(gè)模型來(lái)預(yù)測(cè)總體效果，但各模型都關(guān)聯(lián)了起來(lái)，如今已經(jīng)能夠用于評(píng)定油耗。

福特動(dòng)力總成電氣化總工程師Mazen Hammoud博士稱(chēng)，福特嘗試針對(duì)習(xí)慣不同速度的一般用戶進(jìn)行預(yù)測(cè)。該模型通過(guò)一個(gè)收集插電式混合動(dòng)力車(chē)用戶的充電習(xí)慣——充電頻率和使用時(shí)長(zhǎng)。有的用戶每天僅在充電站充電，有的用戶僅在每晚充電，福特分別為這兩種用戶進(jìn)行建模和比較。

Hammoud 表示：“在整車(chē)層面建模——發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度和空氣動(dòng)力——需要在模型中假設(shè)各種行駛條件中各種系統(tǒng)間的互動(dòng)。例如：時(shí)速60英里時(shí)的空氣阻力與時(shí)速80英里時(shí)是不同的。”

另一個(gè)可變因素，與汽車(chē)的熱機(jī)過(guò)程有關(guān)。這是模型最復(fù)雜的部分：有的用戶可能一天跑好幾個(gè)短途，而有的用戶發(fā)動(dòng)一次汽車(chē)，開(kāi)車(chē)去上班，然后晚上再開(kāi)車(chē)回家。熱機(jī)過(guò)程涉及活動(dòng)部件的潤(rùn)滑、變速器、發(fā)動(dòng)機(jī)和空調(diào)系統(tǒng)等。除了驅(qū)動(dòng)汽車(chē)的直接動(dòng)力外，所有這些部件都需要能量。

“所有這些能量都來(lái)自燃油或電力，”他說(shuō)。“甚至包括加熱座椅或調(diào)節(jié)座椅。我們嘗試著重新生成能量，但總體而言，所有能量都來(lái)自這兩個(gè)來(lái)源。每使用一點(diǎn)能量，續(xù)航里程數(shù)都會(huì)減少一點(diǎn)。”

福特C-MAX Energi在高速公路上的額定油耗是41英里/加侖，但在使用油電混合動(dòng)力時(shí)可以達(dá)到100英里/加侖。滿電的發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)速高達(dá)85英里，純電力模式下可以跑21英里。當(dāng)然用戶可以選擇“保持模式”來(lái)保存電量，等需要時(shí)再啟用——例如，當(dāng)你在市區(qū)低速行駛時(shí)，就可以充分利用電動(dòng)優(yōu)勢(shì)。

“我們的大部分?jǐn)?shù)據(jù)都來(lái)自實(shí)驗(yàn)室，”他說(shuō)。“實(shí)驗(yàn)室營(yíng)造了最理想的環(huán)境，風(fēng)、汽車(chē)熱機(jī)等干擾因素沒(méi)有被納入模型中。隨著我們對(duì)插電式混合動(dòng)力及其使用方法的深入理解，我們正在開(kāi)發(fā)更多的模型，但目前還沒(méi)有完成。我們將把這些成果與實(shí)際駕駛和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)，因?yàn)橹挥嘘P(guān)聯(lián)起來(lái)，才能派上用場(chǎng)。”

最終模型將監(jiān)測(cè)汽車(chē)內(nèi)的所有數(shù)值——從加熱座椅，到變速器溫度——并生成數(shù)據(jù)。目前，基于用以驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)成果的真實(shí)測(cè)試，用該數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)平均值。