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【盖世直播】童辉:新能源汽车CAE综合仿真技术解决方案

2017-04-20 15:47:30 盖世汽车
核心提示:“2017第九届全球汽车产业峰会”现场直播!


,第九届全球汽车产业峰会

ANSYS汽车解决方案技术经理、高级应用工程师 童辉

谢谢大家,非常高兴能够在这个舞台上对大家介绍一下Ansys在整个汽车行业内的总体方案,尤其是在面向创新仿真领域安全实施怎么解决的就聘。现在汽车行业也在变革,尤其是这两年,随着国家在提倡2025规划,而汽车行业是我们在十大行业里边的一个很重要的应用。我们知道中国制造2025其中有一个很重要的一个点,就是节能与新能源汽车,在这个报告里我们最核心的就是要把汽车领域从传统的较为典型的一个机械结构变成一个机械和系统深度融合的产品。这个报告里很多地方提出了创新这个概念,大概出现了一百次左右,那么怎么才能把汽车行业做一个技术的变革,或怎么实现我们对客户的承诺,我们知道一个好的想法,然后我们可以咱们把他这个想法变成一个程度,我们知道乔布斯说有比较经典的话:一个好想法转变成一个伟大产品,需要极大的工艺和技术的一个研究,想法在不断变化,必须做出大量的权衡,怎么权衡呢?比如设计一款新车的电机或者电池,以前要怎么做的,我们是通过大量的物理样机试制,然后与设计标准做对比,那么这就面临着一个问题,我们的产品它有一个生命周期,如果要进行虚拟测试,我们整个的一个测试环境需要来搭建,然后整个测试时间会拖得比较长,这个时候就会造成很多浪费现象,而比较好的一个办法就是通过仿真。我们知道随着这两年计算机技术的一个发展,我们可以在一个虚拟的环境里边搭建我的一个整车,一个核心零部件,它是一个虚拟模型,那么在这个虚拟模型里边,我就可以对它做一个多工况的参数化和优化,这样一来,我们就可以在很短的时间里边做大量的一个测试。这样一来,它有两个好处,一是压缩测试的时间,二是可以节省研发的成本。

每一个产品都是一个承诺,而通过仿真我们就可以得到一个比较好的性能,甚至通过仿真,得到的结果可能会超越工程师的期望。特斯拉在行业内是非常典型的一家电动汽车公司,而特斯拉跟ansys深度合作,从电机到汽车外形到整车强度都是跟ansys做了大量的战略合作。通过这些仿真,加速特斯拉汽车的上市时间,比如说通过仿真可以实现全电气化,百公里加速可以压缩到3.1秒以内,ansys不仅参与特斯拉的研发,还有很多杭州的同行也参与其中。创新仿真可以让我们的想法变成实际的一个产品。举个例子,传统的我们认为风扇是什么样子呢?就是在天上吊着的这么一个东西,要么就是一个台扇,而戴森公司通过跟ansys的合作,然后在一个虚拟的环境里边做大量的产品测试,其中就涉及到无叶片的风扇,这种无叶片的风扇的设计与我们的传统的风扇相比的话,它整个的风扇的效率比普通风扇的话提高了将近2.5倍,那么在同等功率情况下,他的一个信出去比以前叫提高6到5倍左右。这也就是说,如果要达到一个同样的温度,整个的效率就会提升很多,而这就是另外一种创新。

那么再回到新能源汽车行业,我们知道新能源汽车行业发展非常快,尤其是现在的这种互联网汽车。而汽车领域,对线下的汽车有这么几个要求:整个系统里边有很多无线设备,比如说一些传感器等等。我们知道这两年新能源汽车发展技术非常快,但是有一个很大的瓶颈,就是我们的电池技术,那么能不能让我们的汽车它的一个效率做得更高等等,还有很多的一些问题。此外,这些电池、部件是需要跟系统去做集成的,而这个时候就面临一些控制算法和控制代码的集成的一个问题,在ansys的环境下,我们不只可以把这些具体的部件做一个精确的设计,还可以把这些部件后的代码做一个综合的集成,也就是做一个系统级的调试,而这块就是整个行业目前的一个发展趋势。

以前,我们认为汽车就是一个机械结构,有可能会考虑很多的气动外形。大家很难会把汽车跟手机联系到一起,但是在未来由于下一代通信技术的发展以及智能技术的发展,我们的汽车很可能会和我们的通信行业、手机行业做出一个融合。当然,这会带来很多的机遇,同样也会带来很多的挑战,如果要做一个非常复杂的联网的汽车,那么有可能你会考虑这些问题,比如说人机界面的设计、性能监测、通信系统、自动驾驶、信息娱乐等。细化来说,这么一个联网的新能源汽车或智能汽车在整个系统内相比我们传统车的传感器会多了很多倍,里边有很多的一些ECU单元,那么它在整个汽车系统里边的代码会有一个急剧的膨胀,已经到了2000万到1亿这么一个代码的级别,有数十个甚至上百个天线这么多,一些部件电控单元代码和天线集成到一块,则就会达到非常高的复杂度,这么高的一个复杂度通过仿真,其实最直接的就是两个点,可以帮大家节省成本,再一个可以让你的产品,让你的想法更快地变成一个现实。

那么怎么在我的设计前期来评估我的工具能不能满足我的一个设计要求?在业界里边,我们认为我们的用户应该从三个维度来评估该工具是不是满足我现在以及长远的要求,第一个买回来的工具,不管是测试的硬件或是软件能不能用起来这个非常重要,因为我们知道我们在座的不管是工程师或者领导都去考虑一个问题:如果我这个东西买回来,如果用不起来的话,那么会造成很大的浪费,所以你这个工具买回来之后能不能有很好的支持,能不能让员工很快的用起来,这个非常重要。那么也就是说你的培训体系和仿真环境能不能搭建起来,这个非常重要。再一个解决问题,那么你这解决问题的一个深度够不够?此外,我现在关注某一个领域,那么将来有可能我不只关注这个领域,我还要关注我横向的一些领域,那么能不能做一个比较好的一个拓展,如果不能做好了拓展的话,后期则会存在一个继续评估的问题,那么便会潜在地造成重新购买的一个风险,同时造成潜在的浪费问题。

ansys经过多年的发展,不止可以提供很多的工具,如电磁场分析、结构分析、流体分析、芯片半导体系统分析,此外,它还可以帮我们用户做一些定制化的开发。ansys是1970年成立的,是做结构软件起家的,大家说你不就是做碰撞分析的吗?不就是做模态分析的吗?不就是做疲劳分析的吗?实际上不是这样子的。经过多年的发展, ansys在产品体系上做了扩展,我们在这两年也应用户的一些需求,在软件的层面上做了很多的定制化的开发,如这边需要做某一个传感器和疲劳分析,那么我就会帮大家定制化的一个这一款产品。当然,ansys并不是万能的,市面上还有很多的工具,甚至我们的客户也买了很多第三方的软件,那么ansys的工具能跟第三方软件能做接口吗?目前来说,像ansys的这些软件或工具的话,能够跟大家熟悉或不熟悉的一些CAD工具,比如说博弈,比如说卡提尔,这些工具做一个交互,简单说一下怎么交互呢?大家现在做产品设计的时候一般来说是这么做的。首先我有一个想法,然后把这个想法做成我们的CAD的图纸,然后把CAD题目图纸进行加工,做一些虚拟的测试,然后测试以后与我的作对比,满足的话就投产,不满足要求的话就修改我的一个CAD设计。大家可以想一下,这个流程非常复杂,那么现在一些比较领先的行业里边,比如在航天领域,现在已经实现了一个什么级别呢?我有一个比较好的想法,首先一样的进入CAD里,边图纸构建出来,然后再倒入这些虚拟的CAD工具里边做大量的强度分析和模态分析等等。做大量的分析以后,有可能你的模型会做一些修改,那么在AC的环境下,做完这些分析以后,这个模型可以做一个双向的数据传递,也就是说一旦做了修改,那么你的CAD只会做一个迭代,好处就是,我可以出现一个无图纸画的设计,现在很多一些先进的行业内已经可以实现这么一个流程。那么当然我们知道这么一个复杂的系统或者平台的话,要部署的话也是非常复杂的。

现在手机或者是这种通信技术发展也很快,有没有可能将来我在手机上或者在我家里边就可以对一个比较复杂的工程进行监控,同时实时交互,那么ansys现在的这些工具都可以通过一些外部的方式,通过一些APP的方式,让跟一些大的计算中心做这种相互的一个交互。ansys就是在整个CAE行业里边全球第一大的供应商,它的体量要大于后面三家小的对手的体量。而在整个财富500强的前100强里边有96家是ansys的用户,我们在全球大概将近有2700多的员工,当然跟我们在座得很多企业的一些领导管理员工相比来说是要少很多的,但大家要知道在2700个员工里边,其中将近一大半是我们在很多专业领域里边有硕士或博士学位的一些专业的CAD工程师,这一数量是非常非常巨大的。而在国内我们大概有四家直属分公司,一共有18家的二级代理商和三级代理商支持体系。所以大家后期如果使用ansys不用担心软件的使用度的问题。另外,因为ansys从零几年开始的整个财务成长期值都是百分之十几,在这个业界里面是非常难得的。因为有了这么一个比较长的一个财务的独立,我们可以保证我们可以持续的把我们的投入投到我们研发上,保证大家后期能够用起来。

这是ansys简单的一个概括ansys具体有哪些解决方案,比如说我们在做新能源汽车内,发动机的前机舱的一些散热分析可以通过ansys的来做设计,一些混合动力汽车旋转机械可以通过ansys的软件的分析,结构碰撞以及汽车内的一些控制芯片甚至软件都可以通过ansys的五大产品线进行分析、更为重要的是我们在设计领域内,某一款产品已经不可能说是纯粹的是一个电磁或者结构或流体的问题,它往往是这种相互交互的,而在ansys的环境下,我门可以在统一的一个环境内共用一套图纸,共用一套数据,对它进行一个综合的一次计算,我们可以得到它的一些电磁结构,流体的性能。更重要的是后期如果要考虑一些控制系统的性能的话,那么ansys还可以把我们的半导体,把我们的软件和这些不同的物理做成一个大的系统,那么做这种系统级别的综合防治分析。

用户最大的一级核心零部件供应商里边有17家,那么再跟AC是做长期的战略合作,当然还有很多的一些用户,比如说我们国内的长途,我们经过多年的发展,不统计核心零部件这一块,我们大概将近有40家的用户在做。那么我们知道新能源汽车是非常复杂的一个系统,而在AC环境下的话,我们格式可以实现一个多学科的系统仿真,在统一的环境里边可以实现一些电器结构流体的一个综合的一个系统仿真,比如说他可以这么一个环境,可以跟我的一些3D的仿真工具进行结合,比如新能源汽车里边很核心的新能源车的电机,而电机的话可以跟我的系统做集成,那么我们跟第三方的工具通过FM的接口做一些互动,当然软件里边很多各种各样的库,比如说像AR这些公司,他们的一些库都是有的。有了这些支撑的话,我就可以做一个比较精确的系统化的分析。而这是目前来说我们在整个气场里边列出来的部分。安杰斯的用户其中左边是我简单列的一些应用,实际上在汽车内,它拆分的是非常细的,因为这张图是放不下的。我们大概在总体的形成行业里面一共有11个垂直应用,我大概列出了四家,每一个大的应用里边还有一些紫的应用,那么每一块我们都有对应的一些解决方案成功案例和一些白皮书。

那么新能源汽车里边我们知道结构流体,我不做过多的介绍,我们先谈一下我们的三电,比如说我们的电机,以前在新能源汽车里边,我们知道它跟我们的其他行业有可能不太一样,因为你面临着一个恶劣工况的问题,那么这时候就需要在一个统一的环境里边对我电机本体,那么他的一个路算法进行一个设计,那么设计完了以后的话,我的一个厂分布是什么样子的?我的一些特定的结果能不能得到我惦记?做完好以后能不能跟我系统做一个联调,那么在实际的环境下,可以在一个统一的环境里边从初始的一个电机开始,电机的设计参数调和到精确的,有些人计算到后,处理的结果跟我的系统做联调,在一个统一的环境里面做一种闭环和迭代。

这是我们跟国外的用户合作完成的一个案例,即一个2500转的300伏的永磁同步电机,我们知道电机设计师在对新能源汽车电机来说,它上面有很多的这种永磁体,那么如果你的电机的热设计如果做得好的话,比如说做了200多或300度,那么这时候有可能会造成一些不可逆的去磁,那么电机的性能就会降低很多,而能不能通过仿真在设计的前期尽可能对电机的性能做一个预估,如果电机的发热会比较厉害,那有没有可能通过一些其他的方法把它温度降下来,这块的话我们跟实际的用户做了一个测试,然后在仿真环境下大概也就用了两天时间就把这个电机整个的一个电磁性能和它的热性能全部评估出来,通过仿真分析结果,那么这块的话大概有很多的一些温度传感器像二零几都是用传感器做了很多对比,除了20%的仿真误差以外,那么它的一些温度性能跟我们的实际测试的误差都在5%,那么5%的一个精度是非常难得的。

除此以外,新能源汽车把发动机改成了电机。我们知道机械的这种噪声人的耳朵往往还是能够忍受的,但是如果是这种电磁的这种消叫电子噪声,有他的恩威的性能的话,往往是无法忍受的,而我以前只能通过一些测试的方法,然后给它加一些垫片等等,改进它的结构,我们可以在一个统一的环境下对我们的电机从电子厂到噪声做一个综合的分析,看一下我这个电机,如果是这么装的车上的,那么它整个电机和整个车协同的时候,它的噪声分布是什么样子的,在软件里边得到这个结果并不是最重要的,根据我的经验,我可以给它改进设计,然后来降低这么一个噪声,现在除了电机以外本体的一个电子性能它的一个噪声问题都可以进行解决。当然像一些比较复杂的控制系统问题, ansys也可以跟一些第三方的工具做一些硬件在环或软件在环或模型在环。而这些工具做了一个叫半数仿真,这块的话也有很多的。

第二块电池,我们知道电池技术的话也是比较限制我们新能源汽车发展的这么一个关键技术,那么在ansys的环境下怎么解决呢?ansys通过虚拟的仿真分析可以做到什么程度呢?如果你的研究是从底层开始的话,我甚至可以从分子层面从材料分层面逐步的给你做到系统面做综合的方式分析。通过这种仿制分析的话,就可以对我电池的一个整体的性能做一个综合的预判,比如说它的温度响应,那么做一个综合分析。当然的话,在实际的工程中,因为大家毕竟做工程的,不太可能从分子层给它做,那么你可以倒着来做,从顶层的系统来做,然后逐步的细化我的设计,在ansys环境下,由于我们的产品比较全,所以这两条路都是可以来实现的。2008年我们跟通用公司合作的一个案例,通用并不做电池的设计,但是它会把这些电池模组买回来以后做一个封装的设计,通过仿真分析,这是它最原始的方式。最原始的方案的话就这样,明显的发现它中间几块电池发热会比较厉害,那么底下几块的温度分布会比较合理一些。但是我们知道这是一个水桶原理,你如果上面四个电池它分布温度分布不均匀的话,就带来一个很严重的问题,在你的实际运行的时候,上面四个这种电池有可能就会烧毁,一旦这四个电池烧毁以后的话,那么会牵连我们其他电池的一个运行情况,所以的话,那么整个电池的一个散热系统该怎么设计这个就非常重要,那么在ansys的环境下,我可以对整个电池它的个封装和散热做一个综合的分析,当然电池做好以后的话,我们可以把很多的电池做一个电池包的封装,做一个分析散热的分析。

还有一块,就是电子兼容,如果单讲电机、电池,很多工程师觉得我还有很多经验,但是电子兼容该怎么做我们知道,给他举个例子,在1982年的时候,英国和阿根廷打了一场马岛海战,在当年的时候,英国人的话在当年的那个时代,实际上这种电磁兼容基础做得并不是很好,所以英国人就横渡太平洋横渡大西洋,在两万公里远处和阿根廷作战,那么就面临一个很严重的问题,就是指挥官怎么做,就通过这种卫星天线来做,卫星电话来做,就实时地通过卫星电话跟英国大本营来汇报,但在那个年代就像我说的这种电磁兼容问题解决得并不是很好,就带来一个问题,他的卫星电话一旦开机的时候,那么它的一个预警雷达就出了问题了,就不能同时工作,预警雷达一开的话,它的一个通信天线就出了问题。英国人为了跟它的本土来做汇报,所以在那个时间段就把它的一个预警雷达给关掉,很不幸的这个时候,阿根廷人就发出了飞鱼把他的谢菲道驱逐舰打沉了。这就是一个比较典型的电子兼容的问题,说白了电磁兼容就是不同的电子设备之间能不能同时工作,同时运行。

新能源汽车的行业里边,新能源汽车与传统车相比来说它整个的一个电子设备,我们做了一个简单对比,至少在40%以上的一个数量提升,而且这些电子设备你有驱动电机,你有一些ECU单元,你有一些电池,这些不同的电子设备,它的功率等级都是不一样的,那么你的强电有可能会对弱电产生一些辐射干扰或者串扰。再举一个比较极端例子,假设我们的新能源汽车或者是某一个核心零部件,它的电磁兼容性做的如果不好的话,会产生什么后果呢?比如说20年后我老了以后,假设我的心脏不太好,我接了一个心脏泵在我的心脏,在我的身体里边,但是我坐这个车是新能源汽车,如果电子兼容性做的不好的话。一踩刹车,那么这控制系统把它的电流会有一个脉冲,一个尖峰,如果电子兼容的一个屏蔽做得不好,它就会发射出去,那么如果很不幸的跟我的心脏里边的工作频率如果比较接近的话,就会产生这种电磁谐振,那么我这个心脏不就挂掉了,那么有可能我整个人的生命就受到了一个威胁,所以电子兼容的问题轻者来说会造成你设备的一些运行不正常,重者来说的话车毁人亡。所以的话电磁兼容问题也是我们在新能源汽车行里边应该非常重视的一个问题,那么这块的话稍微给它展开介绍一下。

在电子金融领域里边,我们知道有个三要素,要做电磁兼容分析的话,它的干扰源是谁,它的耦合路径是谁,它的被干扰体实验是什么,所以电子兼容分析对工程师要求非常高,而ansys可以从底层的部件干扰源开始来做起分析,你也可以从顶层的一个屏蔽效能这种开始做起,那么ansys可以从部件、设备级和系统级三个层面来帮大家做这种EMA或者EMC的一个分析。

EMC实际上分两块,一个是EMI,一个是EMS,就是电子干扰和抗扰,说白了就是我对别人的干扰和别人干扰我的时候,我对他的一个抵抗的程度,在EMI这程度又分了好几块,传导干扰和辐射干扰。电是通过线缆传导走的,还是通过电磁波辐射走的?那么在ansys的环境下,我可以对整个的一个传导干扰的一些核心零部件做精确的建模,做传导干扰分析。当然的话,如果大家不做传导干扰分析,不做具体PCB的话,你可以做一个顶层的一个系统级的分析,比如说我的新能源汽车里边,你首先得明确一下最大的干扰源是谁,应该就是变流器跟电机和线缆。我就可以把这些部件它的一些结果通过测试也好,通过长路分析也好,或者通过一些分析工具也好,导入我们的系统工具里边来分析这些部件在整个车里边或者一些和心零部件里边它的分布,然后得到这个结果以后优化它的一些布局。

那么第四块,我们知道新能源汽车或者说将来的我们的互联网汽车里边,那么有一个比较火的行业就是我们的辅助驾驶,那么这实际上它就是通过各种各样的一些雷达、天线来判断我车辆的位置,车辆的速度,感知外部的环境。那么天线能不能准确的感知它的一个工况,那么在ansys的环境下,我们可以对天线做一些比较精确的天线布局设计、系统分析。这应该也是我们在前些年的一个真实的案例,在美国那么一辆车由于它的一个控制系统的问题,造成了整个系统控制的一个失真,造成的一个车毁人亡,大概有四个人的死亡。

如果要对这个系统做一个比较好的设计的话,保证安全性,车辆测试是非常有用的,但是比较好的办法是在一个虚拟的环境里边对它的一些工况、性能做一个综合的分析,那么ansys的话实际上是能够做到的,当然的话时间问题不做过多介绍。

最后两部分,一个是仿真体系,像我说的软件的深度和广度,大家不用做过多的担心,而且能够做到,那么在软件的使用上的话,那么ansys的话有这种字体的培训体系以及我们公开的一些环境,那么可以让我们用户可以快速的学习软件,而软件的使用大家不用关心,那么另外一块如果后期大家会有一些比较复杂的问题的话,也可以提供一些专家或者辅导书帮大家来实现。

最后,也欢迎大家添加ansys的官方微信或者官方微博。我们知道在X光分析里边有很多跟汽车相关的应用,从底层不见到核心的一些零部件,到底个系统当然的话,也欢迎大家跟我们来做一些互动,如果有问题的话可以给我发邮件,也可以打电话,那么我第一个内容就这些,谢谢大家。

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