在汽車的使用壽命中，一些部件會反復(fù)暴露在高達數(shù)百攝氏度的溫度下。這些高溫會持續(xù)多年，零件可能會暴露數(shù)十萬小時。這些條件對發(fā)動機罩下的部件尤其惡劣，發(fā)動機罩的氣流有限，并且容納了車輛最關(guān)鍵的部件。

01什么是VTM？

車輛熱管理（VTM）是一種評估整個車輛部件溫度并減少暴露于過熱的工作。VTM對每一家汽車OEM都至關(guān)重要，出錯的成本可能非常高。產(chǎn)品上市后，由于零件故障或質(zhì)量問題導(dǎo)致的需要額外維修的召回不僅會導(dǎo)致負面宣傳和公司聲譽受損，而且解決成本和時間都非常昂貴。例如，最近現(xiàn)代電動汽車因電池火災(zāi)風險而召回，將使該公司損失約9億美元。2016年，戴姆勒卡車公司自愿召回9000輛卡車，原因是HVAC裝置可能過熱。

在大多數(shù)情況下，這些售后VTM問題是可以預(yù)防的。在設(shè)計過程中，由于缺乏時間進行修改、缺乏適當?shù)牟牧匣蛟O(shè)計模擬不足，VTM問題可能無法得到解決。

02

為什么VTM很難建模？

VTM面臨的一個挑戰(zhàn)是復(fù)雜性，包括需要建模的物理模型和所使用的CAE軟件。

VTM問題的復(fù)雜性

零件熱致失效不會自發(fā)發(fā)生。當零件持續(xù)暴露在臨界溫度下時，就會發(fā)生這種情況。這對于工程師來說是很難正確分析和預(yù)測的。在測試期間，不可能對每個組件進行物理監(jiān)控。例如，由于空間限制，將熱電偶安裝到某些部件上可能會很困難。此外，如果添加了太多熱電偶或監(jiān)控設(shè)備，則添加的硬件可能會改變該區(qū)域的熱流或傳熱性質(zhì)，從而影響數(shù)據(jù)的完整性。所有這些因素都會使確定故障的根本原因變得困難。部件是否因附近較熱部件的輻射而變得太熱而失效？還是因為缺乏氣流？可能是一個不當?shù)母魺岚寤虿划數(shù)牟牧线x擇？模擬有助于深入了解熱問題的位置、方式和原因。

VTM仿真軟件的局限性

除了物理復(fù)雜性之外，可用于預(yù)測VTM問題的仿真軟件也可能很復(fù)雜。VTM模擬需要面向過程，需要對組件和結(jié)果進行大量的準備，這些組件和結(jié)果在本質(zhì)上往往是不穩(wěn)定的。雖然仿真的準確性不斷提高，但設(shè)計專家或工程師的仿真過程的可擴展性仍然是一個挑戰(zhàn)。

模擬也可以從一個用戶到另一個用戶進行不一致的設(shè)置。當模擬在跨越不同地理位置或遵循不同流程的團隊之間共享時，這種差異會加劇。
此外，運行模擬所需的時間可能會令人望而卻步。如果工程師希望實現(xiàn)高保真仿真，CAD到解決方案的時間可能非常長。設(shè)置仿真涉及多個手動步驟，如果在設(shè)計階段需要進一步修改，通常需要重復(fù)這些步驟，而進行重大更改通常為時已晚。一旦生成結(jié)果，后處理和數(shù)據(jù)分析會為過程增加更多的時間。
CFD模擬尤其需要大量培訓(xùn)，以建立模型并準確運行模擬。模擬越復(fù)雜，工程師就越需要掌握最佳實踐和簿記知識，以確保所做的工作準確無誤。

工程團隊面臨嚴格的時間限制

參與VTM的工程師面臨的另一個障礙是OEM對產(chǎn)品開發(fā)團隊施加的時間限制，迫使他們找到減少周轉(zhuǎn)時間的方法。OEM可能只給其工程團隊10-12周的時間來運行模擬、審查結(jié)果，并向設(shè)計師提供性能反饋。在這段時間內(nèi)，可能需要分析和模擬10000-30000個零件，每個零件都有不同的邊界條件和材料。
此外，每個零件都需要工程師指定特性、準備幾何圖形、運行模擬和查看結(jié)果。所有這些不僅必須在部件層面上完成，而且必須確保所有零部件在車輛系統(tǒng)內(nèi)正常工作。
推遲新車上市可能會導(dǎo)致公司將市場份額輸給競爭對手，而競爭對手可能會更頻繁地發(fā)布新車型。因此，一些公司跳過了詳細的模擬，而選擇了“快速“的近似值，從而導(dǎo)致一些VTM問題被忽視。除了允許不檢查可預(yù)防的VTM問題外，這也使得工程團隊很難做他們最擅長的事情：嘗試新設(shè)計，探索新想法，提高產(chǎn)品性能。

03

推進VTM仿真實踐

為了解決這些問題，Simcenter工程服務(wù)團隊開發(fā)了工作流，為工程師從CAD到結(jié)果提供了結(jié)構(gòu)化的過程，而無需成為CFD專家。這些工作流允許用戶從不同的保真度級別中進行選擇，以便在指定的時間范圍內(nèi)實現(xiàn)結(jié)果。

用戶可以選擇三個保真度級別：   

• 子系統(tǒng)建模

• 早期數(shù)字原型

• 數(shù)字孿生模擬

  
  

這些選項允許工程團隊模擬各種級別的模型復(fù)雜性，從簡單的前端流程到復(fù)雜的駕駛循環(huán)分析，并根據(jù)需要增加復(fù)雜性。它們提供了一種完全可定制和自動化的體驗，不僅可以選擇他們想要的保真度級別，還可以選擇查看結(jié)果的速度。

子系統(tǒng)建模（一級）

對于在初始設(shè)計階段工作或希望了解總體性能趨勢的工程師來說，一級建模是一個理想的解決方案。它提供了一個完全自動化的過程，只需要用戶最少的輸入。它為子系統(tǒng)（如制動器）量身定制，最多可對500個實體零件進行建模，并可在半周內(nèi)提供結(jié)果。

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在此示例中，將對制動器冷卻應(yīng)用程序執(zhí)行一級模擬。

在制動過程中，動能通過摩擦轉(zhuǎn)化為熱量。制動盤吸收大部分熱量，其余部分由制動襯片吸收。制動器部件必須能夠抵抗這些高熱負荷，以確保一致、可靠的制動性能。然后，主要由制動盤和制動襯片吸收的熱量通過對流、熱傳導(dǎo)和輻射到環(huán)境空氣和周圍部件而散失。

為了模擬制動器冷卻模擬，工程師需要建立一個復(fù)雜的瞬態(tài)驅(qū)動循環(huán)。如果要評估幾何修改，如冷卻管道形狀或各種車輪配置，傳統(tǒng)模擬方法將花費大量時間來設(shè)置和檢查每個設(shè)計對制動器熱性能的影響。使用西門子工程服務(wù)提供的簡化的工作流程可以顯著減少測試每個配置所需的時間，只需三天即可運行一個完整的駕駛周期。這種自動化允許用戶將數(shù)據(jù)耦合到空氣動力學模擬，并平衡給定車輪設(shè)計的阻力與熱性能。

早期數(shù)字原型（二級）

對于仍處于早期設(shè)計階段但希望檢查更多零件的團隊，二級建模提供了半自動化流程和更高級別的逼真度。第二級允許對數(shù)千個零件進行建模。當CAD（如內(nèi)部發(fā)動機缸體）可能不完整或設(shè)計仍在更改時，建議使用此階段。

在本例中，以穩(wěn)定速度巡航的車輛靜止。這種負載情況對所有汽車公司都至關(guān)重要，因為它評估了發(fā)動機罩下部件的熱故障，一旦車輛靜止且風扇關(guān)閉，這些部件可能由于沒有任何強制對流而發(fā)熱。各種部件的溫度-時間歷程可以為材料和設(shè)計元素的選擇提供有價值的見解，從而允許發(fā)動機罩下的熱空氣逸出。

在本例中，使用半自動過程對5000個實體零件進行建模。這種類型的模擬在中間設(shè)計階段及以后是理想的，例如在車輛開發(fā)期間，當有足夠的實體部件和邊界條件可用時。

數(shù)字孿生（三級）

三級工作流允許進行真正的數(shù)字原型制作。它使公司能夠從物理測試過渡到數(shù)字驗證和驗證過程。在第三級，可以對復(fù)雜的驅(qū)動循環(huán)進行穩(wěn)態(tài)模擬。

使用三級工作流，工程師可以在四周內(nèi)使用半自動化流程輕松模擬10000多個實體零件。它提供了最高級別的保真度，捕獲了來自多個子系統(tǒng)的所有傳熱模式，并對所有可用的邊界條件進行了建模，使其適用于以后的設(shè)計周期。

德國OEM巨頭戴姆勒（Daimler）已經(jīng)能夠識別其VTM的絕大多數(shù)問題，并僅使用模擬實施糾正對策。借助Simcenter工程服務(wù)團隊的專家，戴姆勒能夠開發(fā)并不斷改進最先進的熱模型，該模型包含10000多個組件，這些組件在各種負載條件和驅(qū)動循環(huán)期間進行峰值溫度測試，所有這些都是在虛擬環(huán)境中進行的。這使得在制造第一個原型之前可以防止熱故障，從而減少物理測試和相關(guān)成本。

 戴姆勒向整車數(shù)字孿生系統(tǒng)的過渡大大減少了成本，縮短了上市時間。如今，Simcenter工程服務(wù)團隊還在繼續(xù)支持熱防護的開發(fā)，并提高了部件和駕駛循環(huán)的詳細程度。

04應(yīng)用Simcenter工程服務(wù)VTM工作流程的客戶

長安汽車

長安汽車是國內(nèi)領(lǐng)先的乘用車、微型客車、商用貨車和輕型卡車制造商。該公司與Simcenter工程服務(wù)團隊合作，評估并改進PHEV電池和車輛本身的熱性能。

為此，Simcenter 工程服務(wù)團隊構(gòu)建了一個利用1D-3D耦合的一級仿真過程。Simcenter工程師開發(fā)了一種新的降階建模方法，該方法有助于以極高的精度預(yù)測瞬態(tài)電池性能，同時將模擬時間縮短到數(shù)小時。他們還開發(fā)了一個自定義界面，允許長安工程師導(dǎo)入數(shù)據(jù)、可視化和建立三維引擎蓋模型。該團隊使用Simcenter STAR-CCM+構(gòu)建3D模型，同時與Simcenter Amesim的連接被無縫集成，以允許在1D內(nèi)對電池進行瞬態(tài)建模。這種新穎的方法使長安工程師能夠設(shè)定目標并優(yōu)化熱管理系統(tǒng)的性能。

FCA集團

在另一個例子中，西門子和FCA的工程師合作開發(fā)了一種高保真方法，以模擬菲亞特500e的車輛能源管理（VEM）。

能源管理和熱管理通常可以同時進行。對于電動汽車而言，整體能源管理更為重要。在電動汽車中，電加熱器用于控制車廂溫度并加熱車輛蓄電池以達到工作溫度，而不是利用燃燒產(chǎn)生的余熱為乘客供暖?，F(xiàn)在一切都離不開電池，能效更為重要，因為它將直接影響車輛的續(xù)航里程和可用性。

為了研究這個問題，創(chuàng)建了一個一維和三維耦合模型，以更高保真的方式對各個子系統(tǒng)進行建模，從而為工程師提供更可靠的數(shù)據(jù)以供審查。使用這種方法，模擬在計算上變得更經(jīng)濟，物理行為可以更真實地捕捉。它還使OEM能夠在優(yōu)化電池范圍的同時平衡客戶的舒適度。

05滿足工程需求的VTM仿真

2019年，在美國約有3900萬輛汽車和1400萬個汽車零件被召回。這些召回讓原始設(shè)備制造商損失了數(shù)百萬美元，負面宣傳，降低了品牌的聲譽。

過渡到仿真方法是朝著正確方向邁出的一步，但隨著模型和車輛復(fù)雜性的增加，需要更先進的仿真方法。Simcenter工程團隊可以幫助VTM的CFD模擬更靈活、更準確、更直觀，以滿足設(shè)計階段各個層次的工程需求。

06VTM的未來

隨著新技術(shù)和方法的發(fā)展，VTM的未來將不斷發(fā)展。在不久的將來，我們預(yù)計人工智能和機器學習將有助于加速從數(shù)據(jù)準備到設(shè)計探索的一切。通過自動化模擬過程的某些步驟，如為模擬分類CAD零件和剔除不良設(shè)計，AI和機器學習可以使工程過程更快、更高效。這就釋放了寶貴的時間，讓工程師能夠完成更高價值的任務(wù)，并更快地創(chuàng)新。當工程師有自由探索自己的想法并解決更具挑戰(zhàn)性的問題時，公司和消費者將從更好、更安全、更可靠的產(chǎn)品中受益。