汽車行業(yè)必須全面擁抱完整的虛擬原型設(shè)計(jì)，支持多學(xué)科仿真和多物理場(chǎng)，并在整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期中全面系統(tǒng)化地使用這種方法，這樣才能發(fā)揮技術(shù)創(chuàng)新的真正潛力。汽車企業(yè)能否轉(zhuǎn)變仿真模式，從壁壘化的方式轉(zhuǎn)向統(tǒng)一可擴(kuò)展的企業(yè)級(jí)仿真平臺(tái)，從而支持徹底的系統(tǒng)工程。

    100年前，亨利·福特曾說(shuō)：“任何顧客可以將這輛車漆成任何他所愿意的顏色，只要它保持它的黑色。”而現(xiàn)在，色彩已是汽車行業(yè)最不必?fù)?dān)心的挑戰(zhàn)之一了。21世紀(jì)的汽車必須提高燃料效率和穩(wěn)健性，要支持高新技術(shù)，做到物美價(jià)廉，而且能在生產(chǎn)線上快速生產(chǎn)，避免任何缺陷。同時(shí)，汽車還必須滿足日益嚴(yán)格的政府監(jiān)管要求。汽車必須采用快速發(fā)展的電子、通信和軟件技術(shù)，而這些技術(shù)在幾年之前幾乎還不存在。

    汽車生產(chǎn)商及其供應(yīng)鏈已經(jīng)在用工程仿真技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)當(dāng)前的一些難題了，包括燃料效率標(biāo)準(zhǔn)、潛在的質(zhì)保問(wèn)題（這會(huì)影響商譽(yù)和財(cái)務(wù)業(yè)績(jī)）以及混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車（HV/EV）的轉(zhuǎn)型發(fā)展。他們同時(shí)也在積極迎接更大的理念變革，如自動(dòng)駕駛汽車等突破性技術(shù)。不過(guò)，成功的關(guān)鍵在于業(yè)界如何用仿真功能發(fā)展的大格局來(lái)推進(jìn)創(chuàng)新，滿足客戶要求，符合嚴(yán)格的監(jiān)管要求，并滿足開(kāi)發(fā)時(shí)間、成本和性能目標(biāo)。換言之，公司部署通用企業(yè)級(jí)仿真平臺(tái)的效率能有多高？

    成功的關(guān)鍵在于業(yè)界如何用仿真功能發(fā)展的大格局來(lái)推進(jìn)創(chuàng)新，滿足客戶要求，符合嚴(yán)格的監(jiān)管要求，并滿足開(kāi)發(fā)時(shí)間、成本和性能目標(biāo)。

當(dāng)前汽車創(chuàng)新的推進(jìn)力量

更清潔的節(jié)能高效汽車

    燃料效率和降低排放是業(yè)界最重要的趨勢(shì)，這一點(diǎn)不足為奇。全球各國(guó)政府都制定了燃料效率和溫室氣體減排標(biāo)準(zhǔn)。到2025年，美國(guó)CAFE標(biāo)準(zhǔn)將提升到54.5mpg，13家主要汽車制造商都對(duì)此予以支持。中國(guó)和印度作為全球最大的汽車市場(chǎng)也跟隨加入。全球計(jì)劃將進(jìn)一步減少道路交通排放，節(jié)約燃油，并推動(dòng)老舊車輛退役。

    滿足上述目標(biāo)要求需要尋找各種全新開(kāi)展重組工程的機(jī)會(huì)。利用仿真技術(shù)，我們能了解如何快速解決各種權(quán)衡問(wèn)題，包括減少空氣動(dòng)力阻力，避免影響冷卻和車廂內(nèi)安靜性，也包括在減少汽車重量的同時(shí)滿足強(qiáng)度和耐用性規(guī)范要求。

汽車復(fù)雜性增加，突破性技術(shù)涌現(xiàn)

    消費(fèi)者需求、政府監(jiān)管要求和技術(shù)發(fā)展都在推動(dòng)汽車從機(jī)械設(shè)備向復(fù)雜的電子產(chǎn)品發(fā)展。舉例來(lái)說(shuō)，車門鎖裝置曾經(jīng)是一個(gè)小型機(jī)械設(shè)備，現(xiàn)在就成為一種電子系統(tǒng)，包括了電子傳感器、控制器、作動(dòng)器和高級(jí)軟件算法。

    7家汽車廠商已經(jīng)宣布銷售某種自動(dòng)駕駛汽車的計(jì)劃。有關(guān)方面在此領(lǐng)域進(jìn)行大力投資，也實(shí)現(xiàn)了重要發(fā)展里程碑。因特網(wǎng)巨頭谷歌在5年前開(kāi)始測(cè)試，僅僅第一年測(cè)試的自動(dòng)駕駛汽車就行駛了12.5萬(wàn)英里。這些創(chuàng)新引發(fā)了消費(fèi)者的極大興趣，同時(shí)也讓汽車企業(yè)高管備感壓力，必須應(yīng)對(duì)汽車工程復(fù)雜性的增加，而且要分析開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本的影響。工程如果不能發(fā)現(xiàn)潛在的災(zāi)難性問(wèn)題，就會(huì)直接影響汽車設(shè)計(jì)復(fù)雜性。

    業(yè)界如何在短期內(nèi)大幅提升產(chǎn)品的技術(shù)水平呢？汽車生產(chǎn)商如何確保自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的徹底安全性？仿真正是應(yīng)對(duì)重大挑戰(zhàn)的最佳產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工具選擇，能幫助工程師將整個(gè)車輛作為統(tǒng)一系統(tǒng)進(jìn)行建模。此外，由于公司通常在全球聘請(qǐng)成千上萬(wàn)名工程師來(lái)設(shè)計(jì)車輛的不同部分，因此提供統(tǒng)一的協(xié)作化仿真平臺(tái)是重要的推進(jìn)力量。有遠(yuǎn)見(jiàn)的企業(yè)積極開(kāi)發(fā)并部署統(tǒng)一的企業(yè)級(jí)仿真平臺(tái)，這個(gè)最佳實(shí)踐能加速數(shù)百乃至數(shù)千種工況的快速測(cè)試，實(shí)現(xiàn)安全的工作模式，同時(shí)探索難以發(fā)現(xiàn)的優(yōu)化和創(chuàng)新機(jī)遇。

電子產(chǎn)品

    隨著智能電子技術(shù)的推廣，業(yè)界對(duì)汽車智能接口的需求也在增加。信息娛樂(lè)系統(tǒng)包括衛(wèi)星無(wú)線電、GPS裝置、觸摸屏等，會(huì)整合在儀表盤和頭枕上。汽車制造商現(xiàn)在提供車載4G LTE Wi-Fi功能（搭載支持相關(guān)功能的天線）。

    車鑰匙和門窗鎖等組件可通過(guò)軟件操作，燃油消耗表、里程計(jì)和排放表等也需要軟件。此外，軟件還控制后視鏡、電池、加速和制動(dòng)等功能。這些系統(tǒng)共同打造了復(fù)雜的嵌入式軟件和電子信號(hào)網(wǎng)絡(luò)，隨著技術(shù)發(fā)展，它們會(huì)變得更加復(fù)雜。現(xiàn)代化汽車無(wú)疑是車輪上的大型計(jì)算機(jī)集群。

    這種物聯(lián)網(wǎng)功能需要高保真度仿真工具來(lái)完成復(fù)雜任務(wù)，包括天線和雷達(dá)開(kāi)發(fā)、EMI-EMC預(yù)測(cè)、信號(hào)完整性、芯片—封裝系統(tǒng)設(shè)計(jì)和電子產(chǎn)品冷卻等，這些還要搭配嵌入式代碼建模和生成工具。ANSYS軟件組合能在極具競(jìng)爭(zhēng)力的時(shí)限內(nèi)確保整個(gè)軟硬件實(shí)現(xiàn)可靠的系統(tǒng)級(jí)工程。

圖1 變速箱仿真

圖2 ANSYS與TU Freiberg合作研究IC引擎流程的仿真

圖3 多物理場(chǎng)仿真

領(lǐng)先趨勢(shì)：打破壁壘

    汽車行業(yè)是采用工程仿真技術(shù)的先驅(qū)，已經(jīng)使用了幾十年的時(shí)間了。汽車行業(yè)很早就認(rèn)識(shí)到，在裝配任何物理原型之前，仿真技術(shù)就能支持整車及部件的虛擬測(cè)試和分析，成本要低于物理測(cè)試，而且能以很短時(shí)間就獲得結(jié)果。不過(guò)今天，汽車領(lǐng)域超過(guò)85%的計(jì)算機(jī)輔助工程都是單物理場(chǎng)仿真，只能孤立地去分析某個(gè)單一物理領(lǐng)域。舉例來(lái)說(shuō)，剎車盤的機(jī)械強(qiáng)度分析只能與冷卻制動(dòng)器的氣流分開(kāi)進(jìn)行分析。這種方法無(wú)法發(fā)現(xiàn)不同物理現(xiàn)象相互作用時(shí)潛在的故障模式，因此一旦發(fā)生產(chǎn)品故障就會(huì)帶來(lái)災(zāi)難性后果。同時(shí)這也會(huì)影響開(kāi)發(fā)時(shí)間，因?yàn)椴煌�領(lǐng)域的仿真是順序進(jìn)行的，不能實(shí)現(xiàn)并行同步。

    隨著汽車電氣化過(guò)程的推進(jìn)，不同物理領(lǐng)域之間的相互作用會(huì)增加。以牽引電動(dòng)機(jī)為例，電氣、磁性、熱、流體、結(jié)構(gòu)和聲學(xué)等各個(gè)方面都緊密耦合。冷卻劑流動(dòng)會(huì)影響溫度，溫度影響電磁場(chǎng)，這進(jìn)而又影響電機(jī)效率和結(jié)構(gòu)振動(dòng)以及噪聲。對(duì)這種系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，壁壘化的方法難以實(shí)現(xiàn)各種不同因素的最佳平衡。

    為了高效對(duì)各種元素進(jìn)行權(quán)衡，ANSYS仿真套件整合了所有重要物理領(lǐng)域的耦合求解器、詳細(xì)模型、子模型、方法和最佳實(shí)踐，有助于分析關(guān)鍵的汽車系統(tǒng)和組件。這些工具能幫助汽車公司真正優(yōu)化設(shè)計(jì)，執(zhí)行成千上萬(wàn)次假設(shè)的耦合物理場(chǎng)分析，而用其它方法則是難以做到這一點(diǎn)的。由于ANSYS仿真解決方案具備無(wú)與倫比的深度和廣度，能在共享用戶框架下無(wú)縫實(shí)現(xiàn)托管服務(wù)，因此它也能成為出色的企業(yè)級(jí)通用仿真平臺(tái)。

    汽車產(chǎn)品必須做到第一次就實(shí)現(xiàn)可靠工作，因此工程師必須通過(guò)仿真技術(shù)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)地應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。

擴(kuò)大設(shè)計(jì)探索并采用優(yōu)化技術(shù)

    汽車產(chǎn)品必須做到第一次就實(shí)現(xiàn)可靠工作，因此工程師必須通過(guò)仿真技術(shù)無(wú)風(fēng)險(xiǎn)地應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)。ANSYS工具內(nèi)置高穩(wěn)健性，同時(shí)能加速設(shè)計(jì)進(jìn)程。參數(shù)化設(shè)計(jì)探索和參數(shù)化本身都能對(duì)廣泛設(shè)計(jì)空間提供全面視圖，從而發(fā)現(xiàn)潛在的故障模式和質(zhì)量問(wèn)題。這些方法整合了試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）分析、響應(yīng)面研究和輸入約束分析，有助于找到最佳設(shè)計(jì)方案。拓?fù)鋬?yōu)化組件的大塊材料，在減輕重量的同時(shí)不會(huì)影響強(qiáng)度和耐用性。伴隨法能自動(dòng)顯示在什么位置、如何去提高部件的形狀，以改善性能，這對(duì)優(yōu)化空氣動(dòng)力學(xué)和管道流特別有用。

    這些方法能測(cè)試具體參數(shù)，最大限度地整理成千上萬(wàn)種產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，而且只使用和調(diào)整最佳設(shè)計(jì)備選方案。高性能計(jì)算（HPC）和云端空間加上存儲(chǔ)靈活性可確保在短時(shí)間內(nèi)就能探索各種廣闊的設(shè)計(jì)空間。

圖4 通過(guò)仿真設(shè)計(jì)最能配合Wi-Fi工作的汽車天線

圖5 ANSYS SCADE針對(duì)電子計(jì)算機(jī)單元（EBU）的混合動(dòng)力汽車管理系統(tǒng)的精心部署

采用基于模型的系統(tǒng)工程和軟硬件協(xié)同仿真

    汽車廠商必須進(jìn)一步應(yīng)對(duì)復(fù)雜性問(wèn)題，采用整合了高保真度組件分析和整體系統(tǒng)行為模型的仿真技術(shù)。重點(diǎn)是基于模型的系統(tǒng)工程（MBSE），它可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)和組件的協(xié)同仿真。這種解決方案采用降階法（ROM），能在裝配體中反映子組件的效果，避免損失準(zhǔn)確度，同時(shí)還能大幅提升計(jì)算速度。

    這種方法能在真實(shí)工況下精確捕獲不同組件作為大系統(tǒng)組成部分的行為特點(diǎn)。現(xiàn)代化汽車包括數(shù)十部微型計(jì)算機(jī)，執(zhí)行控制和計(jì)算功能，同時(shí)用嵌入式軟件程序運(yùn)行。與硬件組件一樣，嵌入式軟件也必須針對(duì)各種工況進(jìn)行測(cè)試，以確保無(wú)瑕疵的性能，特別在安全氣袋等安全關(guān)鍵型系統(tǒng)中尤為重要。為確保硬件和軟件統(tǒng)一無(wú)差錯(cuò)地工作，他們必須進(jìn)行協(xié)同仿真。ANSYS在MBSE和認(rèn)證嵌入式代碼生成方面的技術(shù)發(fā)展大幅縮短了嵌入式軟件的開(kāi)發(fā)時(shí)間，而且能滿足ISO 26262 ASIL-D等最高的安全標(biāo)準(zhǔn)要求。

下一個(gè)偉大想法

    仿真對(duì)汽車來(lái)說(shuō)并不是什么新事物，已成為汽車工程領(lǐng)域的關(guān)鍵組成部分。有遠(yuǎn)見(jiàn)的企業(yè)正在變革工作方式，向整個(gè)企業(yè)部署統(tǒng)一仿真平臺(tái)的方向發(fā)展，這有助于汽車制造商跟上燃料效率和自動(dòng)駕駛汽車發(fā)展的需求。未來(lái)，行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者會(huì)通過(guò)仿真技術(shù)設(shè)定發(fā)展趨勢(shì)。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：日新月異的汽車行業(yè)需要不斷革新的仿真模式

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