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新能源汽車設計中的CAE仿真技術應用

2018-03-31 23:20:13·  
　
新能源動力電池

新能源動力電池是新能源汽車的三大核心技術之一，被譽為新能源汽車的心臟。按照電池的工作性質和貯存方式，可以劃分為兩大類：蓄電池和燃料電池。

蓄電池，又稱為二次電池，即可充電電池，如鉛酸蓄電池、鎳基電池、鋰電池、空氣電池等；燃料電池，即活性材料在電池工作時才連續(xù)不斷地從外部加入電池，如氫氧燃料電池、質子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池等。

ANSYS CFD數值模擬方法可以在電池單體設計、電池包熱設計等領域中發(fā)揮重要的作用。

發(fā)動機及進排氣系統(tǒng)

傳統(tǒng)的發(fā)動機及動力總成設計過程，基于宏觀概念的經驗外推、在臺架上反復調試對比，以及各種“集總”參數的半經驗分析、試湊等方法，花費大、周期長、適用性小。而應用CFD技術對發(fā)動機的工作過程進行數值模擬分析，不僅提供的信息量大，而且花費小、周期短、適用性強，能夠在短時間內進行廣泛的變參數研究，為開發(fā)新型發(fā)動機和舊發(fā)動機性能提升提供指導。

目前，ANSYS CFD在這個領域的應用主要集中在氣缸蓋氣道設計、進排氣系統(tǒng)設計、氣缸內工作過程模擬、冷卻與潤滑系統(tǒng)設計、消音器設計等方面。

左：缸內燃油噴射過程模擬；右：缸內噴油渦流

排氣中的碳氫和氮氧化物濃度分布圖


空調系統(tǒng)及乘員艙熱舒適性

空調系統(tǒng)是汽車不可缺少的部分，好的空調系統(tǒng)不僅噪音低，制冷/制熱效果好，而且燃油消耗低，除霜除霧效果好。通過對空調系統(tǒng)進行CFD數值模擬分析，可以獲得空調風道的空氣分配情況、風道的阻力特性、各出風口的空氣流速等，為優(yōu)化風道設計提供依據。通過對風擋和側窗進行除霜除霧分析，可以得到當前設計的除霜除霧性能，為改進出風口大小及角度提高除霜除霧性能提供依據。通過對乘員艙內的CFD分析，可以得到艙內的流動、溫度分布情況，再進一步進行乘員的舒適性分析。ANSYS CFD 系列產品在空調系統(tǒng)方面有豐富的解決方案 。

除霜分析：不同時刻的霜層厚度分布云圖


左：除霧分析：某時刻的霧層厚度分布云圖；右：乘員艙舒適性分析：艙內的流線圖

發(fā)動機艙熱管理

在車身前結構設計中，發(fā)動機艙的設計非常重要，在設計時盡可能地減小發(fā)動機艙的大小，從而增加乘客艙和行李艙的容積。但是太小的發(fā)動機艙又面臨著發(fā)動機散熱困難，影響發(fā)動機性能，嚴重的會造成發(fā)動機不能正常運行。通過發(fā)動機艙熱管理分析，可以得到發(fā)動機艙內的溫度場分布情況和空氣流動情況，設計人員可以據此合理設計發(fā)動機艙內的布局，組織空氣流路，保護重要零部件不受熱害侵蝕。


發(fā)動機艙內的流線圖及溫度分布云圖


外空氣動力學及氣動噪聲

氣動性能分析是從空氣動力學角度分析汽車動力性、經濟性和操作穩(wěn)定性，各大汽車廠商都致力于降低空氣阻力、改善氣流升力。這也是風洞技術最早引入汽車設計的研究方向，更是CFD數值模擬方法在汽車設計中最成熟的應用方向。

ANSYS CFD數值模擬方法與傳統(tǒng)的風洞試驗相比，不再局限于測量有限個點處的空氣流動屬性，而是直接獲得整車附近完整空間的流動屬性，從而可以讓設計者獲知一些復雜的空氣流動現象，為氣動減阻、降噪等問題提供幫助，而這正是傳統(tǒng)風洞試驗無法詳細獲知的。

車身附近的流線圖

車身表面的壓力分布云圖及車身附近的湍流動能等值面圖

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