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仿真 App 加速電動汽車開發流程

大眾汽車公司通過創建和分發仿真 App 評估轉子疊片的強度，加速了電動汽車的開發流程

作者 THOMAS FORRISTER
2019 年 9 月

平衡電磁和機械設計要求

2015 年，大眾汽車開發了一套模塊化系統 —— 模塊化電動工具包（Modular Electrification Toolkit，MEB），用于優化電動汽車的設計并提高生產效率。MEB 考慮了后輪 驅動為主的全輪驅動系統的扭矩、功率和速度（圖 1）。此外，軸比、驅動單元、 質量和軸距，以及高壓驅動電池的設計和放置等其他設計要求 , 在整個 MEB 設計理念中也起著重要作用。盡管 MEB 有助于優化單個組件和整個系統，但設計人員必須仔細考慮如何平衡這些要求，尤其是涉及數字化、自動駕駛和電動驅動等新技術。

自電動機開發的最初階段開始，大眾汽車的設計、仿真和測試人員就一直保持密切合作。首先，仿真專家對電動機的性能和規格進行了考察，并研究如何通過仿真進行最優設計。例如，對電動機進行建模以大幅減少影響因素的數量 ；分發基于多物理場仿真模型創建的仿真 App，使設計人員對不同的變量進行測試，并選擇最佳的變量。這種合作形式非常重要并且有益于整個開發流程的效率。由于仿真無法涵蓋所有現實問題， 因此測試在研發過程中起著重要作用。此外，試驗測試程序也有助于改善仿真模型。

“在電動機的開發過程中，必須滿足眾多要求?！贝蟊娖嚨慕M件研發仿真工程師 Steffen Rothe 博士解釋道，“一方面，電動機必須滿足扭矩和功率的電氣要求 ；另一方面，轉子必須在承受以離心力為主的載荷時具有足夠的耐久性?！逼胶怆姶排c機械設計的雙重要求具有一定的挑戰性，因為它們的需求并不總是一致的。例如，對于電磁要求，最好使用薄的網狀結構 ；但對于機械耐久性而言，較厚的結構則是優選。因此，應該確保在電動機開發過程中盡早考慮這些需求，一種有效的方法是模擬滿足需求的所有載荷工況。Rothe 表示 ：“仿真在加速開發過程中起著重要作用?！?/p>

“許多工業仿真程序都被設計為‘黑匣子’，而 COMSOL Multiphysics? 軟件的透明度是獨一無二的。它支持用戶查看和修改被求解的方程，甚至添加自己的方程?！?Rothe 說。此外，軟件從一開始就被設計為多物理場工具，使用戶可以同時模擬不同的物理問題。因此，用戶可以使用軟件耦合不同的物理場進行創新性研究。但是，即使 對于仿真專家而言，分析此類復雜的物理問題也極具挑戰。因此，團隊需要一種能與同事溝通， 并可供非機械仿真領域的專業人士測試特定參數的工具。設計人員通 過使 用 App 開發器來滿足這些需求。App 開發器 是 COMSOL Multiphysics? 軟件中的內置工具，可以創建用于預測轉子中應力分布的仿真 App。

仿真 App 提高電動汽車生產效率

在為同事設計一種用于評估轉子疊片的強度和耐久性的仿真 App 時，仿真專家 Marie Hermanns 和 Steffen Rothe 考慮了以下幾個因素 ：哪些部分可以自動運行，哪些參數可變，以及仿真 App 應顯示哪些結果。

對于一個典型轉子模型的設置（圖 2），仿真專家認為仿真 App 應能自動運行載荷測試，包括干擾、溫度和運行速度。其他部門的同事均能受益于這一設計，并能自行更改參數。這些可變參數包括 ：幾何形狀、面積、干擾、接觸件、活性磁體的數量以 及材料屬性。通過考慮上述因素，Hermanns 為仿真 App 開發了一個直觀的用戶界面（圖 3），使其他同事可自由執行他們所需的計算。

“我們的想法是為同事創建一個仿真 App，實現對不同的設計運用基準程序進行簡便、快速地測試?！?Hermanns說道，“此外，對于特定問題，用戶不必了解仿真工作的具體原理，就可以使用直觀的用戶界面創建一個工具?！?/p>

滿足公司和客戶需求的標準程序開發

除了使大眾汽車各部門之間的開發過程實現自動化外，專業的仿真 App 還可以幫助工程師將轉子疊片的測試程序標準化。

仿真 App 縮短了執行常規仿真操作（如邊界條件設置、材料屬性和載荷）所需的時間，并將這些操作標準化后集成在一個用戶界面。它的另一個優點是，可以自動生成報告，其中包含轉子疊片的額定強度等信息，便于團隊之間以標準化的方式進行的交流（圖 4）。

在電動機的開發過程中，使用仿真 App 對轉子疊片進行應力分析，可以幫助大眾汽車的工程師節省時間和資金。通過自動運行冗長的建模過程，并輸出標準化模型和結果，仿真 App 的使用不僅提高了產品質量，還縮短了電動車從模型到概念車再到商業化電動汽車的開發時間。

仿真工程師 Marie Hermanns（左）；仿真工程師 SteffenRothe（右）