項目介紹
在世界上的大多數(shù)國家及地區(qū)中，燃料費(fèi)用一直持續(xù)看漲。現(xiàn)如今，歐洲、美國及亞洲的法規(guī)日益嚴(yán)格，消費(fèi)者需求也隨之提升，駕駛員不斷尋求降低CO2排放量并努力節(jié)省車輛運(yùn)行成本；因此，對于車輛制造商而言，提高燃料效率已成為大勢所趨。由于輕質(zhì)車輛和經(jīng)濟(jì)型發(fā)動機(jī)能夠耗費(fèi)更少的燃料而行駛更多的里程，故汽車制造商紛紛擲下重金，投入到此類產(chǎn)品的開發(fā)中。
雷諾是歐洲最大的汽車制造商之一，公司機(jī)構(gòu)遍布全球，始終致力于為客戶提供各種乘用車與商用車。多年來，公司一直孜孜不倦地研發(fā)高性能、高燃料效率的發(fā)動機(jī)，在2009年，雷諾根據(jù)其平均CO2排放量而躋身歐洲三大最佳性能汽車制造商之列。雷諾現(xiàn)階段的目標(biāo)便是躍至榜首，稱霸歐洲。
雷諾的動力總成部門計劃對關(guān)鍵組件進(jìn)行重新設(shè)計，通過將材料使用量降至最低而進(jìn)一步減輕重量，從而提升現(xiàn)有及開發(fā)中的發(fā)動機(jī)的性能。作為Altair仿真解決方案的現(xiàn)有用戶，雷諾委托Altair協(xié)助其開發(fā)用于組件和子系統(tǒng)級別上的優(yōu)化設(shè)計方法和流程。
在此協(xié)作期間，Altair會為雷諾使用HyperWorks仿真套件進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化提供全方位的技術(shù)支持，同時Altair的產(chǎn)品設(shè)計部門Altair ProductDesign還將為其提供相關(guān)工程專業(yè)知識。
挑戰(zhàn)
事實證明，初次協(xié)作大獲成功，為各種不同項目提供了輕質(zhì)高效組件。然而，團(tuán)隊成員發(fā)現(xiàn)，設(shè)計優(yōu)化技術(shù)被用作了詳細(xì)設(shè)計階段中破解重量難題的戰(zhàn)術(shù)工具，而非一種從開始就推動優(yōu)化設(shè)計的機(jī)制。而實施優(yōu)化技術(shù)的理想時機(jī)恰恰是開發(fā)流程之初，因為此時進(jìn)行結(jié)構(gòu)變更所需的成本最少。這一項目也讓大家認(rèn)識到對于在早期階段實施優(yōu)化技術(shù)的困難性。由于動力總成模型異常復(fù)雜，創(chuàng)建需要花費(fèi)大量的時間，因此如果不在建模階段加以妥善考慮，利用優(yōu)化技術(shù)對幾何進(jìn)行更改可能還會減緩產(chǎn)品開發(fā)的步伐。
圖1：動力總成團(tuán)隊進(jìn)行的仿真
解決方案
為演示優(yōu)化技術(shù)對動力總成性能的潛在影響，Altair與雷諾決定聯(lián)合進(jìn)行一次仿真“大挑戰(zhàn)”。在這些獨(dú)特的項目中，Altair將使用新的設(shè)計方法和流程快速開發(fā)出創(chuàng)新型解決方案來應(yīng)對現(xiàn)有的工程挑戰(zhàn)。對于雷諾來說，最大的難題在于如何開發(fā)出一個可以加快創(chuàng)建動力總成模型的強(qiáng)大流程，然后在兼顧一系列性能標(biāo)準(zhǔn)的同時將優(yōu)化技術(shù)貫穿于多個動力總成組件。而雷諾即將開始新動力總成的開發(fā)，此項目切合時宜，能夠演示如果在早期開發(fā)流程中實施優(yōu)化技術(shù)，將對重量、性能及可制造性方面造成怎樣的影響。
此項目的重點主要集中在兩個方面上，即整體動力總成裝配的噪聲、振動和粗糙度(NVH)性能以及發(fā)動機(jī)軸承的疲勞性能。對不同的耐久性和NVH工況（請參見圖1）的仿真采用了HyperWorks優(yōu)化解決方案OptiStruct。OptiStruct尤其擅長大型模型的處理，能夠?qū)Π菟◤埦o度、墊圈、高度非線性材料以及接觸面在內(nèi)的多種復(fù)雜的物理性質(zhì)進(jìn)行仿真。
此流程的第一步是在CAD環(huán)境中對模型進(jìn)行參數(shù)化，確定設(shè)計空間以及壁厚和肋骨高度等參數(shù)化設(shè)計變量，以便于之后用作優(yōu)化流程中的設(shè)計要素。
Altair SimLab有限元建模環(huán)境可以在概念CAD模型的基礎(chǔ)上自動創(chuàng)建這些復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。與雷諾的標(biāo)準(zhǔn)方法相比，SimLab憑借自定義的網(wǎng)格劃分、邊界條件和接觸面模板將模型構(gòu)建流程的效率提高60%，同時還保證了要求嚴(yán)格的模型質(zhì)量。實現(xiàn)此流程的自動化后，對模型幾何進(jìn)行的所有更改均能夠在幾分鐘內(nèi)重新劃分網(wǎng)格，以用于優(yōu)化和分析。為找到NVH性能和耐久性、目標(biāo)重量與制造標(biāo)準(zhǔn)間的平衡點，試驗設(shè)計(DOE)流程（請參見圖2）的實施采用了HyperWorks中的HyperStudy。此流程能夠自動探索多個設(shè)計變量，并快速確定能夠滿足整體性能和重量目標(biāo)的設(shè)計變化。
圖2：試驗設(shè)計研究
圖3：用于定義NVH性能的外部肋骨網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫螤顑?yōu)化
為進(jìn)一步強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的NVH性能，在全局動力總成裝配的外部肋骨網(wǎng)絡(luò)上并行使用了OptiStruct來執(zhí)行了拓?fù)湫螤顑?yōu)化（請參見圖3）。OptiStruct能夠確定模型內(nèi)的設(shè)計空間區(qū)域并施加已知的載荷和約束，而后除去所有NVH目標(biāo)未要求的材料，最終得出肋骨網(wǎng)絡(luò)的理想材料布局。
結(jié)論
事實證明，雷諾新的產(chǎn)品開發(fā)流程是行之有效的。將優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用于開發(fā)周期的初始階段后，動力總成團(tuán)隊能夠快速地對數(shù)以百計往往被工程師忽略的設(shè)計變量進(jìn)行實驗，同時團(tuán)隊成員仍能也夠自行裁奪出最佳解決方案。借助于此流程，團(tuán)隊成員能夠鉆研于增值任務(wù)，不必再為耗時巨大的建模工作而絞盡腦汁。
最終，新的動力總成設(shè)計將重量削減了8%，而其內(nèi)部NVH和疲勞累積性能指標(biāo)則提升了30%。與市場上的其他動力總成相比，這一改進(jìn)使雷諾新發(fā)動機(jī)的性能在同類產(chǎn)品中脫穎而出，獨(dú)占鰲頭。
經(jīng)過了“大挑戰(zhàn)”這一概念型活動后，雷諾了解到使用相同的流程而將重量削減5%，即可實現(xiàn)90%的性能飛躍。反之，如果動力總成的性能已達(dá)到目標(biāo)，這一仿真驅(qū)動設(shè)計流程可單獨(dú)用于減輕重量，最終獲得放大數(shù)倍的“減重”效果。
“大挑戰(zhàn)”活動表明，在早期開發(fā)流程中使用優(yōu)化技術(shù)能夠縮短成本巨大的設(shè)計周期，并可最大限度減少產(chǎn)品驗證工作，最終有效地節(jié)省開發(fā)時間。
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本文標(biāo)題：走向更輕質(zhì)、更高效動力總成的創(chuàng)新之路
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