仿真技术的应用几乎贯穿着汽车研发设计的整个流程，在现代汽车产品设计中扮演的角色也越来越重要。特别是在试验样车和工装样车之前，通过仿真来验证整车性能，并通过优化改进，可以帮助企业打造更加具有安全性、经济性、实用性、美观性的产品。有效提升研发设计效率，缩短研发周期，降低研发成本，提升产品性能。

仿真主要分布于概念设计阶段、详细设计阶段、样车阶段、投产阶段、改进阶段。仿真作为计算机辅助工程，也只能是这几个阶段中的一部分，有仿真则必有设计，有设计则总是需要仿真来辅助，设计出来的产品需要制造，制造出来后又需要试验来验证，因此设计-仿真-试验，构成一个产品设计的回路。

一、常用的汽车仿真分析都有哪些？

常见的汽车仿真分析包括刚强度分析、NVH分析、疲劳耐久分析、碰撞安全分析、空气动力学分析。除了这五大仿真领域，其他常见的仿真领域比如多场耦合仿真、电池仿真、一维仿真、拓扑优化仿真、多体动力仿真等。今天我们一起来看看五大仿真在汽车领域的应用吧。

1、刚强度分析

汽车结构强度分析是保证汽车安全性、可靠性的重要指标，因此汽车结构强度分析也是CAE技术在汽车工程中应用最广泛的方面。

汽车结构强度分析一般都是应用有限元法对汽车的结构进行数值计算。由于汽车是一个非常复杂的结构，大多数的分析计算都是针对汽车的某些重要部件或总成（例如车架、悬架、传动系等），进行分析的内容主要包括静力分析、特征值分析以及瞬态动力分析。

2、NVH分析

随着收入水平的提高，消费者越来越看重汽车产品的舒适性即NVH（噪音、振动、平稳）性能，因此汽车开发中也必不可少要进行NVH分析。

NVH分析主要包括动力系统NVH、车身NVH、底盘NVH三大部分，而汽车NVH分析则涉及到汽车在各级频率的模态分析，不同路面工况激励下的汽车振型，还有风噪、发动机噪声、轮胎噪声等声学研究。

3、疲劳耐久性能

疲劳耐久性能是指汽车在正常的使用条件下，各主要结构部件在功能失效前所经历的时间，评价指标为失效时的行驶里程数。

目前采用的CAE方法是利用道路试验所采集的载荷，计算车身及关键部件连接处载荷的时间历程，用有限元方法计算单位载荷作用下的应力应变，结合材料的疲劳破坏试验曲线，计算车身及其他关键部件的疲劳寿命，从而减少道路模拟试验。

4、碰撞安全分析

汽车安全性分为主动安全性和被动安全性。主动安全性是指汽车能够识别潜在的危险自动减速，或当突发的因素出现时，能够在驾驶员的操纵下避免发生交通事故的性能；被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或行人进行保护，以免发生伤害或使伤害降低到最小程度。

使用CAE技术对汽车碰撞过程进行仿真模拟，主要包括正碰、侧碰、后碰、40％偏置碰和行人保护等方面。因碰撞属于大变形的非线性问题，实车模拟碰撞往往试验成本较高，仿真模拟可以大幅度降低试验成本。

5、空气动力学分析

汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识，研究汽车行驶时，即与空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力（称为空气动力），以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。此外，空气对汽车的作用还表现在汽车发动机的冷却、车厢里的通风换气、车身外表面的清洁、气流噪声、车身表面覆盖件的振动、甚至刮水器的性能等方面。

二、SIMULIA新能源汽车动力电池仿真应用

针对电池系统涉及的仿真问题，达索系统SIMULIA具备全方位的模拟能力，包括电磁、结构、流体、优化、多体等学科领域。

Abaqus解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题；fe-safe采用其先进的疲劳分析技术可准确预测出疲劳位置和疲劳寿命次数；Isight提供了一个可视化灵活的仿真流程搭建平台，可进行仿真分析流程自动化和多学科多目标的参数优化；Tosca是一个灵活的、模块化的、非参数化的优化工具，能提供拓扑、外形、尺寸和起筋等类型的优化；CST可对线路设计、电池充电特性、电机启动、刹车性能、汽车无线充电、电池阻抗等问题进行仿真；PowerFLOW可对动力电池的热管理问题进行瞬态精确模拟；Simpack可用来模拟新能源车整车工程的操控性能。

达索系统SIMULIA在BMS的仿真应用主要包括以下几个方面：

1、电芯工程

锂离子电池作为可充电的能量存储设备，其性能在很大程度上取决于反复充电和放电循环的影响，导致电池容量随时间的推移而退化，这一现象可利用Abaqus的Newman模型进行电化学特性模拟。业内多采用1D仿真进行锂电池的电化学仿真，计算效率高但是精度有限，尤其是对于未来具有颠覆性新型电池、超大尺寸电池的研发，3D电化学仿真具极其重要的意义。

Abaqus新版本基于扩展的三维多孔电极理论 Porous Electrode Theory（PET） Newman本构模型，利用热-电化学-结构多场耦合对电芯3D模型的热电化学结构特性提供定量的仿真模拟，在精度上更具优势，是目前市面上唯一可以进行电芯3D电化学的专业仿真工具。

热电损耗采用电-热-结构三场耦合分析来准确预测电芯的温度、电流、变形之间的耦合效应，避免电芯变形过大造成内部短路，引起安全事故发生。

强度、刚度、疲劳、安全性问题主要是模拟在极限载荷作用下，确保电芯的完整性以及安全性。降阶建模主要是考虑把电芯的各项异性材料及复杂的几何结构如何简化为材料各项同性、几何结构单一的模型，从而减小模组及电池包的模型规模，提高计算效率。以上问题可用Abaqus、isight来进行模拟分析。

2、电池模组工程

振动和冲击分析、跌落分析、穿刺分析、随机疲劳寿命预测等工况主要是考虑模组在极限载荷工况作用下，确保模组的完整性以及安全性。通过热管理分析，可为冷却通道与冷却方式的方案设计提供理论依据。

3、电池包工程

除振动和冲击分析、跌落分析、穿刺分析、随机疲劳寿命、热管理分析等工况外，还包括挤压分析。挤压分析主要是考虑在使用过程中，电池包受挤压作用下是否能确保模组的安全性，防止变形过大导致安全事故发生。

4、整车工程

如电池包装车后整车的操控性能分析、整车碰撞分析、穿刺分析、托底工况分析、随机振动疲劳寿命预测、热管理分析等等。碰撞、托底、穿刺工况主要是考虑新能源车整车的安全性能，确保电池包的刚度、强度，以免造成电芯变形过大或者电池泄露引起的火灾问题。热管理分析主要是综合考虑电池包装车后的性能，在不同路况、使用气候环境、充放电策略等等因素，从而影响动力电池的续航性能。

SIMULIA的解决方案还适用于其他多个行业，如生命科学、材料科学、造船业等。总之，SIMULIA的仿真工具可以帮助不同行业的用户进行产品性能预测、优化设计、流程集成和系统仿真等，提高工作效率、推动创新并降低开发风险。

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撰稿：成都恒睿

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