新能源仿真設計專欄

1、新能源汽車仿真設計專欄-內(nèi)容總括 一、專欄首頁二、動力電池2.1 電池單體及電池包熱管理2.2 電池包抗沖擊及可靠性三、電驅(qū)動系統(tǒng)3.1 專欄首頁3.2 電機本體設計3.2.1 電磁設計3.2.2 結(jié)構(gòu)設計3.2.3 熱設計3.2.4 多物理場耦合設計3.3 電驅(qū)動系統(tǒng)3.3.1 控制代碼自動生成3.3.2 EMI/EMC3.3.31 GBT 應用及封裝設計3.3.32 成化系統(tǒng)設計3.4 定制化開發(fā)3.5 ANSYS 全國電機設計仿真大賽優(yōu)秀作品 四、發(fā)動機及進排氣系統(tǒng)4.1 發(fā)動機4.2 進排氣系統(tǒng)4.3 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)五、空調(diào)系統(tǒng)及乘員艙熱舒適性5.1 空調(diào)子系統(tǒng)及零部件5.2 除霜除霧

2、5.3 乘員艙熱舒適性六、發(fā)動機艙熱管理6.1 發(fā)動機艙熱管理 七、外空氣動力學及氣動噪聲7.1 空氣動力學7.2 氣動噪聲八、底盤及懸掛系統(tǒng)8.1 底盤設計8.2 懸掛系統(tǒng)8.3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)8.4 輪胎輪轂九、剎車與輪軸9.1 剎車設計9.2 輪軸設計十、動力傳動系統(tǒng)H一、安全性十二、新能源汽車仿真設計研討會十三、ANSYS Advantage :汽車行業(yè)仿真Brakes. WhnhStHflf產(chǎn)品開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，從而大幅度提高企業(yè)的市場競爭力。ANSYS仿真技術(shù)在新能源汽車設計中的主要應用領(lǐng)域包括:新能源汽車仿真設計專欄結(jié)構(gòu)、溫度、電磁和控制等多個領(lǐng)域的復雜多物理場問題。隨著CAE仿

3、真技術(shù)的日趨成熟， 企業(yè)完全可以將這種先進的研發(fā)手段與傳統(tǒng)的試驗和 設計經(jīng)驗相結(jié)合，形成互補，從而提升研發(fā)設計能力，有效指導新產(chǎn)品的研發(fā)設計，節(jié)省ANSYS新能源汽車仿真設計解決方案專欄首頁新能源汽車是由幾千個零部件組成的復雜產(chǎn)品，在仿真設計和研發(fā)過程中涉及到流體、Fluid DvnamksANSYSThermalClimate Coatf&l, HVACActive SafetyAflfcdynsmiGSStatic StructuralUMertiood ThwmalMod猛 HarmonicEnglM Cwnbuatkofi ld Emia虱bn*VibrationEng：rw Dura

4、bility.irwnicfFleKitile Multibcdy DynamiaTrantnutsiorElectro-MechanicalAdvancwilBativClecUpmagneticsTrictien Motor.Power flKtroniciSvstern ArchitectureiMoum用時4Wtr4IH3 G 前帕麗ityNVH. AeroKOLBticsCcnhohSensers. ActiMtorsEmbeddedSoftwareModel BasedDesignM動力電池剎車與輪軸、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(shù)之一，被譽為新能源汽車的心

5、臟。按照 電池的工作性質(zhì)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、饃基電池、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(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池等。ANSYS CFD數(shù)值模擬方法可以在電池單體設計、電池包熱設計等領(lǐng)域中發(fā)揮重要的 作用。電池單體及電池包熱管理 鋰離子電池仿真 燃料電池仿真 福特汽車和德爾福聯(lián)合進行電池包熱管理的分析電池包抗沖擊及可靠性 自重分析 振動分析 跌落測試2.1 電池單體及電池包熱管理新能源汽車電池是新能源汽車的三大核心技術(shù)之一，被譽為新能源汽

6、車的心臟。按照 電池的工作性質(zhì)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、饃基電池、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(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池等。新能源汽車電池領(lǐng)域的應用案例鋰離子電池仿真ANSYS Fluent的電池模塊可以自動探測電池連接模式（串/并聯(lián)），流動、熱和電化學完全耦合在一起進行計算，具有非常好的計算精度和穩(wěn)健性。該模塊內(nèi)置三個電化學模 型，既有基于經(jīng)驗的模型又有基于物理的模型，而且支持用戶使用 UDF自定義電化學模型。ANSYS公司在美國能源部

7、的計算機輔助工程用于電動車電池設計（CAEBAT ）項目中,聯(lián)合通用汽車、國家可再生能源實驗室、ESim ,共同開發(fā)、測試、驗證、完善了該電池模塊。對于具有復雜串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電池模組，可以仿真在復雜充放電循環(huán)工況下的瞬態(tài)放 熱特性。具有復雜串、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的電池模組電芯的結(jié)構(gòu)通用汽車圓柱型鋰離子電池包結(jié)構(gòu)電池包內(nèi)的流線及電芯表面的溫度分布燃料電池仿真ANSYS Fluent的燃料電池模塊能模擬質(zhì)子交換膜燃料電池、固體氧化物燃料電池以及電解過程，該模塊自帶UDF來模擬電池內(nèi)的電化學反應、 電荷運輸、氣體擴散、水的運輸、 能量傳遞等，用戶也可以根據(jù)自己的需要，通過 UDF來修改其中的模型。ANSYS

8、Fluent的燃料電池模塊某用戶使用 ANSYS Fluent的燃料電池模塊，仿真了一個質(zhì)子交換膜燃料電池，對 PEMFC內(nèi)的溫度、壓力、濃度進行考察。左：模型網(wǎng)格；右：氫氣的質(zhì)量分數(shù)分布左：氣體的速度分布；右：電池的溫度分布福特汽車和德爾福聯(lián)合進行電池包熱管理的分析福特汽車和德爾福合作進行了電池包的熱管理仿真，優(yōu)化了電池包內(nèi)的氣流通道，提 升了電池單體的溫度均勻性。Oirt et PlenumIniel Plenuni左：電池包的正視圖；右：截面速度云圖VlIHi-14 M uHMi電池包內(nèi)的氣流組織及溫度分布云圖2.2 電池包抗沖擊及可靠性電池包是各種電動車輛的主要能量載體和動力來源，也是

9、電動車輛整車成本的主要組成部分，其壽命直接影響電動車輛的使用。作為電動汽車能量供給的關(guān)鍵設備，電池包的結(jié)構(gòu)設計應盡可能高效和輕便，并在保證存放空間合理布局的基礎上，滿足多變運行環(huán)境和行駛工況下的機械承受、工作安全性、可靠性及使用壽命要求。CAE分析中，針對電池組常見的分析類型有：自重分析（評估電池包在自重載荷下， 自身及連接結(jié)構(gòu)的可靠性）、模態(tài)分析（確定電池包結(jié)構(gòu)的固有頻率，可以在設計時避開 這些頻率或者最大限度地減少對這些頻率上的激勵，從而消除過度振動和噪聲）、隨機振 動分析（評估電池包在復雜路況載荷下的有效性）、沖擊及跌落分析（評估結(jié)構(gòu)受沖擊載 荷下的動力性能）等。ANSYS模擬結(jié)果：電池

10、包自重分析結(jié)構(gòu)應力分布（參照標準 SAE J2380）電池包振動分析 預應力一階頻率， ANSYS分析結(jié)果：z方向變形及Isigma應力分布（參照標準SAE J2380 ）電池包跌落測試（參照標準SAE J2464）三、ANSYS 電機設計專欄電機設計是一個復雜的多物理場問題，它涉及到電磁、結(jié)構(gòu)、流體、溫度和控制等多個領(lǐng)域。隨著新材料、新工藝以及各種電機新技術(shù)的發(fā)展，電機設計的要求越來越苛刻， 精度要求也越來越高，傳統(tǒng)的設計方法和手段已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代電機設計的要求，必須借 助于現(xiàn)代仿真技術(shù)才能解決各種設計難題。針對電機永磁化、高速化、無刷化、數(shù)字化、集成化、智能化、高效節(jié)能化的發(fā)展趨勢和相關(guān)技

11、術(shù)挑戰(zhàn)，ANSYS能提供集成化設計解決方案和流程，高效實現(xiàn)電機從磁路法到有限元、從部件到系統(tǒng)、從電磁到多物理場耦合的多領(lǐng)域、多層次、集成化電機及驅(qū)動/控制系統(tǒng)設計。ANSYS集成化電機設計流程主要包括：1 .電機快速設計和方案優(yōu)選 ：采用電機磁路法設計工具RMxprt，快速實現(xiàn)電機的初始方案評估和優(yōu)化設計，縮小電機的設計空間，并一鍵輸出電機二維或三維有限元模型以及 電機的系統(tǒng)仿真模型備用；2 .電機電磁場有限元精確優(yōu)化設計：采用Maxwell二維或三維電磁場有限元仿真，并結(jié)合內(nèi)置外電路或 Simplorer控制電路，對電機有限元模型進行仿真設計和細節(jié)優(yōu)化，并輸出等效電路模型備用；3 .電驅(qū)動系

12、統(tǒng)集成化設計：采用Simplorer進行電機及控制系統(tǒng)仿真，結(jié)合 SCADE嵌 入式控制代碼自動生成技術(shù)；結(jié)合Maxwell場路耦合、瞬態(tài)協(xié)同仿真技術(shù)；結(jié)合Q3D線纜、母排、IGBT寄生參數(shù)提取技術(shù)；對整個電驅(qū)動系統(tǒng)進行高精度仿真和性能優(yōu)化；4 .電機電磁、熱耦合分析：采用Maxwell輸出電機的幾何模型和分布式損耗到Mechanical或FLUENT等工具中，進行電機溫度場仿真， 實現(xiàn)電磁、熱單/雙向耦合分析， 預測電機在各種工況下的溫升并優(yōu)化散熱系統(tǒng)設計；5 .電機電磁、振動、噪聲耦合分析：采用Maxwell輸出電機的幾何模型到 Mechanical , 利用Workbench和ANSYS

13、電機電磁、振動、噪聲自動化耦合仿真流程，便捷地分析電機 在各種工況下的結(jié)構(gòu)應力、形變以及振動噪音。HFSSf Q3DfSIWaveRixg等生童戮督肥=SCADE )ANSYS無縫集成的電機設計解決方案Simplorer.系城設計Optimetncs優(yōu)化設計MechanicalMaxwell電磁場有元分析SCADE Suite控制系統(tǒng)設計Mq torC AD梅設計RMxprt用國設計本網(wǎng)站提供ANSYS集成化電機設計解決方案的相關(guān)技術(shù)資料，包括：應用文檔、培訓資料、培訓視頻和常見問題解答。電機本體設計電磁設計結(jié)構(gòu)設計熱設計多物理場耦合設計電驅(qū)動系統(tǒng) IGBT應用及封裝設計 控制代碼自動生成 集

14、成化系統(tǒng)設計 電磁、熱、結(jié)構(gòu)設計 EMI/EMC定制化開發(fā)電機設計工具包電機等效短路模型提取永磁體溫度退磁參數(shù)提取電纜寄生參數(shù)提取電機設計導航電機設計平臺3.2電機本體設計根據(jù)電機本體永磁化、無刷化、高速化、高效節(jié)能化的發(fā)展趨勢、研發(fā)需求和技術(shù)挑 戰(zhàn)，ANSYS電機設計專欄全面考慮了電機本體設計的各方面，包括：基于磁路法的電機快 速設計、初始方案評估和優(yōu)化設計；基于瞬態(tài)電磁場有限元分析的電機精確分析和參數(shù)化/優(yōu)化設計；基于有限元的熱、應力、形變分析；基于有限容積法的流體熱分析和散熱系統(tǒng) 優(yōu)化；基于電磁、熱、結(jié)構(gòu)單 /雙向耦合的多物理場耦合設計；基于電磁、振動、噪聲自動 化設計流程的耦合設計等。

15、通過快速優(yōu)化傳統(tǒng)的電機設計方案，實現(xiàn)高效節(jié)能化；通過高 效探索和積累無刷及永磁電機設計經(jīng)驗，實現(xiàn)無刷化、永磁化；通過優(yōu)化設計電機在高速 時的電磁和多物理場耦合特性，實現(xiàn)高速化。電機電磁、結(jié)構(gòu)、熱等多物理場耦合設計電磁設計 一鍵有限元磁滯材料建模電磁優(yōu)化設計鐵芯損耗計算渦流損耗計算高性能計算結(jié)構(gòu)設計應力與形變模態(tài)分析轉(zhuǎn)子動力學、臨界轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)軸擾度、強度計算電機裝配疲勞壽命熱設計結(jié)構(gòu)傳熱與溫升分析流體通風散熱分析冷卻系統(tǒng)設計熱應力和熱變形多物理場耦合設計 電磁生熱 通風冷卻 熱應力和熱變形 振動噪聲3.2.1 電磁設計以Maxwell 、RMxprt為核心的電磁設計產(chǎn)品能夠快速建立電機模型，計算電機

16、設計中所關(guān)心的磁場和磁密分布、矩角特性、電感等參數(shù)，并獲得電機的電磁發(fā)熱、電磁力和電 磁力矩分布。一鍵有限元：RMxprt可一鍵生成參數(shù)化的二維和三維有限元模型，包括自動建立幾何 模型、自動添加材料屬性、自動剖分設置、自動設置邊界條件、自動生成外電路、自動求 解設置等，用戶可一鍵求解，避免了繁瑣的有限元操作過程，可直接面對電機的設計和優(yōu) 化問題，大大簡化了設計流程。磁滯材料建模：Maxwell開創(chuàng)性的2D/3D磁滯材料建模功能和精確的瞬態(tài)電磁場有限 元分析技術(shù)，可精確分析電機的鐵芯損耗和磁滯電機各種工況下的瞬態(tài)電磁性能，包括： 磁滯損耗、轉(zhuǎn)矩特性、功率平衡等。電磁優(yōu)化設計：RMxprt和Max

17、well內(nèi)置的參數(shù)化/優(yōu)化算法，可便捷地對電機幾何尺寸、 材料屬性、激勵大小和頻率等模型參數(shù)和仿真工況進行參數(shù)化掃描和優(yōu)化設計，達到個性 化的單目標或多目標組合優(yōu)化。用戶可基于RMxprt實現(xiàn)電機快速設計、 大范圍參數(shù)化掃描優(yōu)選設計方案；基于 Maxwell2D/3D 瞬態(tài)電磁場有限元分析評估并優(yōu)化電機在各種工況下 的瞬態(tài)電磁性能、效率、成本等。鐵芯、渦流損耗計算：Maxwell可精確計算電機在各種正常和故障工況下的損耗，包括繞組銅耗、沖片鐵耗、磁鋼和導體渦流損耗等，這些損耗對電機效率、散熱和溫升、永磁 體性能等都有很大影響，既有助于優(yōu)化電機效率，實現(xiàn)高效節(jié)能，又有助于優(yōu)化散熱系統(tǒng) 設計，降低

18、電機溫升。高性能計算：Maxwell瞬態(tài)電磁場有限元分析全程（網(wǎng)格剖分、矩陣求解、場仿真數(shù)據(jù)處理等）支持多線程并行求解，且 CPU利用率高，可充分利用硬件資源，大大加速單個設 計的仿真進程。Maxwell參數(shù)化/優(yōu)化方案支持多節(jié)點并行求解，可實現(xiàn)多節(jié)點線性加速， 大大加速參數(shù)化/優(yōu)化設計方案的多設計仿真進程。3.2.2 結(jié)構(gòu)設計以ANSYS Mechanical軟件為核心的結(jié)構(gòu)設計產(chǎn)品能夠進行結(jié)構(gòu)分析，得到考慮溫度 和電磁影響下的電機的應力和變形情況，并同時對電機定子、以及定轉(zhuǎn)子耦合情況進行振 動模態(tài)分析，判斷電機的機械性能和安全性能。強度仿真分析：ANSYS可以計算電機在工作狀態(tài)下的應力和變

19、形。例如：考慮轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力對轉(zhuǎn)子的影響；電磁力和電磁力矩對轉(zhuǎn)子和定子強度的影響；考慮電磁發(fā) 熱產(chǎn)生的熱變形和熱應力；判斷電機定子、轉(zhuǎn)子在工作狀態(tài)是否具有足夠的強度和剛度； 定轉(zhuǎn)子之間的間隙是否能夠保證轉(zhuǎn)子和定子不發(fā)生撞車等。結(jié)構(gòu)非線性仿真分析：ANSYS幾何非線性可以用于仿真電機旋轉(zhuǎn)運動、電極的滑動、 振動大變形等仿真分析，材料非線性功能可以用于仿真電機材料的彈塑性、蠕變等，密封材料的超彈、粘彈、粘塑等仿真分析，以及接觸非線性功能可以用于仿真電機結(jié)構(gòu)的螺栓 裝配、零部件裝配、軸承支撐、軸系裝配、熱裝配、冷裝配、過盈裝配等仿真分析。動力仿真分析：ANSYS模態(tài)分析功能可以考慮陀螺力矩對

20、轉(zhuǎn)子動力特性的影響條件下 計算電機臨界轉(zhuǎn)速，以及計算電機整機系統(tǒng)的振動固有特性，研究電機的共振與振動噪聲 等問題；ANSYS的諧響應分析、瞬態(tài)動力分析、譜分析和隨機振動分析可以用于研究電機 振動響應幅值、相位和頻率，研究電機軸承、支座等位置上的減振、隔振與振動主被動控 制等設計的效能，研究電機振動噪聲的來源機理以及電機降噪的途徑和手段等一序列問題。疲勞壽命與斷裂力學分析：電機的軸系與固定其上的轉(zhuǎn)子、風扇、電極、軸承等在工 作中不停旋轉(zhuǎn)運動，由于負載變化、不平衡電磁力、風致震動、質(zhì)量偏心等原因引起電機 的振動，電機的不同部分在交變載荷的長時間作用下會出現(xiàn)疲勞甚至斷裂。在電機研發(fā)階 段，實現(xiàn)對電機

21、疲勞壽命設計和裂紋擴展分析，直接研究電機的工作壽命、安全系數(shù)等一 序列參數(shù)，能確保電機的安全性和可靠性。3.2.3 熱設計以Fluent為核心的流體設計產(chǎn)品在電機模型上，利用電機磁場分析得到的熱，考核電 機的通風冷卻性能，得到電機在一定的通風量情況下的的溫度分布規(guī)律（同時還包括流體 速度、壓力等參數(shù)）；將電機內(nèi)部的溫度控制在一定的范圍內(nèi)，準確模擬電機各部位的溫 度分布。3.2.4 多物理場耦合設計ANSYS Maxwell 能結(jié)合 ANSYS Mechanical 、Fluent 和 Workbench 仿真平臺，能夠 實現(xiàn)電磁與溫度、電磁與結(jié)構(gòu)、溫度與結(jié)構(gòu)、電磁與流體的單/雙向耦合仿真，計算

22、電機的電磁特性、溫度分布、結(jié)構(gòu)應力、振動噪聲等，全面分析電機的多物理場耦合特性。電機主要由定子和轉(zhuǎn)子組成，定子包括機座和鐵芯兩個主要部分，鐵芯內(nèi)圓開有槽， 槽內(nèi)安裝定子繞組；轉(zhuǎn)子由本體、磁極、轉(zhuǎn)子繞組等組成。在電機工作時，定子和轉(zhuǎn)子繞 組通有電流，電流流動產(chǎn)生磁場、電磁力和電磁力矩；由于繞組具有電阻，以及磁場在沖 片和線圈上要產(chǎn)生渦流，引起渦流損耗，因此，在線圈和沖片上要產(chǎn)生熱量；電機通過其 通風系統(tǒng)來帶走一部分熱量，剩余的熱量會引起電機溫度的升高，所以需要在穩(wěn)定工作狀 態(tài)下達到溫度平衡；溫升會產(chǎn)生熱變形和熱應力，對結(jié)構(gòu)的機械性能產(chǎn)生影響。在電機的多物理場耦合分析中，運用ANSYS軟件（或其它

23、 CAD軟件）建立電機（包括定子和轉(zhuǎn)子）用于電磁、流體、熱、結(jié)構(gòu)分析的統(tǒng)一的幾何模型和有限元計算模型。首 先進行電機磁場分析，計算獲取電機設計中所關(guān)心的磁場和磁密度分布、矩角特性、電感 等參數(shù)，并獲得電機的電磁發(fā)熱、電磁力和電磁力矩分布；在同一個分析模型上，利用電 機磁場分析得到的熱生成， 進行電機的流體-熱直接耦合分析，考核電機的通風冷卻性能，得到電機在一定的通風量情況下的溫度分布規(guī)律（同時還包括流體速度、壓力等參數(shù)）； 最后使用電機磁場分析得到的電磁力和電磁力矩分布、以及流體熱直接耦合分析中獲得 的溫度分布，進行結(jié)構(gòu)分析，得到考慮溫度和電磁影響下的電機的應力和變形情況，并同 時對電機定子、

24、以及定轉(zhuǎn)子耦合情況進行振動模態(tài)分析，判斷電機的機械性能和安全性能。3.3電驅(qū)動系統(tǒng)根據(jù)電驅(qū)動系統(tǒng)數(shù)字化、集成化、智能化、高效節(jié)能化的發(fā)展趨勢、研發(fā)需求和技術(shù) 挑戰(zhàn)，ANSYS集成化電機設計解決方案，不僅可以解決電機本體的電磁、結(jié)構(gòu)、熱、多物 理場耦合設計問題，還可以解決電機、驅(qū)動電路、控制算法和代碼開發(fā)、電驅(qū)動系統(tǒng)集成 化設1f、EMI/EMC分析等問題，實現(xiàn)虛擬的 V模型設計和驗證流程，以及虛擬樣機制造和 測試。通過便捷、自動生成電機控制代碼，實現(xiàn)數(shù)字化；通過全面預測并優(yōu)化電機及驅(qū)動/控制系統(tǒng)的電磁、熱、結(jié)構(gòu)、振動、噪聲等多物理場耦合特性和EMI/EMC特性，實現(xiàn)集成化、高效節(jié)能化；通過有效

25、預研電機與測控外設/系統(tǒng)的集成狀態(tài)，實現(xiàn)智能化。電驅(qū)動系統(tǒng)集成化設計控制代碼自動生成模型覆蓋率分析控制代碼自動生成控制代碼安全性驗證數(shù)據(jù)需求管理EMI/EMC 傳導干擾分析 電機控制PCB板級串擾和輻射分析 設備布局優(yōu)化和機箱屏蔽效果分析IGBT應用及封裝設計特征化建模和開關(guān)特性測試寄生參數(shù)提取及傳導特性分析均流特性分析和電流路徑優(yōu)化電磁、熱、結(jié)構(gòu)耦合特性分析熱模型提取及熱特性分析輻射干擾分析集成化系統(tǒng)設計 高精度電機模型集成 高精度IGBT模型與驅(qū)動電路集成 高精度IGBT熱模型集成 高精度電磁部件模型集成 高安全性嵌入式控制代碼集成 IGBT、電纜、母排寄生參數(shù)模型集成3.3.1控制代碼自

26、動生成針對國內(nèi)外企業(yè)對電機控制系統(tǒng)的技術(shù)需求，ANSYS解決方案以SCADE Suite為電機控制系統(tǒng)設計平臺，充分利用基于模型的圖形化設計理念，完成模型級開發(fā)，模型級驗 證，自動代碼生成，實現(xiàn)了開發(fā)流程的標準化與自動化，高效解決高安全性電機控制系統(tǒng) 設計所面臨的系統(tǒng)設計與安全問題。SCAD Suite提供如下圖所示的控制軟件開發(fā)環(huán)境，為高安全性嵌入式應用軟件開發(fā)提供完整的解決方案。該解決方案對DO-178B、IEC61508、EN50128、IEC60880等高安全性應用領(lǐng)域的相關(guān)標準提供全面的支持，適用于各種不同的軟件生命周期，適用于開發(fā)符 合高安全性標準的軟件，在相關(guān)領(lǐng)域中得到了廣泛的應

27、用，并且有大量的成功案例?？刂栖浖O計分析根式比喻計最1+出行時間 雌分折經(jīng)過普定的 代碣生姍, 雛生成C或 4間鏘目和鞫瑾 器情證忸度作系統(tǒng)橋接代隔O-17W tX178C IEC I1&Q8ISO222認證包建模自動生成代碼SCADE Suite 設計過程SCADE Suite 代碼生成器(KCG )SCADE Suite KCG 可以自動生成基于ISO C的嵌入式產(chǎn)品代碼，并且它生成的代碼 滿足一系列的安全性特征，有良好的可讀性和標準的接口，具有和手寫代碼相當?shù)拇笮『?效率。void Butto n.ABC fln C.Butto n JBC. N 9n 匚， ouiC_Buttori_

28、ABC_N *oucC)i/* /改啟m 5M1 SSM_ 5Lpaf-ch_ stV 5SM_Bunan_SM 1_STSSLLSM _dtpa：ch_seI;修(cutC-lnit)WoutC-inl = K 匚 e.i_tii5paccn_sti =SSW I TUniElKted_ABC,N； se5SM_SM 1 _dIspatch_stl cu(C-M_pre_;iwkcii (SSM_SM1 _difpalch_tiCase S5M _SM 1 _Lucfctd_ABC _M :OWC-XorigrQUrtd =riKe_ABC.N； oucC-backg：fOiirtd = g

29、rten_ABC_N; if (inC-UilaclQiautC - M_pre_ = SSN JM1 _Pre sele tie d_ABC_N; 1KeSCADE Suite 模型和SCADE Suite KCG 生成的 C代碼相比其他代碼生成器，它具有三個顯著的特點：1. SCADE Suite KCG 所生成的代碼是完全面向工程的產(chǎn)品代碼，可以直接嵌入到產(chǎn)品中去而不需要做任何修改。2. SCADE Suite 模型基于嚴格的數(shù)學理論，在環(huán)境一致的情況下它能夠保證仿真的結(jié) 果和最終平臺上執(zhí)行的結(jié)果完全一致。3. 它通過了軍工及航空業(yè)的DO-178C標準TQL-1級認證、重工業(yè)及能源行業(yè)的

30、IEC61508標準SIL 3級認證、軌道交通行業(yè)的 EN 50128標準SIL3/4級認證，汽車電子行業(yè) 的ISO 26262標準認證等等。由于 SCADE Suite KCG 通過了一系列行業(yè)標準最高級別的 鑒定，它不但使開發(fā)人員省去了繁瑣的編碼過程，還省略了一系列的驗證活動。3.3.2EMI/EMC電驅(qū)動系統(tǒng)電磁兼容設計所面臨的技術(shù)難題包括：部件級電磁輻射（例如：電機、變 壓器、電感、IGBT等對外電磁輻射；PCB板級信號串擾和電磁輻射）；設備級電磁干擾（例 如：線纜、電機等各種電磁設備間的相互耦合）；系統(tǒng)級電磁干擾（例如：電磁設備布局、屏蔽措施設計等電磁輻射問題；線纜、IGBT、母排、

31、PCB關(guān)鍵路徑走線等寄生參數(shù)引發(fā)的傳導干擾問題等)。ANSYS解決方案相關(guān)產(chǎn)品既可以單獨使用，解決具體部件電磁兼容設計問題，又可以無縫集成為EMI/EMC仿真分析平臺，便捷、高效解決部件級、設備級和系統(tǒng)級的電磁干擾和電磁兼容設計問題，并可與ANSYS的結(jié)構(gòu)和流體分析工具(Mechanical和Fluent/Icepak )無縫集成，共享和交互仿真數(shù)據(jù)，構(gòu)建多物理域電驅(qū)動系 統(tǒng)電磁兼容集成化虛擬設計和仿真驗證環(huán)境。設留繃系統(tǒng)級部件級Q3DSIwBveSEmpkgrer晾和用.f mWANSY5 WorkbenchtS蝴電訊與由片內(nèi) ，匿曲嶺騎匕fr零1.豆：朋 r叫加1叫orrt 丁隼15177

32、工ANSYS電磁干擾/電磁兼容設計流程傳導干擾分析：Simplorer可無縫集成 Q3D提取的線纜、母排、IGBT、PCB關(guān)鍵路徑 等寄生參數(shù)模型，仿真電驅(qū)動系統(tǒng)的傳導特性，以及添加濾波器件，改變線纜參數(shù)等措施 的改進效果。Simplorer系統(tǒng)仿真的電流、功率等信號，可作為干擾源導入HFSS ,分析其對系統(tǒng)的輻射干擾。PCB板級串擾和輻射分析：電驅(qū)動系統(tǒng)PCB控制板中的高速數(shù)字信號在傳輸過程中 會產(chǎn)生串擾和電磁輻射，對周邊的連接器或線纜可能會產(chǎn)生影響，通過對 PCB的電磁場仿 真，能夠得到整版的輻射特性，并可據(jù)此對PCB進行布局優(yōu)化。設備布局優(yōu)化和機箱屏蔽效果分析：金屬的機箱機柜通常能夠?qū)崿F(xiàn)

33、良好的屏蔽性能，但是機箱上的散熱孔、連接器接頭縫隙均可能造成電磁泄露，HFSS可對機箱機柜的屏蔽效能進行仿真，并對機箱通風孔的布局進行優(yōu)化設計。電驅(qū)動系統(tǒng)中IGBT、電磁部件、PCB等輻射仿真結(jié)果可作為干擾源，通過HFSS場源鏈接，分析其對整機系統(tǒng)的輻射影響，實現(xiàn)布局優(yōu)化。3.3.3IGBT 應用及封裝設計針對國內(nèi)外企業(yè)IGBT應用及封裝設計的技術(shù)需求，ANSYS電機設計解決方案以Workbench為電磁、熱、結(jié)構(gòu)、流體多物理場耦合設計平臺，以 Simplorer為器件特征化 建模、開關(guān)特性測試、變流電路設計及傳導干擾分析平臺，通過單/雙向的多物理場耦合技術(shù)和魯棒性設計，以器件與系統(tǒng)的降價模型

34、和協(xié)同仿真接口，來高效解決IGBT應用與封裝設計所面臨的多物理場耦合設計和高精度器件與電路、系統(tǒng)設計問題。ANSYS IGBT應用及封裝設計流程特征化建模和開關(guān)特性測試 ：IGBT應用及封裝設計用戶都會面臨一個問題，即如何在設計階段精確考慮IGBT開關(guān)特性對電機驅(qū)動電路及系統(tǒng)性能的影響。Simplorer可根據(jù)供貨商提供的datasheet實現(xiàn)特征化IGBT精確建模（包含各種特征參數(shù)和特性曲線），并可 一鍵生成IGBT的半橋測試電路和系統(tǒng)仿真模型，高效解決IGBT高精度建模和開關(guān)特性測試問題。寄生參數(shù)提取及傳導特性分析：IGBT封裝設計和部分電驅(qū)動系統(tǒng)設計用戶都關(guān)注傳導路徑的寄生參數(shù)對IGBT

35、開關(guān)特性和系統(tǒng)性能的影響，這就需要提取IGBT封裝的寄生參數(shù)并集成到系統(tǒng)設計中。Q3D可直接通過電磁場求解車出其原始或降價RLCG矩陣，通過動態(tài)鏈接集成到驅(qū)動電路或系統(tǒng)設計中，精確分析寄生參數(shù)對IGBT開關(guān)特性和傳導特性的影響。均流特性分析和電流路徑優(yōu)化：IGBT封裝設計和部分電驅(qū)動系統(tǒng)設計用戶還關(guān)注IGBT的均流特性。Maxwell可通過靜態(tài)或瞬態(tài)電磁場分析，精確評估IGBT在各種正?；蚬收瞎r電流激勵下的電磁性能，有助于均流設計、 傳導路徑優(yōu)化，熱設計、結(jié)構(gòu)設計等。電磁、熱、結(jié)構(gòu)耦合特性分析：IGBT封裝和部分電驅(qū)動系統(tǒng)設計用戶還需要考慮多物理場耦合設計問題，因為 IGBT傳遞大電流時可能

36、會產(chǎn)生不均勻分布的電磁損耗和電磁力， 導致局部過熱或應力形變過大而導致IGBT失效或損壞。 Maxwell和Mechanical、Icepak可輕松解決單/雙向的電磁與熱、電磁與結(jié)構(gòu)、熱與結(jié)構(gòu)、電磁與流體等多物理場耦合分析 問題。熱模型提取及熱特性分析：部分IGBT封裝和電驅(qū)動系統(tǒng)設計用戶需要考慮IGBT模塊散熱系統(tǒng)設計及其熱特性對系統(tǒng)性能的影響。Icepak可便捷地實現(xiàn)IGBT模塊散熱系統(tǒng)建模，考慮功率損耗、風扇、散熱片等作用下系統(tǒng)的熱性能，并可直接提取其熱模型，用于 電驅(qū)動電路或系統(tǒng)設計。輻射干擾分析：部分IGBT封裝和電驅(qū)動系統(tǒng)設計用戶需要考慮IGBT電磁輻射影響。Simplorer可直

37、接輸出IGBT電磁功率瞬態(tài)曲線和 FFT頻譜，結(jié)合HFSS可分析關(guān)注頻率下 IGBT信號所導致的空間電磁輻射干擾，將其作為干擾源再導入HFSS ,即可仿真IGBT電磁輻射對整機性能的影響。3.3.4集成化系統(tǒng)設計Simplorer作為電驅(qū)動系統(tǒng)設計平臺，不僅具有IGBT特征化建模、驅(qū)動電路、控制算法建模和仿真的功能，還能夠和ANSYS電磁、結(jié)構(gòu)、流體產(chǎn)品以及第三方產(chǎn)品實現(xiàn)降價模 型接口和協(xié)同仿真接口，可以便捷地集成精確的電機電磁模型，IGBT模塊熱模型；電池電化學、傳感器、繼電器、電感、變壓器等效電路模型等，SCADE嵌入式代碼，線纜、母排、 IGBT寄生參數(shù)模型，Simulink協(xié)同仿真代碼

38、等，實現(xiàn)高精度電驅(qū)動系統(tǒng)設計和傳導干擾分 析。ANSYS集成化系統(tǒng)設計平臺高精度電機模型集成：Simplorer不僅可以無縫集成源自RMxprt磁路法設計的等效電跖I型還可以無頻破源Maxwell飛磁場看限元分析的等效電路模型,F室可以通過= 高層次場路耦合、瞬態(tài)協(xié)同仿真技術(shù)實現(xiàn)高精度電機瞬態(tài)有限元分析模型無縫集成。高精度IGBT模型與驅(qū)動電路集成 ：Simplorer不僅可以根據(jù)IGBT Datasheet實現(xiàn)特 征化建模，還可以實現(xiàn)各種整流和逆變電路設計、驅(qū)動和負載系統(tǒng)工況模擬分析，實現(xiàn)高 精度IGBT和驅(qū)動系統(tǒng)集成。高精度IGBT熱模型集成：Simplorer可以無縫集成Icepak提取

39、的IGBT模塊熱模型， 仿真分析IGBT在各種工況下的損耗和特定散熱系統(tǒng)下的溫升，以及溫升對IGBT及電驅(qū)動系統(tǒng)性能的影響。高精度電磁部件模型集成：Simplorer可以無縫集成源自 PExprt和Maxwell的電感、變壓器、繼電器、傳感器、作動器等等效電路模型，仿真分析電磁部件真實的電磁特性對 電驅(qū)動系統(tǒng)性能的影響。高安全性嵌入式控制代碼集成：Simplorer可以無縫集成源自 SCADE SUITE的嵌入式控制代碼，仿真分析電機、控制算法、驅(qū)動電路的相互影響和具有高安全性的、一鍵自動 生成的控制代碼對電驅(qū)動系統(tǒng)設計的影響。IGBT、電纜、母排寄生參數(shù)模型集成：Simplorer可以無縫集

40、成源自 Q3D的IGBT、電纜、母排的寄生參數(shù)，仿真分析RLCG寄生參數(shù)對電驅(qū)動系統(tǒng)傳導特性的影響。3.4定制化開發(fā)ANSYS定制化開發(fā)工具提供專門針對電機電磁設計和優(yōu)化的、內(nèi)置的一鍵后處理工具(UDO和ToolKit )。此外，Maxwell和Q3D內(nèi)提供各種定制化的工具， 能更好的實現(xiàn) ANSYS 界面的友好性，用戶操作的方便性，從而更高效的為使用者定制屬于個人的專屬平臺和界 面。典型電機電磁設計流程電機設計工具包：UDO和ToolKit是Maxwell內(nèi)置的、針對電機設計的定制化工具包。UDO能夠在電磁場有限元分析結(jié)束后，直接輸出電機的各種電磁性能數(shù)據(jù)；ToolKit能夠一鍵完成永磁和感

41、應電機的LdLq、效率Map圖等，能夠一鍵輸出電機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線等，且采用MPTA控制算法，并考慮溫度、頻變交流電阻、斜槽、不同頻率下鐵耗系數(shù)等對電 機性能的影響。電機等效短路模型提?。夯陔姍C的瞬態(tài)電磁場有限元仿真模型，Maxwell定制化的工具包可自動抽取非線性的電機等效電路模型。該模型采用偏微分方程描述電機磁鏈與電流 的關(guān)系，可直接導入Simplorer進行系統(tǒng)仿真，更快、更好地分析電機本體和控制系統(tǒng)的相 互影響。永磁體溫度退磁參數(shù)提?。夯谟来朋w不同溫度下的退磁曲線，Maxwell定制化永磁體溫度退磁工具包可自動提取永磁材料的內(nèi)稟退磁曲線與退磁曲線間的關(guān)系參數(shù)”與3并利用這兩個參數(shù)在

42、Maxwell和Fluent環(huán)境下對永磁電機的單 /雙向溫度退磁特性進行仿真 分析。電纜寄生參數(shù)提?。篗axwell/Q3D定制化電纜設計工具包能自動、快速、高效建立參 數(shù)化幾何模型并求解，通過電磁性能分析、設計方案優(yōu)化、高性能計算、電磁參數(shù)和系統(tǒng) 模型提取，將電纜和電驅(qū)動系統(tǒng)設計、傳導干擾分析結(jié)合起來，有助于實現(xiàn)高精度電驅(qū)動 系統(tǒng)設計。電機設計導航：針對電機企業(yè)個性化的研發(fā)需求，ANSYS可定制化全自動或半自動的電機設計流程和相應的工具包、中文設計界面、材料庫、產(chǎn)品設計報告等，大大加速電機 研發(fā)進程。中文設計界面可包含設計流程描述、技術(shù)指標輸入、歷史方案檢索、初始方案 分析、精確電磁分析、設

43、計報告、圖紙生成、文件歸檔以及設計規(guī)范查詢等功能。電機設計平臺：針對電機企業(yè)個性化的研發(fā)需求，ANSYS可提供定制化的電機研發(fā)平臺，既可無縫集成定制化開發(fā)的各種子項目，還可以定制化全面的電機設計流程和研發(fā)環(huán) 境。在該研發(fā)環(huán)境中，不同的電機具有不同的設計流程和自動化仿真工具包，是根據(jù)用戶 的實際需求量身定制的，可大大提高企業(yè)的生產(chǎn)率，加速產(chǎn)品研發(fā)進程。ANSYS全國電機設計仿真大賽優(yōu)秀作品展示ANSYS全國電機設計仿真大賽由 ANSYS中國組織，面向所有公司、工作室、團隊、 個人及在校學生的一項電機設計仿真大賽。目的在于推動我國科研院所、電力電子類公司 及高等院校的在電機設計領(lǐng)域的改革與創(chuàng)新，培

44、養(yǎng)我國電力電子類人才實踐創(chuàng)新意識與基 本能力，以仿真驅(qū)動產(chǎn)品研發(fā)，帶動我國電機行業(yè)的創(chuàng)新發(fā)展。此次大賽經(jīng)過報名、培訓、審核、仿真設計以及評選，歷經(jīng) 6個月，讓ANSYS愛好 者有機會親自試用 ANSYS 16.0 最新版本各項新功能，所有參賽者免費享有 ANSYS培訓。 2015年4月，在收集的近百篇作品中，我們精挑細選出20篇，評選出四組得獎者，其中包括多物理場、場路協(xié)同以及定制化方面的各項優(yōu)秀設計。這項大賽不僅展現(xiàn)了最為復雜 的工程挑戰(zhàn)，也體現(xiàn)了仿真驅(qū)動產(chǎn)品研發(fā)所帶來的電機行業(yè)的創(chuàng)新和進步。以下為獲獎作品展示和下載 ：一等獎調(diào)速永磁同步電動機優(yōu)化設計與矢量控制系統(tǒng)聯(lián)合仿真二等獎調(diào)電磁結(jié)構(gòu)對

45、高速永磁電機轉(zhuǎn)子渦流損耗的影響1000MW 級兩極汽輪發(fā)電機穩(wěn)態(tài)負序能力分析三等獎Maxwell仿真軟件在直線振蕩電機中的應用降低內(nèi)置式永磁同步電機電磁振動的研究磁力變速永磁無刷電機電磁性能分析內(nèi)置式永磁同步電機弱磁特性仿真計算轉(zhuǎn)子磁分路混合勵磁同步電機漏磁特性分析與優(yōu)化設計四、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(jīng)驗外推、在臺架上反復調(diào)試對比，以及各種 集總”參數(shù)的半經(jīng)驗分析、試湊等方法，花費大、周期長、適用性小。而應用 CFD技術(shù)對發(fā)動機的工作過程進行數(shù)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(nèi)進行廣泛的變參數(shù)研究，為開發(fā)新型

46、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(lǐng)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(nèi)工作過程模擬、冷卻與潤滑系統(tǒng)設計、消音器設計等方面。進氣閥截面上的速度矢量分布圖左：缸內(nèi)燃油噴射過程模擬；右：缸內(nèi)噴油渦流排氣中的碳氫和氮氧化物濃度分布圖發(fā)動機 某公司缸內(nèi)直噴汽油機的噴油特性與燃燒性能分析 某公司曲軸強度及疲勞性能分析進排氣系統(tǒng) NASCAR進氣歧管性能分析 汽油機催化轉(zhuǎn)化器工作性能仿真分析 某公司發(fā)動機進配氣機構(gòu)凸輪強度疲勞分析發(fā)動機冷卻系統(tǒng) 冷卻水套核態(tài)沸騰傳熱性能研究 發(fā)動機冷卻系統(tǒng)熱結(jié)構(gòu)耦合仿真分析4.1發(fā)動機作為汽車的 心臟”，發(fā)動機是一個復雜

47、的綜合體，其仿真問題涉及到結(jié)構(gòu)力學、熱、流 體力學、電磁以及多物理場等多個領(lǐng)域。發(fā)動機相關(guān)流體特性的仿真分析，能對其性能的 優(yōu)化起到至關(guān)重要的作用。某公司缸內(nèi)直噴汽油機的噴油特性與燃燒性能分析在多年發(fā)動機仿真分析工程經(jīng)驗的基礎上，ANSYS開發(fā)了完整的適用于汽車發(fā)動機缸內(nèi)流動及噴油、燃燒性能計算的標準仿真模板，在 ANSYS Workbench 平臺下，能夠快速 自動化的完成仿真流程。某公司利用ANSYS CFD工具分析了缸內(nèi)直噴汽油機兩段噴油特性及燃燒性能，計算 結(jié)果與實測值一致。發(fā)動機幾何：二次噴油過程:左：第一次噴射（吸氣沖程）；右：油滴蒸發(fā)（壓縮沖程）左：二次噴射（壓縮沖程）；右：二次

48、油滴蒸發(fā)點火及燃燒過程:某公司曲軸強度及疲勞性能分析曲軸是發(fā)動機最重要的零部件之一，其疲勞失效及斷裂將引起其他零部件隨之破壞，甚至造成安全事故。特別是隨著發(fā)動機動力性和可靠性的提高，其強度問題變得更加重要。曲軸強度研究包括靜強度及疲勞強度兩種。靜強度研究的目的主要是關(guān)心曲軸在承受最大工作載荷時的應力分布情況，找出各危險部位。本案例首先利用多體動力學軟件對曲軸系統(tǒng)進行多剛體運動學額動力學仿真，獲得曲軸強度仿真的準確的載荷邊界。進而利用ANSYS Mechanical 進行靜強度的有PM元分析，在 ANSYS Workbench 平臺下，能夠快速 自動化的完成仿真流程。某公司利用ANSYS工具分析

49、了曲軸強度及疲勞性能，并與試驗結(jié)果進行對比， 達到預期目標。I4aln Bearing #1KdMGfxiK AJW I曜如5C-.水平X向的軸長式苜L , * lk Aligi Hl*止方向的下方向在Main Bearing 對左：曲軸模型；右：軸承載荷主軸葡同向危松點應力相柄營閱心危險點點力曲軸強度分析及危險點確認Minimum OU Finn ThicknoM4上子牛曲軸彎曲*勞計算綿果學姐之二L，：史一回子電-L卜虱4600 i2.9M 1- G j(l fl I*J1W汽油機催化轉(zhuǎn)化器工作性能仿真分析采用ANSYS Fluent ,對汽油機催化轉(zhuǎn)化器內(nèi)部流動、傳熱及化學反應過程進行計

50、算, 得到了轉(zhuǎn)化器的起燃特性和工作性能。組分濃度分布:起燃特性: aolidl一 T 船 Flu id J Exp小I匕I11100 200 3g 400 500 600Time s某公司發(fā)動機進配氣機構(gòu)凸輪強度疲勞分析通過建立某發(fā)動機配氣機構(gòu)動力學仿真模型，計算各凸輪承受的作用力和力矩，并將 計算結(jié)果作為動態(tài)載荷，對凸輪軸進行三維瞬態(tài)有限元強度分析，以瞬態(tài)應力歷程對凸輪 軸進行強度評價。最后，以有限元分析結(jié)果作為輸入對凸輪軸進行瞬態(tài)疲勞分析，評價其 疲勞特性。某公司利用ANSYS工具分析了曲軸強度及疲勞性能，并與試驗結(jié)果進行對比， 達到預期目標。石t;r:JJS +w1總寸益fee -HHH

51、HTimes01 I42J 二工一 3 Su ,n 2; .o: -flILrAKS*務 /M0* :;u-A:4.3發(fā)動機冷卻系統(tǒng)發(fā)動機缸體和缸蓋的結(jié)構(gòu)復雜，工作過程中各點間的溫差很大，因此合理的設計冷卻系統(tǒng)，布置水道和組織冷卻水流至關(guān)重要。通過對冷卻系統(tǒng)進行CFD仿真分析，可以幫助排除冷卻水的流動死區(qū)，避免出現(xiàn)流動分布不均造成的局部熱點及過渡沸騰等不正?，F(xiàn)象， 保證發(fā)動機的正常工作。發(fā)動機冷卻系統(tǒng)CFD仿真的應用案例冷卻水套核態(tài)沸騰傳熱性能研究采用ANSYS Fluent軟件中的混合多相流模型，對冷卻水套內(nèi)沸騰傳熱過程進行了計 算，結(jié)果表明在此工況下，水套的壁面產(chǎn)生了氣泡，這些氣泡離開壁面又消失在水中，在 水中產(chǎn)生了劇烈擾動，處于核態(tài)沸騰傳熱過程，相比自然對流傳熱，效果顯著增強。ANSYS Fluent軟件發(fā)展了基于陳氏修正理論的沸騰模型，經(jīng)驗證對水平和豎直流動通道的仿真都能進行精確的模擬，因此可以直接用于冷卻水套內(nèi)沸騰現(xiàn)象的預測。計算模型：Cylinder head