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多物理场仿真在汽车工业中的应用
鲍伟，高级应用工程师COMSOL 中国
议程简介
COMSOL 汽车工业仿真示例• 制造工艺• 电动机 / 发电机• 腐蚀• 电池与燃料电池• 声学• 传感器
用户故事：胎压监测系统
App 案例演示：• 吸湿膨胀导致的 MEMS 压力传感器漂移
为什么进行模拟？模拟的终极目标是什么？
效率 生产力
更低成本 以及更多
真实
世界
传热
结构力学电磁
流体流动
粒子追踪
等离子体
声学化学反应
扩展你的汽车仿真模型，并包括
多物理场
温度上升
流体流动
结构变形
其他物理效应
COMSOL 5.2 产品库
汽车工业仿真示例
制造工艺
待焊接的接缝
旋转的焊接工具
移动脉冲激光的加热
铝板的摩擦搅拌焊（搅拌针带来的传热）
模具冷却 –三维热模拟和一维管道流
用于方向盘制造的模具冷却过程
管道流模块• 管道网络中的流体流动• 结合传热与/或质量传递• 耦合至三维热传导模型
方向盘塑料模具的冷却 –包括冷却通道中的管道流
换热器
• 结合三维和一维多物理场流动和传热模拟，兼顾效率和精度
二维与三维混合 – 轴承分析斜瓦式推力轴承
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fluid_thrust_bearing.PNG
径向轴承
• 变化的润滑剂厚度• 润滑剂流动• 用于快速旋转机械零件的润滑剂上的
压力分布
电动机和发电机
三维旋转机械的专业预置设定
• 无刷电动机和发电机• 有刷直流电机
三维旋转机械用户接口仿真的直流电机
发电机• 永磁体转子• 定子磁极周围的绕组• 导入非线性 B-H 曲线
表面：磁通密度等值线：磁矢势（z分量）
腐蚀分析• 模拟系统中的腐蚀范围：
– 电偶、点、缝隙腐蚀等
• 与腐蚀产生的几何变形进行耦合• 评估腐蚀防护系统的效率，例如阴极保护 (CP)
镁合金的电偶腐蚀 (AE44) – 盐溶液（盐水）软钢连结。电极材料的去除由移动网格表示
铅酸电池三种放电模式：
• 1200 A• 60 A• 自放电
放电一小时内每分钟1条线
0
60
自放电 (1 年)60 A 放电(+ 1 小时弛豫)
1200 A 放电
确认：• 特定能量密度• 动态充电/放电属性• 电流提取的可能瓶颈
锂离子电池• 充电-放电循环的瞬态模型
30 分钟后，嵌锂的浓度
• 动力学和传递的详细分析，优化电池设计
燃料电池分析聚合物-电解液 / 质子交换膜 (PEM) 燃料电池
• 分析燃料电池的电化学，最大化功率输出• 流动、电荷传递与质量传递的多物理场耦合
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pem.fuelcell2.gif
燃料电池 – 力学• 双极燃料电池板中的
应力和位移
温度 von Mises 应力 位移
声学• 汽车的环境声学
汽车内部的测试基准
500 Hz 压力模态形状
声压 vs 频率
源 测量
声固耦合声固耦合
• 在一个多物理场模型中模拟换能器的力学属性与声传播
声壳耦合
• 为薄层弹性结构振动和所产生声波设计的高效模型
隔音膜模型
消音器模拟
吸收式消音器• 消音器内部包括吸收式多孔衬套
材料
• 使用 Delany-Bazley 经验模型来考虑感应和阻抗衰减
入口
出口
257 mm
声学消音器与集总热声阻抗
穿孔板孔洞之一的热声子模型 确定集总参数并应用为内部阻抗边界条件
微粒过滤系统的声学
f = 800 Hz
dB
• 声压和多孔基体变形之间的相互作用
• 同时考虑固体和流体的影响
传输损耗的频率扫描
MEMS:传感器、换能器和加速度计
电容式压力传感器
压阻式加速度计
之中的电压
检测质量块的位移
多物理场仿真故事：
通过模拟优化用于汽车轮胎内部的压电能量收集器
西门子研究院，慕尼黑，德国ALEXANDER FREY AND INGO KUEHNE
Extract from COMSOL News 2012© 2012 COMSOL. All rights reserved
问题• 胎压监测系统 (TMPS) 传统上装配于轮毂，并由电池提供动力：
– 如果 TMPS 能够位于轮胎内部，就可以测量温度、摩擦、损耗，以及其他重要特征– 能够使用能量收集式 MEMS 发电机，从而代替电池（无电线）– 然而，这将要求能承受加速度，并与轮胎的使用寿命相匹配
Extract from COMSOL News 2012© 2012 COMSOL. All rights reserved
两种 TPMS 装配选项：轮毂上，或轮胎内衬上
解决方案
• 压电能量收集器从轮胎特定区域接触地面的每次压缩中吸取能量
– 三角形设计可得到均匀的应力分布
• 为了最小化阻尼，悬臂的尺寸和层厚都必须优化
– 通过改变仿真模型中的值，设计的优化过程变得更快更高效
Extract from COMSOL News 2012© 2012 COMSOL. All rights reserved
悬臂由两种材料组成，电能从悬臂经电路转换
模型• 首先，使用静态分析来确定初始值• 然后执行瞬态分析来查看物理效应的影响• 最后三维流固耦合 (FSI) 分析考虑偏转与外部压力和承载层厚度的函数关系
Extract from COMSOL News 2012© 2012 COMSOL. All rights reserved
二维流固耦合仿真 悬臂偏转与气压函数关系的三维 FSI 仿真
其他近期示例• 丰田研究院（安娜堡，
密歇根州，美国）– 优化电子元件几何增强
散热
• 菲亚特研究中心（奥尔巴萨诺，意大利）– 锂离子电池堆的热管理
App 开发器
常规仿真工作流程项目计划
分析工程师进行仿真
产品工程师提出需求
测试验收
项目结束
修正需求 结果反馈
交付 通过
客户有新的参数要求，咱们产品是否能实现？
供应商提供的配件改了尺寸，怎么办？
改了个参数，帮忙再算一下吧！
常规工作流面临多种问题
设计图加工成本太高，改设计！
产品线要调整一下，现在这个设计能否满足要求？
……
COMSOL Server™
解决方案：多物理场仿真App
从模型到 App，全面释放仿真分析的潜能！
2016/3/4
App 案例演示
COMSOL Server
• 部署全球使用的 App• 客户端：
– Windows® 下的 COMSOL客户端– 网络浏览器
• 管理员工具– 创建用户账号与权限– 创建用户组– 更多
2016/3/4
两种运行 App 的方法• COMSOL Client for Windows®
– 免费下载 40+ MB– 与 COMSOL Desktop ® 外观类似– 可以运行 LiveLink™ for CAD
• 网页浏览器– 不需要安装什么工具– 不需要浏览器插件– 一维、二维和三维图形
• 通过 WebGL™ 标准进行交互式三维渲染
联系我们• Email：[email protected]• 电话： 86-21-5077-6566（上海办公室）
86-10-5153-0282 (北京办公室）• 技术支持邮箱：[email protected]
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