汽车产业的CAE应用
汽车CAE的四大领域
老师，汽车行业怎样使用CAE的呢？我听说"汽车=CAE的最大用户"，但是具体使用哪些分析，我想了解一下。
汽车产业消耗了全球CAE市场约30%的份额，名副其实是最大的用户行业。分析领域大致分为四个支柱。
- 碰撞安全：使用LS-DYNA、Radioss进行前面、侧面、后面碰撞及行人保护分析
- NVH（振动噪声）：采用Nastran进行车身模态分析、车室内噪声预测
- 空气动力学：使用Star-CCM+、Fluent进行Cd值（阻力系数）优化
- 动力总成热管理：采用GT-SUITE、JMAG进行发动机/马达的冷却、热设计
据说丰田每车型进行5000个以上的CAE分析。CAE已深入开发工程的全流程中。
5000个分析数据太庞大了！一辆车的开发需要那么多仿真呢…
而且这还不只是碰撞，NVH、空气动力学、耐久性、热管理、成形性都包含在内。过去需要100辆以上的试制车进行破坏性测试，现在物理样机仅需数辆至十几辆。由此带来的成本节省，每个车型可达数十亿日元。
碰撞安全仿真
碰撞安全的CAE是怎样进行的呢？与实际车辆碰撞测试有什么区别？
碰撞分析采用显式法FEM进行。LS-DYNA是事实上的行业标准，整车建模采用200万～500万个壳元素和实体元素混合网格。
例如NCAP前面碰撞试验（56km/h，40%偏心）的仿真，计算现象为约120毫秒，采用HPC集群100～500核心运行8～24小时。这样的分析在每次设计变更时要重复执行数十次。
精度方面，加速度波形的峰值与实验误差在10%以内为合格。最近还要求包括虚拟人体伤害值（HIC、胸部变位量）的预测。
500万个要素、500核心运行24小时，投入这么多计算资源，成本比实车测试还便宜吗？
便宜得多。一次实车碰撞测试（含试制车制造）的成本1000万～3000万日元，而CAE分析仅计算机成本每次数十万日元。更重要的是，CAE可以立即验证"这个位置板厚增加1mm会怎样？"这样的设计变更。实车测试则需要重新制造试制车。
NVH振动噪声分析
NVH是什么意思？这种分析方法与碰撞分析完全不同吗？
NVH是Noise, Vibration, Harshness的缩写，关系到乘坐舒适度和静音性。与碰撞的大变形、非线性显式法不同，NVH基本采用线性特征值分析、频率响应分析。
具体地，对白车身（BIW）模型进行固有频率和模态形状求解，预测"转向盘传递的振动是否舒适"、"发动机闷声在车室内的声压级"。Nastran应用最广，特别是MSC Nastran的SOL 111（模态频率响应）是汽车NVH分析的标准方案。
哦，碰撞和NVH使用的求解器和解法都完全不同呀。看来一辆车的开发中，CAE工程师的专业分工很细致。
完全如此。大型OEM的CAE部门分为"碰撞小组""NVH小组""CFD小组""耐久性小组"等完全专业化的分工。不过最近，跨部门掌握多物理场（振动+声学+流体噪声等）的工程师需求在快速增长。
EV化对CAE的影响
最近EV（电动汽车）越来越多，EV化会改变CAE的需求吗？
EV化根本改变了汽车CAE。首先，出现了传统燃油车（ICE）没有的大量新分析领域。
电动马达的电磁场分析：采用JMAG或Ansys Maxwell进行马达设计优化。扭矩涟波、铁损、消磁耐力的预测是必需的。
电池热失控仿真：这是最受关注的领域。当锂离子电池单体发生热失控（Thermal Runaway）时，能否防止对相邻单体的连锁反应（Propagation）需要通过仿真验证。采用Star-CCM+或Fluent、GT-SUITE。
EMC（电磁环境兼容性）分析：高压逆变器产生的电磁噪声是否影响车载电子设备，采用CST Studio Suite或Ansys HFSS验证。
电池热失控，我看过新闻里EV汽车着火事故。事先通过CAE预测这些吗？
正是这样。电池热管理的设计中，当一个单体超过150℃发生热失控时，冷却板或单体间绝热材料需要定量预测能保护相邻单体多长时间。联合国法规（UN GTR No.20）要求5分钟的乘员逃生时间保障，需用CAE证明这一点。由于实车电池故意热失控测试危险且成本高，CAE的作用极其重要。
前期导向与MBD
经常听到"前期导向"这个词，具体是什么意思呢？
简单说就是"在设计初期大量运行CAE来消除问题"。过去的流程是"设计→样机→测试→问题发现→重新设计"，存在大量后期返工。前期导向通过在概念设计阶段就用CAE预测性能、上游阶段解决问题。
基于模型的开发（MBD）进一步推进了这一思想，将控制系统的MILS/SILS/HILS与结构、流体的三维CAE统一在一个模型框架内管理。丰田的TNGA、马自达的SKYACTIV平台开发中采用这种方法，开发周期缩短20～30%。
开发周期缩短2～3成，太厉害了。看来没有CAE，现在汽车开发根本无法进行。
完全同意。如今不仅OEM需要CAE，Tier1供应商也必须掌握。爱信、电装等大型供应商都拥有自己的CAE部门，碰撞部件、马达部件的设计验证实现了内部化。
CASE时代的汽车CAE
进入自动驾驶和CASE时代，CAE会怎样进一步变化呢？
CASE（Connected, Autonomous, Shared, Electric）的四要素都会影响CAE。特别重大的是系统级仿真需求的爆发式增长。
自动驾驶（Autonomous）：LiDAR和摄像头的识别性能需要在虚拟环境中验证。CARLA或CarMaker等驾驶仿真器与CAE的联合应用在推进。
联网（Connected）：需要天线设计和车间通信的电磁场分析。5G/V2X天线的位置优化采用CST Studio Suite。
总之，传统的"部件级强度计算"已发展到"整车作为系统进行虚拟验证"。汽车CAE工程师的责任范围在这十年间发生了戏剧性的扩大。对进入这个领域的人来说，这是个大机遇。
从碰撞安全到EV热失控，再到自动驾驶，汽车CAE的范围这么广！我原本以为只要懂LS-DYNA和Nastran就可以，完全不同…谢谢老师！
汽车CAE可以说是"使用求解器种类最多的行业"。结构、流体、电磁、控制、一维系统，各个领域的CAE都被动员起来。因此，从一个专业领域扎根做起，再逐步拓展守备范围，是标准的职业发展路径。
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