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LMS仿真与试验解决方案
LMS仿真与试验解决方案 (编号 1107) http://www.siemens.com.cn/plm/lms
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更绿色和更清洁的福特正走向全球市场
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品牌正再次改变美国市场

福特,驱动力之一

美国汽车制造商福特公司正努力使公司重新回归到公众视野中来。今年年初,在密歇根州提尔伯恩,我们与动力总成负责人和专家们进行了交流,以了解福特公司正在发生的变化,及这种变化将如何改变它于100年前福特T型车时开始形成的公司世界观。

在美国汽车界,福特汽车公司几乎是一夜之间发生了改变。一个重获新生和清洁的福特将更加全球化,更加绿色以及更有雄心地以最新的生态技术领导汽车工业。内部人士指出这一转变的关键是首席执行官Alan Mulally的决策,以福特的全球化概念,将福特的区域化方法转变为全球化方法,并以闪电般的速度将它实现。

“我们的战略是明确的:提供最佳、新型的充满驾驶乐趣的汽车,以及它拥有一流的质量及燃油效率”福特的美洲区总裁Mark Fields表示。“另外,我们的整体效益还来自于全新的动力总成、及福特独有的智能技术与安全性能。”

全球化的车轮正向前行驶

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似乎这些努力正初见成效。福特在一个恰当的时间在全球市场中找到了一个合适的位置。福特内部实施的最大的变革之一是成立了一个在整车和引擎方面的全球性工程技术组织。动力总成方面也是如此。对于直接面向汽车生产线的发动机和传动装置而言,福特的动力总成团队已经开始进行全球性运作,相对应,现有的开发团队是区域性的。

对此,福特公司全球动力总成工程技术副总裁,Barb Samardizch解释道。“现有的开发团队针对具体车型,采用LMS工具解决汽车关键的NVH问题。为了拥有全球性平台以及所有的福特汽车都具有唯一的特征,我们必须实现全球化。今天,我们正努力使所有我们的汽车实现同一目标,不论是动力总成的声音品质,制动感觉或是操控性能。对于任一车型,在任何时刻,我们都能够使用同一语言进行交流。”

领先于全球的绿色环保需求

这一全新的全球战略赋予了福特灵活性。随着油价的飙升,消费者开始对高燃油经济性汽车产生需求,与此同时福特公司已为此做好准备。

“几乎是一夜之间,汽油价格达到了每加仑3.50美元,卡车的销量大幅下滑,大型SUV销量也大大下降。幸运的是,我们已经拥有了来自欧洲的小型轿车产品;从产品研发线来讲,我们的确处于一个良好的状态,并且对将来的改变有着前瞻性的认识。当然它比我们的预计来得要快。”Barb Samardzich评价道。

EcoBoost的到来

对“绿色”成就做出重要贡献的是福特全新的EcoBoost引擎技术战略。通过汽油机涡轮增压直喷技术,EcoBoost保证提高了20%的燃油经济性、降低了15%的CO2排放以及比大排量发动机更好的驾驶性能。到2012年,福特公司将在超过80%的北美生产线上装配EcoBoost。更加清洁以及具有更好燃油经济性的Duratorq柴油引擎也是我们欧洲战略的一大组成部分。在美国市场,EcoBoost V6发动机将装配在福特的2010款林肯MKS以及时尚的福特Flex crossover上。4缸的EcoBoost引擎将于2010年首次在北美及欧洲推出。

EcoBoost的NVH挑战

与其他的OEM厂商一样,福特公司已经意识到消费者想要的是小型且具备良好燃油经济性的轿车。福特公司认为他们已经掌握了适用于涡轮增压、高扭矩的EcoBoost技术。显然,这对于消费者们来说是双赢的:保证具备良好燃油经济性的同时不牺牲驾驶性能。但是这一技术的转换意味着亨利福特NVH技术研究员——Abe博士及他在福特高级工程技术中心的团队,必须解决诸多全新的NVH问题。“人们知道涡轮增压发动机有着非常不同的噪音特性,Abe博士首先告诉你的是自然进气式发动机更容易对声音品质进行调整。对于涡轮增压的EcoBoost发动机,我们面临大量的NVH考验。我们需要确定我们提供的是具备良好声音品质的动力总成,并同时它具有强有力的声音,这能使消费者对该引擎充满信心。”Barb Samardzich补充道。

摒弃旧的NVH手段

传统上,一个NVH部门对于隔音或振动控制总是依赖于质量较重的材料,但是现在具有良好燃油经济性和更为轻质的汽车已深入人心,这就迫使NVH工程师寻找全新的方法以替代这些传统的手段。

“NVH工程师曾有一个惯用的法则:越重越好。如今,我们不得不从依赖较重的隔音材料中走出来,并将习惯于采用更轻的材料以实现振动阻尼、声音阻隔和吸收。我们需要用更轻、更经济、更有利于环保的硬件实现更好的NVH特性。”Abe博士说。“采用全新的EcoBoost引擎,其声音反映出强劲的发动机性能,而且对于习惯了以前发动机声音的客户,V8引擎仍具有足够吸引力”

为全球打造的98g CO2福特Fiesta

消费者要求汽车在具有良好燃油经济性的同时,也要求它是更“清洁”的,即更少的CO2和NO2排放。混合动力汽车如丰田普锐斯(104g/km CO2)及都市迷你型汽车如Smart (88g/km CO2)已经被很多具有生态意识的消费者所关注。

“消费者正在推动绿色革命。他们需要更多的绿色环保型汽车。我们希望通过走在发展趋势的前沿来管理我们的业务。这就是为什么排放量达到低于100g CO2的水平对于福特来说非常重要的原因。”Barb Samardzich表示。

自8月以来,福特98g/km的环保型福特Fiesta已在科隆的德国工厂下线。2009年1月在西班牙瓦伦西亚开始生产的福特Fiesta是福特第一辆真正的全球性汽车。福特Fiesta也将在中国、泰国及墨西哥投产。

过多的混合动力宣传?

在丰田和雷克萨斯高调的市场宣传下,许多关注环境的消费者现在高度关注混合动力的发展。福特2005年的福特Escape是市场上第一辆带混合动力的SUV。公司承诺明年将通过引进福特Fusion和Mercury Milan车型以使混合动力车型的数量翻翻。但是许多人开始考虑购买一辆混合动力汽车是否足够环保?

很明显混合动力的动力总成能够应对一些棘手的挑战,如提高燃油经济性及更低的排放,但是专家同时指出在这项技术成熟以前仍有一段很长的路要走。

“一个主要的NVH挑战是发动机驱动和电机驱动间无缝转换的噪声和振动。另一个挑战是在不存在发动机噪声的情况下电机驱动模式的超低噪声水平,对于其它噪声,它起到了重要的遮蔽作用。这对于动力总成噪声、路噪及空气动力噪声来说意味着极为不同的声音平衡。”Abe博士解释道。

未来的绿色环保型汽车

大多数汽车专家在这一点上意见一致:即目前讨论的混合动力并不是唯一的环保概念。福特正在努力开发一个具有良好燃油经济性、低CO2和NO2排放的环保型汽车,并结合了汽车业中的混合动力技术。

“身为动力总成的专家,我认为未来是电气化的。石油作为有限资源,总有一天会枯竭的,提炼石油将变得越来越昂贵,并且石油价格也会继续上扬。这样的情况将持续下去,可替换的动力装置将随之变得越来越吸引人。”

Barb Samardzich表示,“我认为在2015年左右,我们将在城市中驾驶电动汽车。随着技术进步和基础结构的发展,我们甚至可以在将汽车开进一个车站的十分钟后拥有一个全新的电池组。这不是对未来的想象,也许在未来二十年内就能实现。”

同时Abe博士总结道:“我们对电气化方面的定位比混合动力发动机广泛得多。我们在寻找能源回收系统以及不同种类的混合动力及部分混合动力系统。福特的消费者,特别是在美国,期待具有冬季驾驶能力的汽车。所以我们要继续努力将全轮驱动装置性能加入到混合动力的变革中来。我们正在探索更广泛的混合动力和电气化领域。”

适于工作的NVH工具

福特公司北美区 P/T NVH经理,Mark Stickler谈到小调整与大修改之间的不同,以及良好基础工程的秘密。

如何应对不断变化的汽车产业以及增长的产品研发任务?

显然,福特公司正在降低它的工程成本并显著缩短其产品研发周期。最好的促进方式是拥有出色的NVH工程师及最好的NVH工具以能够在第一时间设计正确。我们感觉工作启动的第一年是成功的关键。我们采用来自LMS的NVH分析工具是前期成功的一个关键性因素。

除了LMS的工具,还有哪些其它的成功因素?

我们也通过利用NVH的设计规则,在真正了解物理特性的情况下做大量的工作以避免出现失败。我们试图首先从架构的角度来获得正确的设计,从这一角度出发的研发工作量要小得多。

为什么要这样做?

良好的工程是从基础的物理学以及良好的架构设计工作开始的。这是一个竞争优势。我认为如今杰出的工程技术公司是快速、高效且灵活的。利用设计实践及前期使用的分析工具才能具备快速的开发效率。它使得“调整阶段”中较小的修改与主要的重新设计相比变得截然不同。

当前您面临最大的NVH挑战是什么?

我们的引擎从V8到V6再到I4。每一类引擎都有不同的NVH特性。确定这些引擎所产生的动力如何与车身结构以及车辆平台相匹配,是一个巨大的挑战。

那么您如何解释品牌性的声音品质呢?

从发动机的观点出发,声音必须是优雅的,因此它不能影响到我们品牌独有的特性。我们必须调整到一个独特的NVH特性。我们试图将动力单元设计得尽可能安静和优雅,然后我们就可以播放 “音乐”了,或者通过发动机设备来调整结构,如排气装置、感应器、支架系统等……它就像一个可调谐的管弦乐队。这里有些基础的东西可以加到动力单元,使之具有品牌DNA的特性。

LMS如何满足这样的要求?

在福特公司,我们正在经历一场真正的文化变革。我们开发了世界一流的流程以满足我们苛刻的研发时间要求。显然,LMS解决方案及分析工具,诸如LMS Virtual.Lab和LMS Imagine.lab,都是其中的一部分,同样还有测试软件。我们正在对LMS Test.lab进行一个为期三年的升级计划。

LMS Test.lab对此有什么优势?

它在很大程度上满足了我们在研发时间和成本上的要求。我们现在处于三年升级计划中的第二年,并且我们也都看到效率获得了显著的提高——在一些地方差不多达到50%。独特的LMS Test.lab升级版仅需一人进行数据采集。这对满足工程效率目标有极大的帮助。

虚拟仿真技术在福特汽车设计中的作用

从传统的V型设计流程,到虚拟设计流程的转变,实际上对所有的汽车制造商来说是一种挑战。与其它品牌汽车制造商一样,福特公司已经迅速改进了其产品开发流程,称为GPSD(全球产品研发系统),以提高产品开发效率,在满足高品质标准以及在不超出成本限制的情况下,能够快速将其产品投放到市场中。动力总成NVH CAE技术经理Mario Felice坚信虚拟仿真技术变革是取得成功的重要因素。

“将CAE技术完全集成到全球产品研发系统中在提高效率方面至关重要,因为它在开发阶段早期即可驱动设计优化,并极大地减少设计修改和物理样机试验。以往的开发流程是基于试验的,而全球产品研发系统与此不同,它主要是基于CAE流程的分析评估和设计验证,并在设计的最后阶段进行试验验证。”Mario Felice表示。“福特在过去的两到三年的时间里已经显著改变了设计流程。我们承诺进行一次技术革命,并且这一全新的全球产品研发系统开发流程已使我们迅速成为全球排名第一的技术中心。”

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福特汽车全新的研发周期

今天,福特的CAE与CAD人员共同合作,以确保产品满足所有的设计目标——属性及功能品质目标——并满足极短的设计冻结期限。

在设计冻结后,产品部件进入生产阶段,此时用硬件进行验证,同时,CAE技术部也能确保模型验证。然后,他们就能追溯并汲取设计的经验教训,并对下一次的设计流程进行改进。“我们全新的GPDS非常有效。这是一个连续的循环系统,你没有时间和特权,更容不得无所事事。” Mario Felice说。

过去,CAE设计在福特是一项次要的任务。而今,在产品开发过程中它已变成最首要的任务。CAE技术正驱动设计,并且福特的研发团队发现需确保团队中的每个人拥有合适的工具以优化设计并使其具有鲁棒性。Mario Felice表示:“特别是作为一个全球性公司,要与其在北美、欧洲和南美的分支共享模型,使用相同的软件工具和技术显得尤为重要。在设计的后期,如果我们在比较两种不同的设计方案A和B时,最好能够确保员工采用的是相同的软件进行相同的分析。这是一项真正的挑战——开发过程中的跨区域沟通和合作。”

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多属性优化的途径

作为流程改进的一部分,福特决定在达索公司紧密集成CAE技术的CATIA平台上实现全球标准化。福特的团队正着手于将不同的CAE方法及优化技术进行集成和修改,使其与之全球最好的工程经验相符。对此Mario Felice总结道“今天,设计要经过反复不断的优化,直到满足最终的目标。在过去,NVH人员只做NVH,耐久性分析专家只做耐久性方面的工作,工程师们一直致力于集成不同的CAE属性从而进行鲁棒性设计。得益于多领域软件,如LMS Virtual.Lab和LMS Imagine.Lab,这一切即可实现。”

摆脱繁琐的转换

为了应对不同的物理领域,从动力学到液压及流体方面的各种问题,Mario Felice和他的团队从1D仿真工具LMS Imagine.Lab AMESim与3D仿真工具LMS Virtual.Lab的强大功能中获益匪浅。他们利用LMS Virtual.Lab在有限元模型和声学模型上进行从多体动力学到频响分析的各种仿真计算,同时也采用LMS Imagine.Lab进行一维的流体动力学仿真分析。对于混合仿真的工程任务,他们通过导入从LMS Test.Lab中得到的试验数据,创建数值模型进行分析。

“在分析过程中我们节省了大量的时间,因此在时间效率上得到了巨大的回报。现在,我们不必重组数据以及在不同软件之间进行来回切换,这在以前是完全不可能的,这就像在单行车道上行驶一样省去了很多麻烦。”Mario Felice说:“在多属性工程中,你必须用一个优化程序进行多学科优化,这在开发过程中是至关重要的,但最终,用户关心的不是NVH或是耐久性的问题。他们想要的是安全、安静以及能够达到他们所期望性能的产品。新的CAE方法和工具覆盖了这些属性,可以为客户带来他们所期望的一切。”

对于福特团队来说,最大的挑战之一是确保3.5升的EcoBoost V6引擎能与著名且强劲的福特V8引擎一样可靠。

“EcoBoost的设计严格关注于质量,这需要工程技术人员以及供应商具备零缺陷意识。”集团副总裁、全球产品研发部Derrick Kuzak表示。

迄今为止,具有一组直喷双涡轮增压的3.5升EcoBoost V6引擎已经在位于密歇根州提尔伯恩的福特动力测试实验室中经受了超过12000小时的耐久性运行。这相当于消费者驾驶了超过了500,000里或800,000千米的里程。福特严酷的测试包括20个功率水平的测试,旨在将引擎推至其极限。测试认定书证实了完整的发动机系统,包括引擎最大转速和负载、冷却剂和油温以及消费者驾驶方式在内的情况下的可靠性。

发动机台架耐久性测试,旨在再现现实中顾客驾驶工况以及车辆维护的模式。对于这种测试,具有EcoBoost技术的引擎要经受1000次冷启动,紧接着要在340 lb-ft的扭矩峰值和340hp匹马力的功率峰值下持续运转。另外,福特公司建立了大量的涡轮及排气管CAE模型,以确保EcoBoost技术不仅仅是持久耐用,并且具备了良好的发动机声音品质。工程师们还进行了排气系统的不同热量以及机械疲劳性的仿真,检验其缸盖接口、排气歧管、三元催化器以及垫圈的工作情况。
文章内容仅供参考 (投稿) (8/27/2012)
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网址: http://www.siemens.com.cn/plm/lms 电话:86--4000920665
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