虎門科技股份有限公司 Taiwan Auto Design Co (TADC)

Steering Toward The Future : ANSYS開啟汽車設計的新未來

面對不斷上漲的燃料價格和不斷增長的環境問題，汽車業必須不斷改善設計，面對更嚴峻的挑戰，因此CAE模擬發揮至關重要的作用。下一代汽車的引擎和排氣系統技術需要達到減少排放量和其他對環境的影響，同時還能提高水準，才能達到消費者的期望。在此雙重壓力下，消費者也要求更安全、聰明的車輛，結合創新、互動式娛樂系統、無線通信技術、防撞系統、導航設備，這些要求都在改變汽車的設計。今日，30%新車其平均價值在於電子系統，此百分比將影響設計者，去捕捉世界各地的消費者的想像力。面臨此挑戰下，ANSYS軟體的強大設計功能，增加設計者的信心，模擬各種嚴苛的現實條件，例如分析總動力或噪音，或在崎嶇的道陸上行駛或寒冷的公路上、在沙漠上行駛…等實際上不可能的測試，通常汽車製造商可以負擔的起的只有少數測試物理樣機，條件有限。但模擬可在各種廣泛的條件下進行，確保產品的完整性。Magneti Marelli公司使用HPC環境，解決大型、複雜問題，可顯著降低分析時間且不影響模擬的精確性。汽車設計系統包括流體力學、結構力學、電磁學和熱傳，ANSYS透過多物理耦合分析，幫助企業降低整體投資，放大本身的資源和進展迅速。詳情請至： http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/article/AA-V6-I3-Steering-Toward-the-Future.pdf

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Friction-induced squeal in automotive brakes is an increasing source of customer complaints. An integrated approach to brake squeal prediction incorporates bidirectional computer-aided design (CAD) connectivity, automated meshing and connectivity, flexibility to use a linear and/or a nonlinear solver, parametric and sensitivity studies, and a wide range of graphical outputs. This method substantially reduces setup time, correlates well with physical testing, maintains in-sync models with production and the supply chain, and makes it possible to automatically evaluate a large number of design alternatives to quickly identify the optimal design.

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Aerodynamics development is all about trade-offs. Typically, R&D teams analyze up to 500 different vehicle shape variants in the time available for aerodynamics development. The analysis results shed considerable light on the impact of styling choices on aerodynamics performance, but they do not come close to achieving the potential of simulation to identify the best possible design that meets the various constraints and trade-offs involved in the project. A new approach, the 50:50:50 method, simulates 50 design points with high-fidelity CFD simulations that use a computational mesh of 50 million cells for each design point in a total elapsed time of 50 hours after baseline problem setup. By enabling full exploration of a large design space, the technique can lead to more informed trade-offs and choices in the early stage of the development process.

Fast-Charging "Battery Development" : 電池的創新應用發展

「不用馬拉的馬車(horseless carriage)」，William Morrison是美國愛荷華州的發明家和化學家，在1983年的芝加哥博覽會被廣泛關注，證明在早期的歷史，汽車有巨大的影響力，利用新時代電力，鉛蓄電池，數以千計的電力驅動車出現在市場上，範圍包括北美和歐洲，但電池技術的局限，加上缺乏充電設施，最後導致逐漸不普及。

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Contours of velocity on mid-plane of a 20-cell module. In this example, water is being used as a coolant for the module, flowing in through the top channel and out the bottom channel.

1910年初，電池技術有顯著的改善，鋰電池系統是近幾年最流行的技術，隨著碳排放量的關注和汽油價格的攀升，美國能源部(DOE)贊助研究，電動車再次成為交通的選擇。業者必須減少高能量電池的成本，使用電池模擬工具來設計電池，加速生產安全、可靠度、高性能和長效的鋰電池模組。ANSYS多物理歐和分析能力受到廣泛的注意，基於ANSYS Workbench平台，處理複雜的3-D幾何，結合ANSYS FLUENT和ANSYS SIMPLORER耦合，系統設計整合是新一代的電動車電池的發展趨勢，模擬是不可缺少的重要工具，其簡易操作與工作流程的自動化，藉由強大的計畫完成最終的目標，可加快電池的創新和發展未來的電力驅動車。詳情請至： http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/article/AA-V6-I3-Fast-Charging-Battery-Development.pdf

▲	Illustration of the different scales that must be considered during battery system simulation, including electrode layers that comprise a cell and cell modules that comprise the pack.

Cleaning up : 更有效率與環保的引擎設計

2009年，歐盟要求10%的汽車，必需在2020年以前使用可再生能源，生物燃料是由乙醇和乙醇共混物所組成的，為車輛最實用的燃料。在巴西使用生物燃料已是司空見慣，但目前使用生物燃料的車輛引擎，還無法獲得最佳性能以及燃油經濟效益或廢棄排放。Magneti Marelli公司是一家領先的汽車零件及系統供應商，產品銷售世界各地，努力改善燃料噴射系統，巴西的Magneti Marelli公司團隊，使用ANSYS CFD模擬內燃機，引擎分析是非常耗時且複雜，所以需要適當的模擬工具和專業工程知識。日益複雜的控制系統，比以往都更難預測汽缸內混和氣的形成、燃燒和引擎的排放，而且引擎流場和燃燒需要大量的網格，一但開始分析，需要數小時或數天對模型進行求解計算和評估結果，Magneti Marelli公司的工程師們克服這些挑戰，透過自動網格和參數分析，使用ANSYS CFX移動網格技術，模擬不同引擎的循環狀態，包括燃料噴射、噴霧的形成和顆粒分離，比對實驗數據，獲得令人滿意的預測。ANSYS幫助Magneti Marelli公司，減少研發所需的時間，提高引擎組件的燃油效率和減少廢氣排放。詳情請至： http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/article/AA-V6-I3-Cleaning-Up.pdf

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Fluid dynamics can be used to model fuel injection — the most important element of engine modeling. Images illustrate simulation at different stages of the engine evolution: exhaust and intake valves both open (left); intake valve open (center); both exhaust and intake valves closed (right) with combustion.

▲	ANSYS CFX spray pattern evolution: front view (left) and top view (right)

▲	Coupling fluid dynamics to GT-Power engine simulation provides accurate maximum power predictions.

CFD模擬提高汽車冷卻性能的可靠度

在車輛設計上，油的冷卻性能和耐用性是相當重要的，傳統的散熱評估，汽車研發團隊在風洞中進行各項測試，而豐田汽車使用CAE的多相流與HPC高性能計算，準確的預測油的冷卻性能，在產品的早期開發階段，評估更多的設計方案。典型的驅動情況，包括旋轉的內部零件，例如由軸承支持的齒輪和主軸，這些零件被油和空氣包圍，油料供應各種功能，包括潤滑、動力傳動、冷卻，但是運作的齒輪、滑動軸承和軸之間的摩擦都會有熱量的輸出，這些熱量因油的攪拌而傳遞，如此複雜的問題分析，需要廣泛的計算資源。豐田的工程師使用ANSYS FLUENT軟體與HPC的高速計算，模擬油的冷卻性能，表現出良好的熱通量和溫度分佈。該研究小組使用ANSYS的設計研發，使產品體積重量減少，但冷卻能力卻大幅提高，完成更優異的產品設計。詳情請至： http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/article/AA-V6-I3-Playing-It-Cool.pdf

▲	Simplified differential unit used for correlation with CFD simulation

▲	Oil distribution calculated with CFD using VOF model to identify free surfaces

▲	Comparison between physical measurements (left) and CFD visualizations (right) at 550 rpm (top) and 1,000 rpm (bottom) shows good agreement.

▲	Time-averaged local heat-transfer coefficients between internal parts and oil, and between oil and case

參數化分析有助於設計出更強大可靠的產品

工程師在模擬問題時，都是假設所有的結構條件是100%符合設計規範，例如我們在模擬時，每一個焊接都是完美的。問題是實際上，複雜的結構是不可能每一個焊接都沒有縫隙，當這種不符合規範的結構沒被考慮到分析時，計算的結果會是完全不相同的。作者Tushar Govindan Sundaresan開發了新的結構分析方法，考慮哪些焊接縫隙會導致災難性的結果。此方法可使結構更加堅固，可對關鍵的焊縫重點檢查。

▲	Typical FEA model with welds modeled using shell elements

作者使用ANSYS Workbench，進行參數分析，評估焊縫的各種影響。在此分析中，焊接是採用接觸設定，部分焊接位置減少pinball設定大小，並使用HPC平行運算進行模擬。此過程一直持續到所有的設計都分析完成。使用參數設計可確保每一件產品都超越客戶的期望。詳情請至： http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/article/AA-V6-I3-Mistake-Proof-Simulation.pdf

▲	Stress analysis results help to visualize performance of weld subjected to clockwise torsion load.

▲	Overview of strain data vs. noncompliance of 14 welds evaluated shows wide variation in importance of different welds.

Going Super Aero : 使用ANSYS FLUENT贏得越野賽車競賽

KIM是一個狂熱的越野賽車手，他在ADIRONDACK汽車愛好者俱樂部(AMEC)的論壇看到關於最少燃料使用的比賽，比賽標準為消耗最少加侖的燃油者勝出，該比賽在紐約舉行。當時他剛剛購買了1989年本田的CRX HF，他認這將是有趣的競爭，為了提高行駛里程，他減輕車體重量以提高空氣動力，首先，它刪除不需要的組件，隨後他將車的面板接縫處密封，因為接縫會降低空氣動力學的性能，最後開始考慮後檔板，將延長車的長度，減少阻力。
他接觸了奧爾登實驗室，使用ANSYS FLUENT分析，更換不同的封閉式與開放式的檔板，當CAD模型更新，網格自動重新建立、重新求解，透過分析結果，仔細觀察空氣如何分布，如何減少阻力。奧爾登實驗室模擬出了最佳的設計，此比賽是沿著山區道路共104英里，最後，KIM以118英里消耗0.88加侖的燃料獲得勝利。詳情請至： http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/article/AA-V6-I3-Going-Super-Aero.pdf

Driven to Success：使用ANSYS FLUENT提高跑車性能

幾乎每個周末Darllara公司的跑車都會贏得賽車的冠軍、或者刷新記錄，範圍從巴西到日本到美國。該公司有40%的業務都是關於超跑的顧問，包括法拉利、藍寶堅尼、奧迪、豐田、阿爾法羅密歐…等。Darllara公司成立於1972年，在義大利帕爾馬附近，2007年Pontremoli上任總裁。Dallara汽車公司使用主要在三個應用面，第一是碳纖維複合材料，這是他們的專業。第二是空氣動力學，第三是模擬車輛動態。模擬碳纖維複合材料使用大量的結構分析，在這方面，Pontermoli認為他們一直維持很好水平。在車輛動態分析上，使用實驗測試方法會耗費太多的成本，因此Darllara公司認為這方面必須創新。使用CFD工具，包括ANSYS FLUENT，結合了超級電腦，進行模擬。傳統至今，市面上有各式各樣的CFD軟體，Pontremoli認為在模擬方面，尤其是空氣動力學，ANSYS FLUENT是最先進的工具，使用模擬來降低成本的同時，更提高跑車的性能。詳情請至： http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/article/AA-V6-I3-Driven-to-Success.pdf

▲	ANSYS CFD allows Dallara to perform the simulations required and to link with structural analysis data. Pressure contours for the 2012 Indy car were generated using ANSYS Fluent software.

使用ANSYS Mechanical設計潛水艇至地球的最深處

2012年3月26日，執導鐵達尼號與阿凡達..等知名電影導演詹姆士柯麥隆(James Cameron) 獨自駕駛長24英尺的潛艇ＤEEPSEA CHALLENGER，挑戰地球位於海平面下6.8英里深處，相當於11,000 公尺深。

▲	Filmmaker and National Geographic Explorer-in-Residence James Cameron emerges from the DEEPSEA CHALLENGER submersible after his successful solo dive to the Mariana Trench, the deepest part of the ocean.

Finite Elements (Australia) Pty Ltd是一家工程設計與顧問諮詢公司，專門設計與解決重型工業，包括發電和深海設備等，該公司研究小組利用ANSYS Mechanical設計形狀複雜的潛艇，提供高剛性、高強度之設計需求，發揮了重大的分析作用，透過創新與最佳化設計，大幅減少失敗的風險。詳情請至： http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/article/AA-V6-I3-Deep-Dive.pdf

▲	Syntactic beam stresses during recovery lift

▲	Flow separation in forward flight based on early design iteration

Going Strong : 更堅固、輕便的自行車設計

自行車的設計製造者，必須有將產品創新和快速發展的能力，才能在市場的競爭中脫穎而出。國際體育用品公司: 法商Oxylane/Decathlon把成功歸功於廣泛使用CAE模擬，確保安全和可靠度，並減少工程和製造成本，ANSYS結構分析幫助Oxylane公司使設計過程更有效率。該公司在15 個國家有560間門市，Oxylane近日開發新的自行車，稱為自行車共享計畫，在法國的第四大城市里爾，自行車共享意味著框架必須非常堅固，里爾等城市購買了大量的自行車，成本則必須要最小，Oxylane公司使用ANSYS DesignXplore完成這些相互衝突的目標，最佳化框架的形狀和尺寸，將成本降至最低。工作流程中，Oxylane公司使用ANSYS Mechanical 產品發展高性能複合材料，工程師提出一系列標準的框架設計，並施加負載以確定最佳形狀。在疲勞測試的部份，自行車的疲勞試驗週期必須涵蓋毆中的試驗標準，例如EN14764、EN14766、和EN14781，而這些測試是昂貴且費時的，需要大量的物理測試，耗時約幾個星期，OXYLANE公司使用ANSYS的疲勞分析，輸入材料S-N曲線，解決了疲勞實驗的難題。詳情請至： http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/article/AA-V6-I3-Going-Strong.pdf

▲	FEA analysis of bike-share frame

▲	Shape optimization improved design of link between rear triangle and front triangle. The optimized design decreased mass by 19 percent, decreased stress by 26 percent and increased stiffness by 39 percent.

REDUCING MATERIAL COSTS : 包裝瓶的材料輕量化設計

擠出吹塑成型是容器常見的製造方法，具有複雜形狀的容器需要精度製造，使用CAE軟體進行產品有助於減少重量和材料，為避免成本昂貴和失敗，在市場上更具有競爭力。Gomma point服務公司，協助客戶在塑膠行業透過ANSYS POLYFLOW軟體模擬，滿足結構性能標準。設計過程主要包括三個步驟:1.模型驗證與現有的實驗數據做比較; 2.減輕重量3.使用ANSYS結構分析結構強度和落下分析。透過ANSYS軟體模擬，有效減少材料，達到輕量化目標，並保有預期的結構強度要求。詳情請至： http://www.ansys.com/staticassets/ANSYS/staticassets/resourcelibrary/article/AA-V6-I3-Reducing-Material-Costs.pdf