1 前言
CAE技术广泛应用于传统汽车行业，对汽车设计产生了深远的影响。很多汽车企业把CAE分析作为新产品或重大产品验收的一个依据，缩短了开发周期，提高了产品性能，获得了巨大的经济回报。面对日益严峻的能源危机和环境污染问题，电动汽车获得了前所未有的发展机遇。计算机辅助设计在电动车主要零部件的研发中，同样发挥着关键作用，展现出其在产品研发和制造中的潜力。电动汽车生产制造的方方面面都涉及CAE分析，分析内容包括；设计校核，优化设计，工艺性分析，质量事故分析，虚拟原型设计和问题研究等。本文在介绍仿真模拟技术在电动车结构设计领域典型应用的基础上，以电动车主驱电机机壳组件设计为例，介绍CAE技术在组件设计上的一般应用过程。
2 CAE技术的典型应用
2.1 密封研究
电动汽车性能的提高有赖于技术进步，当前电动车发展的关键是其动力组成系统的发展，系统主要包括电机，控制器和电池组。
新型电动汽车对组成动力系统的零部件提出了严格的防护等级要求，期望其实现IP67防护等级，即完全防止灰尘进入壳内，完全防止触及壳内带电体或运动部分；在规定的压力和时间下浸在水中，进水量应无有害影响。电机端盖和外壳之间及控制器端盖和冷却系统之间都具有密封结构，这些密封结构的可靠性直接关系到防护等级的实现，是电机和控制器设计的重点关注环节之一。
目前，电动车驱动电机正朝着小型化，高功率密度、高可靠性等方向发展。车用驱动电机，体积越小即能量密度越高越好。电机由于能量损耗，在狭小的空间内产生了大量的热量。液体冷却适用于拥有高能量密度的电动车电机，可迅速将电机运行过程中由于能量损耗产生的热量带出电机本体。采用液冷方式的部件需要在结构上包含有密封垫或密封圈，防止冷却液的渗漏，尤其是防止液体进入到内腔，这提高了对电机运行和维护的要求。
作为实用高效的数值分析方法，有限元分析技术在密封装置设计中得到了广泛应用。汤斌等人使用有限元法探讨了应用在水下电机密封装置中的O型密封圈的变形和应力，建立了车氏动密封结构的有限元模型；毛剑峰应用蠕变模型对汽轮机进汽阀U型密封开展了有限元分析，探讨了蠕变和接触应力间的关系；赵俊杰等人对钢丝绳葫芦电机端盖的密封性能做出了非线性接触分析，通过计算应力和接触间隙研究密封垫的密封能力；范杰等人对汽车发动机控制器密封胶接强度做出了模拟计算，获得了有效的结构设计结果。
2.2 散热分析
汽车行业中的产品设计也越来越受散热问题的困扰，如果在设计阶段未充分考虑产品的散热问题，产品的正常使用将会受到影响。电池组是一个储存和释放电能的装置；电机是一个将电能转化为机械能的装置；控制器是调节能量使用的装置。电池组和电机在能量转化过程中不可避免地会产生能量损耗。电池组在电能和化学能相互转换的过程中，伴有热能的产生，电池本体成为热源；电池组的温度过高，会引起电池组的爆炸，成为汽车安全的隐患。电机损耗包括铜耗，铁耗和杂质损耗；损耗是导致电机温度升高的原因。温度过高会引起电机性能失稳，难以实现对电机的有效控制，甚至会直接造成电机烧毁。控制器中电子元器件的性能显著受到温度变化的影响，散热问题也是控制器设计过程中必须解决的问题。
温度场法和基于温度场的耦合场法是对实现散热分析的主要方法。周黎民基于电机热流场数值计算结果，验证结构设计的合理性；杨明国对一种永磁电机在额定功率下的温度场做了计算，通过数值结果与实测数据的比对，说明模型的准确性；李新华基于雅阁ISG不同工况下的温度场数值计算和试验结果，讨论了电机温度对磁钢和磁桥结构的影响；杨志刚等人使用计算流体力学方法对电动汽车锂离子电池组散热方案进行优化设计；乐智等人基于计算流体力学方法对冷却器和功率模块的温度场进行了分析，并根据分析结果对水道进行了结构改进。
在传统设计中，产品的方案往往来自于设计者的经验。依据经验做出的产品设计还有很大的优化空间，但可能包含有设计隐患。以电机设计为例，工程师在样件装配完成后，才有条件评估样件是否达到了防护等级的要求；在整机制作出以后，方可做出对水道散热能力的准确评估。随着CAE技术的发展，应力分析和热流体计算的可信度越来越高；产品的模块化和参数化设计成为可能。在设计过程中，花费小的成本即可对多种方案做出评估和取舍。本文结合Ansys软件中的Mechanical和Fluent模块，以机壳组件的密封和散热分析为例，例述CAE技术在组件设计的一般过程。
3 计算实例
汽车行业的研发实践中出现越来越多的需要对装配体进行分析的问题，涉及各零件的连接关系；有限元分析技术，是机械整机装配体研究的可靠方法。电机机壳组件由前端盖，外壳，后端盖，密封垫和锁紧螺钉组装而成（如图1）。端盖压紧密封垫，通过螺钉连接与外壳相连。螺钉连接的预紧力，使得处于端盖和外壳间的密封垫产生弹塑性变形，实现密封的功能。建模过程中，通常忽略小的附件及零件的细微结构，如高压互锁开关，旋转变压器，线束及零件小的倒角和圆角等。
图1 装配体分析中机壳组件的构成
本文对比分析了电机机壳组件设计的初步方案和改进方案。图2-a所示为机壳组件初步设计方案，有限元分析和样件试验显示其密封性能不良；在初步设计的基础上，做出了三点改进措施，形成改进方案（如图2-b所示）：1）增加锁紧螺钉数目，2）修改密封垫样式，3）降低冷却液水道高度。
图2 a-机壳组件初步设计；b-机壳组件改进设计
3.1 装配体结构有限元分析
3.1.1 装配体分析载荷设置
在建立装配体模型之后，需要对各零部件的材料，连接配合关系及边界条件进行设置。在机壳组件中，外壳由6063铝合金挤压而成；面面接触关系存在于端盖和密封垫间及密封垫和机壳端面间。M8螺钉的预紧力选取为12000N，图3为螺栓预紧力载荷的示意图。在静力分析中，为准确模拟组件在实际工况中的受力变形，在悬置端面采用固定约束的方式，这种设置与电机在电动车上的安装方法是一致的。
图3 机壳组件螺钉预应力载荷示意图
图4 密封垫应力分布（a-初始方案，b-改进方案，单位：Pa）
3.1.2 有限元分析结果和讨论
图4-a示为初始方案中的密封垫应力分布。在锁紧螺钉附近区域，等效应力值偏大，如图红色区域所示；在远离锁紧螺钉的区域，应力值小于1.2Mpa，如图中两个螺钉之间的蓝色区域所示。初始方案样件的气密性试验显示，蓝色区域位置附近，易出现泄漏，使得组件无法通过密封测试。这与应力分析的结果是相符的，低应力值区域延伸到内径侧，表明设计中对冷却液的密封效果不良。
改进方案相对初始方案采取了下列措施：1）在对应蓝色区域附近增加锁紧螺钉，螺钉外径为6mm；M8螺钉的预紧力选取为12000N，M6螺钉的预紧力为7000N。2）修改了密封垫的截面形式（如图5所示），以增加密封垫内侧与端盖及外壳的接触压强。密封垫内径侧相对于外径侧间有斜坡过渡，斜坡高度为0.1mm。3）降低了水道高度，由7mm改为5mm。
图5 密封垫截面示意（a-初始方案，b-改进方案）
对改进方案的机壳组件，在装配体状态下进行静力分析，获取的密封垫应力分布如图4-b所示。相对于初始方案设计，密封垫大部分区域的应力值大于1.2Mpa，小于1.2Mpa的区域面积小，并且没有在内外侧间形成连通域。
外壳及端盖对密封垫的压力作用，是密封垫产生应力和变形的原因。图6-a和6-b，分别为两种方案密封垫表面的接触压强分布。在6-b图中，压强为正值的区域基本可以连接成两个圆周，表明密封垫可阻止外部流体介质和冷却液进入电机内部。而初始方案设计的密封垫在两个螺钉连接的中间位置，接触压强偏小。模拟结果说明，新方案设计比初始方案设计具有更好的密封性能。
图6 密封垫表面接触压强分布（a-初始方案，b-改进方案，单位：Pa）
3.2 机壳组件散热分析
3.2.1 机壳组件散热模型建立
在电机运行情况下，冷却液由入口通入水套中，沿通道设计路线，经由冷却液出口流出。机壳组件沿轴向展开后，冷却液的水路如图7所示；水道采用单一通道的方式。郭军朝等人运用流体仿真技术研究了这种水套设计方案，认为单一通道的水套设计，比多通路的水套设计具有相对小的流阻。本文中的两种设计方案，均采用单一通道的设计方式。
图7 机壳组件中冷却液水路示意图
由于电机水道不具有物理上的对称性和周期性，需要在仿真中建立完整的三维模型。根据设计方案，对电机除电机机壳组件外的零部件进行简化。1）将电枢简化为一圆环体热源，电枢外表面与外壳水道内表面重合，与实际电机中两个表面过盈配合关系是相符的；2）电机转子组件的热损耗较小，可假定热源仅为电枢，并设定其为均匀发热体；3）电机各组件材料的热物性在计算过程中不发生变化；4）冷却液为不可压流体；5）不涉及电机表面的对流换热。在电机额定运行状态下，电枢上的热损耗功率为2KW，电机入口冷却液温度为353K（70℃），流量为12L/Min。
3.2.2 散热分析结果与讨论
在上述的工况下，电机组件的温度场达到了稳态；图8为两种设计方案的机壳组件在稳态下的温度分布。在表面区域，温度沿流动水路方向逐渐升高，整个机壳组件的温度未超过360K，外壳与电枢贴合的内表面温度值最高。图9为两种机壳相同位置截面的温度分布，温度变化梯度方向近似与径向方向重合，径向方向为温度的显著升高方向。
冷却液的流动带走了由电枢传递到外壳上的热量，阻止了电枢温度的持续升高，使得电枢的最高温度保持在370K以下。液体在流经冷却水路的过程中，平均温度升高了2.44K；单位时间内通过冷却液带走的热量与电枢热源的热功率是一致的。在电机额定工况下，机壳组件温度场可保持稳定状态。
根据仿真计算，将组成机壳组件各主要零件和电枢的平均温度列于表1中。在两种设计方案中，冷却液的平均温度相差不大；前后端盖的平均温度在改进方案中的数值偏高，而机壳和电枢的平均温度相比于初始方案有所降低。需要指出的是，电枢的平均温度在改进方案中降低了0.38K，温升变化幅值降低了3.3%。
图8 稳态下机壳组件温度分布（a-初始方案，b-改进方案，单位：K）
图9 稳态下机壳组件和电枢截面温度分布（a-初始方案，b-改进方案，单位：K）
改进方案中的水道高度由7mm减小为5mm，使得在同样入口流量的情况下，流道中冷却液的流速升高，加快了冷却液与水道表面的换热速率，降低了电枢的温升幅度。温度变化越小，电枢铁心中的磁链损失越少，电机的效率越高；并且，电机输出扭矩偏离标准值的幅度越小，电机越容易实现高扭矩控制精度。扭矩控制精度通常要求偏差低于5%；温度变化幅值降低3.3%，对于提升扭矩控制精度的效果是显著的。
从模拟分析中，可以得到不便测量的物理量。以水道设计为例，水道的流阻值可以在计算结果中取得。图10为两种设计方案的流道内冷却液静压云图。水道流阻可由进出口的静压差值获得，初始方案的水道流阻值为20.7Kpa，改进方案的流阻值为51.2Kpa，流阻值的计算结果与试验相吻合。
表1 机壳组件主要零件平均温度
传统的管道沿程阻力的计算方法，无法给出准确的流阻计算结果。使用传统方法估算方案设计中水道的流阻，估算值偏差为20Kpa。结果精度是较差的，这主要是因为估算方法以近似的冷却液流场为依据，对直管路，管路过渡和转接产生的流阻取经验值，使得结果偏差较大。使用CAE设计方法准确计算出的水道流阻结果为整车冷却系统设计提供了依据。参照冷却系统对电机提出的性能指标，两种方案冷却水道的流阻均在许可范围内。
图10 水道内液体静压云图（a-初始方案，b-改进方案，单位：Pa）
4 结论
汽车行业的高速发展和激烈竞争促使行业对CAE技术的应用提出了越来越高的要求。CAE技术使得企业在产品研发过程中，减少对经验的依赖；依靠定性分析，解决产品设计中的大多数问题；通过优化设计，获得性能更加优越的产品；在提升企业形象提高的同时，显著增强了企业的技术实力。企业应充分认识到运用CAE技术的难度，建立规范的CAE分析机构和流程，处理好试验和仿真分析结果间的关系。成功的CAE技术应用，对于制造型企业缩短研发周期，降低成本，提高产品质量具有重要意义。
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