汽车行业必须全面拥抱完整的虚拟原型设计，支持多学科仿真和多物理场，并在整个产品开发周期中全面系统化地使用这种方法，这样才能发挥技术创新的真正潜力。汽车企业能否转变仿真模式，从壁垒化的方式转向统一可扩展的企业级仿真平台，从而支持彻底的系统工程。
100年前，亨利·福特曾说：“任何顾客可以将这辆车漆成任何他所愿意的颜色，只要它保持它的黑色。”而现在，色彩已是汽车行业最不必担心的挑战之一了。21世纪的汽车必须提高燃料效率和稳健性，要支持高新技术，做到物美价廉，而且能在生产线上快速生产，避免任何缺陷。同时，汽车还必须满足日益严格的政府监管要求。汽车必须采用快速发展的电子、通信和软件技术，而这些技术在几年之前几乎还不存在。
汽车生产商及其供应链已经在用工程仿真技术来应对当前的一些难题了，包括燃料效率标准、潜在的质保问题（这会影响商誉和财务业绩）以及混合动力汽车和电动汽车（HV/EV）的转型发展。他们同时也在积极迎接更大的理念变革，如自动驾驶汽车等突破性技术。不过，成功的关键在于业界如何用仿真功能发展的大格局来推进创新，满足客户要求，符合严格的监管要求，并满足开发时间、成本和性能目标。换言之，公司部署通用企业级仿真平台的效率能有多高？
成功的关键在于业界如何用仿真功能发展的大格局来推进创新，满足客户要求，符合严格的监管要求，并满足开发时间、成本和性能目标。
当前汽车创新的推进力量
更清洁的节能高效汽车
燃料效率和降低排放是业界最重要的趋势，这一点不足为奇。全球各国政府都制定了燃料效率和温室气体减排标准。到2025年，美国CAFE标准将提升到54.5mpg，13家主要汽车制造商都对此予以支持。中国和印度作为全球最大的汽车市场也跟随加入。全球计划将进一步减少道路交通排放，节约燃油，并推动老旧车辆退役。
满足上述目标要求需要寻找各种全新开展重组工程的机会。利用仿真技术，我们能了解如何快速解决各种权衡问题，包括减少空气动力阻力，避免影响冷却和车厢内安静性，也包括在减少汽车重量的同时满足强度和耐用性规范要求。
汽车复杂性增加，突破性技术涌现
消费者需求、政府监管要求和技术发展都在推动汽车从机械设备向复杂的电子产品发展。举例来说，车门锁装置曾经是一个小型机械设备，现在就成为一种电子系统，包括了电子传感器、控制器、作动器和高级软件算法。
7家汽车厂商已经宣布销售某种自动驾驶汽车的计划。有关方面在此领域进行大力投资，也实现了重要发展里程碑。因特网巨头谷歌在5年前开始测试，仅仅第一年测试的自动驾驶汽车就行驶了12.5万英里。这些创新引发了消费者的极大兴趣，同时也让汽车企业高管备感压力，必须应对汽车工程复杂性的增加，而且要分析开发时间和成本的影响。工程如果不能发现潜在的灾难性问题，就会直接影响汽车设计复杂性。
业界如何在短期内大幅提升产品的技术水平呢？汽车生产商如何确保自动驾驶系统的彻底安全性？仿真正是应对重大挑战的最佳产品开发工具选择，能帮助工程师将整个车辆作为统一系统进行建模。此外，由于公司通常在全球聘请成千上万名工程师来设计车辆的不同部分，因此提供统一的协作化仿真平台是重要的推进力量。有远见的企业积极开发并部署统一的企业级仿真平台，这个最佳实践能加速数百乃至数千种工况的快速测试，实现安全的工作模式，同时探索难以发现的优化和创新机遇。
电子产品
随着智能电子技术的推广，业界对汽车智能接口的需求也在增加。信息娱乐系统包括卫星无线电、GPS装置、触摸屏等，会整合在仪表盘和头枕上。汽车制造商现在提供车载4G LTE Wi-Fi功能（搭载支持相关功能的天线）。
车钥匙和门窗锁等组件可通过软件操作，燃油消耗表、里程计和排放表等也需要软件。此外，软件还控制后视镜、电池、加速和制动等功能。这些系统共同打造了复杂的嵌入式软件和电子信号网络，随着技术发展，它们会变得更加复杂。现代化汽车无疑是车轮上的大型计算机集群。
这种物联网功能需要高保真度仿真工具来完成复杂任务，包括天线和雷达开发、EMI-EMC预测、信号完整性、芯片—封装系统设计和电子产品冷却等，这些还要搭配嵌入式代码建模和生成工具。ANSYS软件组合能在极具竞争力的时限内确保整个软硬件实现可靠的系统级工程。
图1 变速箱仿真
图2 ANSYS与TU Freiberg合作研究IC引擎流程的仿真
图3 多物理场仿真
领先趋势：打破壁垒
汽车行业是采用工程仿真技术的先驱，已经使用了几十年的时间了。汽车行业很早就认识到，在装配任何物理原型之前，仿真技术就能支持整车及部件的虚拟测试和分析，成本要低于物理测试，而且能以很短时间就获得结果。不过今天，汽车领域超过85%的计算机辅助工程都是单物理场仿真，只能孤立地去分析某个单一物理领域。举例来说，刹车盘的机械强度分析只能与冷却制动器的气流分开进行分析。这种方法无法发现不同物理现象相互作用时潜在的故障模式，因此一旦发生产品故障就会带来灾难性后果。同时这也会影响开发时间，因为不同领域的仿真是顺序进行的，不能实现并行同步。
随着汽车电气化过程的推进，不同物理领域之间的相互作用会增加。以牵引电动机为例，电气、磁性、热、流体、结构和声学等各个方面都紧密耦合。冷却剂流动会影响温度，温度影响电磁场，这进而又影响电机效率和结构振动以及噪声。对这种系统来说，壁垒化的方法难以实现各种不同因素的最佳平衡。
为了高效对各种元素进行权衡，ANSYS仿真套件整合了所有重要物理领域的耦合求解器、详细模型、子模型、方法和最佳实践，有助于分析关键的汽车系统和组件。这些工具能帮助汽车公司真正优化设计，执行成千上万次假设的耦合物理场分析，而用其它方法则是难以做到这一点的。由于ANSYS仿真解决方案具备无与伦比的深度和广度，能在共享用户框架下无缝实现托管服务，因此它也能成为出色的企业级通用仿真平台。
汽车产品必须做到第一次就实现可靠工作，因此工程师必须通过仿真技术无风险地应对挑战。
扩大设计探索并采用优化技术
汽车产品必须做到第一次就实现可靠工作，因此工程师必须通过仿真技术无风险地应对挑战。ANSYS工具内置高稳健性，同时能加速设计进程。参数化设计探索和参数化本身都能对广泛设计空间提供全面视图，从而发现潜在的故障模式和质量问题。这些方法整合了试验设计（DOE）分析、响应面研究和输入约束分析，有助于找到最佳设计方案。拓扑优化组件的大块材料，在减轻重量的同时不会影响强度和耐用性。伴随法能自动显示在什么位置、如何去提高部件的形状，以改善性能，这对优化空气动力学和管道流特别有用。
这些方法能测试具体参数，最大限度地整理成千上万种产品设计方案，而且只使用和调整最佳设计备选方案。高性能计算（HPC）和云端空间加上存储灵活性可确保在短时间内就能探索各种广阔的设计空间。
图4 通过仿真设计最能配合Wi-Fi工作的汽车天线
图5 ANSYS SCADE针对电子计算机单元（EBU）的混合动力汽车管理系统的精心部署
采用基于模型的系统工程和软硬件协同仿真
汽车厂商必须进一步应对复杂性问题，采用整合了高保真度组件分析和整体系统行为模型的仿真技术。重点是基于模型的系统工程（MBSE），它可实现系统和组件的协同仿真。这种解决方案采用降阶法（ROM），能在装配体中反映子组件的效果，避免损失准确度，同时还能大幅提升计算速度。
这种方法能在真实工况下精确捕获不同组件作为大系统组成部分的行为特点。现代化汽车包括数十部微型计算机，执行控制和计算功能，同时用嵌入式软件程序运行。与硬件组件一样，嵌入式软件也必须针对各种工况进行测试，以确保无瑕疵的性能，特别在安全气袋等安全关键型系统中尤为重要。为确保硬件和软件统一无差错地工作，他们必须进行协同仿真。ANSYS在MBSE和认证嵌入式代码生成方面的技术发展大幅缩短了嵌入式软件的开发时间，而且能满足ISO 26262 ASIL-D等最高的安全标准要求。
下一个伟大想法
仿真对汽车来说并不是什么新事物，已成为汽车工程领域的关键组成部分。有远见的企业正在变革工作方式，向整个企业部署统一仿真平台的方向发展，这有助于汽车制造商跟上燃料效率和自动驾驶汽车发展的需求。未来，行业领导者会通过仿真技术设定发展趋势。
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本文标题：日新月异的汽车行业需要不断革新的仿真模式
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