法国建筑机械制造商使用 Simcenter Amesim 开发电动轮式挖掘机

备受瞩目的创新

巴黎市议会于 2018 年通过了一项“地区空气能源计划”以减少污染、保护市民健康和应对气候变化。通过该计划，巴黎期望到 2024 年实现无柴油化，到 2030 年摆脱汽油发动机，并希望到 2050 年成为碳中和城市。

认识到这些雄心勃勃的目标后，Mecalac 集团 (Mecalac) 设计和制造了符合城市清洁空气需求的机械，Mecalac e12 这款创新型全电动轮式挖掘机正是该公司为响应该倡议而打造的一颗闪亮明珠。Mecalac e12 在 INTERMAT 2018 贸易展上亮相，并荣获了展会为表彰杰出的技术和环境表现而设置的“能源转型奖”。

Mecalac 研发总监马克斯·博尼 (Max Boni) 表示：“随着 100% 电动挖掘机的推出，我们已经完成了我们认为的一个关键里程碑，这将有助于到 2024 年实现零柴油目标。”“这款新型挖掘机实现了二氧化碳和其他有害污染物的零排放，揭开了 Mecalac 历史的新篇章。它很好地契合了我们的城市工地创新战略，即更紧凑、更高性能和更环保。”

三大设计挑战，一项突破性创新

为了开发其电动挖掘机，Mecalac 定义了一套优化架构以满足三个基本要求：续航、性能和紧凑性。能否准确定义电池的规格是实现这一目标的主要挑战。这意味着求解一个有许多参数的高难度方程，但这并非无法做到。

“对我们来说，这需要在开发初始工作原型的同时兼顾未来的批量生产，”Mecalac 机电一体化系统工程师托马斯·沙普说。“我们并不是在寻找一套定制的特定电池解决方案。相反，我们试图在结合使用现成电池模块的同时优化机器的整体续航能力、成本和占地面积。”

选择 Simcenter Amesim

为了研究其新型电动挖掘机模型，Mecalac 的研发团队寻求采用一种建模和仿真解决方案，该解决方案应当能够从机械、液压、热和电气等层面分析和预测系统性能。

该公司选择了 Siemens Digital Industries Software 的 Simcenter Amesim™ 软件，因为它开放而又易于使用，具有范围广泛的即用型多物理场库。沙普很熟悉该解决方案，已做好使用它的准备。在建模阶段，相关流程分三步完成，历时约三个月。

第一步是机械建模。在该步骤中，需要将取自 2D 平面图的尺寸输入到 Microsoft Excel 电子表格软件中。Simcenter Amesim 和 Excel 之间存在同步双向连接，在 Excel 中输入的值可用作 Simcenter Amesim 的仿真参数。在 Simcenter Amesim 中更改这些参数时，它们会在 Excel 中自动更新，从而同步更新两个数据源。此方法可以帮助大量用户在不熟悉 Simcenter Amesim 的情况下使用 Excel 中的信息。此外，Simcenter Amesim 中还提供了计算机辅助设计 (CAD) 导入功能，只需点击几下即可根据任何 CAD 文件自动生成挖掘机的运动学/机械模型。

该流程的下一步是液压建模。液压分布使用超级组件进行建模并且不断重复。考虑到建筑设备液压系统的成本较高，这一步需要细致入微的建模。为确保获得更好的代表性模型，对通过仿真获得的结果与实际的物理测量结果进行了比较。观察到的相关性获得了认可。

最后一步是电气建模。在该步骤中，需要关联永磁同步电机 (PMSM) 的详细模型及其控制器、逆变器和电池。

创建 e12 的一次即成功的原型

通过使用 Simcenter Amesim 模型，Mecalac 对各种架构选项进行了仿真并分析了多个参数，确定了电力系统的规格并生成了一次即成功的原型。这在成本和时间方面双双获得了显著收益。事实上，Mecalac 认为，如果没有 Simcenter Amesim，他们将需要两到三个原型才能创建出一个在续航、性能和拥塞方面都经过优化的架构。

“Mecalac e12 电池提供高达 146 千瓦时的容量、长达 8 小时的续航时间，而且其电池寿命是传统电池的 3 倍，”博尼说。“这些表现在 INTERMAT 2018 贸易展上受到了专业人士的广泛好评。”

提升创造力

Simcenter Amesim 不仅易于采用而且具有经过验证的库和强大的功能，其易用性和快速的实施速度为 Mecalac 研发部门留下了深刻印象。

“以前，我们无法对能量损失等某些现象进行量化，但现在我们能更好地理解这些现象并加以具体分析，”沙普说。“我们可以快速执行多个仿真，对模型的可预测性充满信心。这样就能腾出时间来研究更有创意的解决方案，设计出我们原本没有时间探索的方案。简而言之，Simcenter Amesim 提升了我们的创造力。”

通向新概念的大门

在 e12 的批量生产阶段，Mecalac 就已经在使用 Simcenter Amesim 模型的高级版本。事实上，工程部门计划结合使用 Simcenter Amesim 模型和控制律模型以确保行为正确。对于该 Simcenter Amesim 模型而言，下一步将是验证电池的循环老化和日历老化。最后，使用 Siemens Digital Industries Software 的 HEEDS™ 软件等优化解决方案有助于实现设计探索过程的自动化并加快该过程。

“Simcenter Amesim 帮助我们积极探索新的创新设计，”博尼说。“通过 e12 展开的首次研究就像一个建议箱，为未来的开发激发出新的想法。我们是营销和采购团队的重要建议来源。”

Mecalac 集团从成立起就始终秉持该方法。在过去 40 年间，Mecalac 集团不断适应未来城市工地的需求并提供了诸多创新型解决方案。