与时间赛跑

与时间赛跑

丰田汽车公司的赛车开发部门（MSUDD）多年来一直使用 STAR-CD 软件和 Simcenter STAR-CCM+ 软件来开发各种顶级赛车运动的赛车。该部门每天在位于富士山脚下的东富士技术中心进行赛车的研发（R&D）。

MSUDD 的职责之一是为国际汽联世界耐力锦标赛开发车辆，其中包括勒芒 24 小时耐力赛。它还为国内（日本）赛车系列（如超级方程式和超级 GT 系列）进行发动机和汽车的研发。MSUDD 经理加藤雄一郎 (Yuichiro Kato) 和北条哲平 (Teppei Hojo) 认为计算机辅助工程（CAE）和计算流体动力学（CFD）对于公司成功设计赛车至关重要。

以三个重要原则为指导的团队

MSUDD 秉持三个原则来指导其客户认同的快速又视觉震撼的汽车设计和开发方法。CAE/CFD 完全支持这三项原则：通过参与比赛来加速先进汽车技术的发展；通过表现出对困难和未知技术挑战的热情来吸引新的赛车迷；通过组织活动和其他机会，让人们体验驾驶汽车的兴奋以及汽车可以激发的梦想，从而扩大汽车爱好者的范围。

加藤的发动机组负责发动机和混合动力部件的性能和可靠性，并使用 CAE/CFD 进行动力总成设计和开发新的分析技术。北条的空气动力学小组主要负责汽车空气动力学的开发，并在此过程中使用 CFD。MSUDD 的 CAE/CFD 团队是一个由大约 15 人组成的团队。由于这个小团队可用的时间和资源有限，在艰难的赛车世界中竞争需要技术标准化，使团队能够确定分析工作的优先级，协调后处理计划（设计、测试和风洞），并确保分析结果的一致性和可重复性。

车辆开发是一场与周转时间的赛跑

在赛车的世界里，明年的开发、下一场比赛的准备工作以及适应频繁变化规则的工作都非常重要。因此，CFD 可以显著缩短周转时间，从而做出重要贡献。

“赛车不像量产车那样在几年内就能成熟，”加藤说。“即使最近设计的赛车的外观看起来与前一年的汽车相同，其内部组件也可能完全不同。该团队基本上每年都会开发一款全新的汽车。在如此快速的周转过程中，必须在制造汽车之前确保包括外部空气动力学形状和发动机在内的元件的可靠性和性能。传统的方法是经历原型构建和测试的重复过程，但现在我们能够在制造单个零件之前进行彻底的分析评估。

勒芒赛车的空气动力学设计是与位于德国的丰田赛车有限公司（TMG）共同开发的。在丰田参与一级方程式赛车期间，风洞是开发工作的核心，而 CFD 则发挥了补充作用。然而，如今，CFD 对于概念测试至关重要，并且在可视化流程和确定车辆设计概念方面发挥着极其重要的作用。CFD 不仅在缩短开发周转时间方面发挥着关键作用，而且近年来在实际的零件开发过程中也发挥着关键作用。

“由于没有时间将真实汽车放入风洞中以在比赛之间进行调整，并且由于赛道测试的机会有限，因此，将设计元素从 CFD 快速转移到实际车辆的过程应运而生，从而增加了 CFD 输出的重要性，”北条解释道。“人们越来越需要根据初步测试做出决定。因此，从第一次测试开始，赛车的表现就决定了赛车在赛季中的竞争力。

如今，尤为重要的是，这些技术赋能工程师在设计和开发阶段提高车辆和部件的性能，然后再进行制造。考虑到行业对开发计划和流程的要求很高，使用 CAE/CFD 技术（如 Simcenter STAR-CCM+）对于实现这一目标至关重要。

将赛车技术应用于量产车

对于汽车制造商来说，参与赛车运动的主要目的，除了它们产生的宣传之外，还是为了快速开发先进技术。尤为重要的是，企业能够在内部部署和共享从赛车开发中获得的技术知识，并将这些知识应用于量产车的开发。

MSUDD 的使命是通过赛车活动开发先进技术，并协助将这些技术应用于量产车。该部门定期与公司的量产车部门会面，这样就能进行双向知识共享和讨论。不仅共享分析技术的信息，还共享空气动力学技术（例如流量控制方法）的信息。

赛车运动中的空气动力学发展速度极快，这意味着必须在最短的时间内取得最佳结果。例如，单个开发部件的 CFD 设计循环持续约两周。在这种情况下，成功的关键在于在此期间进行尽可能多的计算，以及它们是否能够确定一个好的解决方案。因此，尽管实际的车辆空气动力学包括非稳态现象和极其复杂的流动，但仍主要使用稳态计算。因此，在精度和计算速度之间找到权衡极其重要。

“在计算精度和缩短周转时间的对立因素之间取得平衡是极其困难的，”北条这样表示。“由于我们一直面临着通过开发新零件来提高性能的压力，因此这是最具挑战性的领域之一。在两周的开发周期内找到一种使用非稳态计算的有效方法将有助于解决这个问题。”

“对于发动机，我们过去在计算精度方面面临挑战，”加藤补充道。“然而，在仿真和真实世界测试之间实现强相关性已经成为可能。如今，我们实施的大多数改进在赛道上都达到了预期的效果。我们目前对使用 Simcenter STAR-CCM+ 能够做的事情非常满意。我们正在通过额外的自动化和优化来促进效率的进一步提高。

根据现实测试虚拟结果

与一级方程式赛车不同，勒芒没有限制风洞测试时间的规定。最终决策是根据风洞测试的结果做出的，但在有限的财务资源和时间条件下，CFD 对于高效开发至关重要。

在进行以 CFD 为重点的设计和开发时出现的关键问题是可靠性或准确性问题。因此，通过检查风洞测试与 CFD 结果之间的相关性来验证仿真方法非常重要。为此，将下压力、阻力和表面压力分布等空气动力学值与力测量和粒子图像测速（PIV）等实验结果进行比较。由于风洞模拟实际条件，因此其结果被视为调整分析中使用的网格分辨率和计算设置的标准。为此，通常会评估大量的计算案例。

空气动力学小组还对实际车辆进行了测量。当车辆在赛道上行驶时，可以获得空气动力学值，例如下压力，从而提供与风洞和 CFD 结果的比较数据。如果存在不一致之处，工程师会研究改进风洞测试和 CFD 模型的方法。在某些情况下，CFD 精度的改进必须在很短的时间内实施（及时进行下一次风洞测试和比赛），而其他改进可以在中长期内进行。

发动机组在将发动机安装到实际车辆中之前会进行严格的评估，并且仅根据其结果安装最有效的部件。因此，在比赛中很少进行评估。违规行为，无论是需要立即响应还是可以等待中期解决，都可以迅速识别。

将所有内容记录在脚本中并使其易于使用

加藤分享了他对 Siemens PLM Software 旗下 CD-adapco 产品和服务的看法：“从我过去使用各种 CFD 软件的经验来看，我可以这样说：由于 Simcenter STAR-CCM+ 和 STAR-CD 中的大多数功能都可以通过脚本进行管理，因此无需打开 GUI。定义可在批处理中执行的操作非常容易，可以无缝连接到优化和其他外部软件应用程序。如今，仅基于流体的计算无法让您走得太远。Siemens Digital Industries Software 的应用程序非常易于与上游和下游流程的各种应用程序结合使用。脚本也非常实用，任何看到脚本的人都可以阅读。

在空气动力学方面，一切都是用脚本执行的，包括创建分析模型；反馈表明，一旦工程师熟悉脚本，就非常容易使用。在空气动力学领域，自引入 STAR-CD 以来，数据处理已完全自动化，并且使用 Simcenter STAR-CCM+ 一切都继续完全自动化。在进行分析时，一切都是标准化的，这样个别工程师就不会在分析结果中引入随机变化，这一点非常重要。这样可以确保即使新的团队成员加入某个小组，他们产生的分析结果也不会有任何差异。此外，由于脚本中的所有内容都是完全自动化的，因此，公司提供内部培训以确保成员理解脚本。这样可以防止流程变成黑匣子，并鼓励团队的新成员获得有关成功的重要技能。

对于团队作为 CD-adapco 产品长期用户所获得的技术支持服务，加藤也深表感谢。“技术支持工程团队提供了非常快速的响应，”他声称。“想到外国服务提供商时，人们可能会认为日本办事处是一个中继点，内容可能以原始格式发送，而没有被完全理解，但实际服务水平已经与国内供应商相当。”北条继续说道：“分析方法已经完全建立，但我们希望可以在技术开发方面共同努力，以帮助加快开发周期。”