Cradle CFD助力雅馬哈發(fā)動機(jī)公司提升摩托車性能

Cruise

2023年5月9日 16:34

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引言

雅馬哈發(fā)動機(jī)公司是世界上主要的摩托車公司之一，是世界領(lǐng)先的摩托車制造商以及電動產(chǎn)品制造商。他們在國內(nèi)外摩托車比賽中有著悠久的歷史，一直使用Cradle CFD軟件來進(jìn)行頂級摩托車比賽仿真——MotoGP（摩托車世界錦標(biāo)賽）。Cradle CFD具有空氣動力學(xué)方面的競爭優(yōu)勢，并能夠有效保證其設(shè)計(jì)符合規(guī)范。此外，其強(qiáng)大的可視化能力和魯棒性，再加上其友好的用戶操作界面，能夠滿足在比賽環(huán)境中設(shè)計(jì)開發(fā)快速摩托車的要求。

連續(xù)參加國際比賽的歷史

雅馬哈汽車公司60%的銷售額來自摩托車。他們的產(chǎn)品包括舷外馬達(dá)、全地形車(四輪小車)、雪地摩托、汽車發(fā)動機(jī)、芯片安裝機(jī)和工業(yè)機(jī)器人，甚至包括無人直升機(jī)，其90%的銷售額來自日本以外的地區(qū)。該公司的參賽歷史可以追溯到1955年，他們開發(fā)的摩托車YA-1贏得了在富士山舉行的第三屆摩托車比賽。從那時起，他們一直參加MotoGP比賽，并在日本以外的領(lǐng)域發(fā)展壯大。

參加MotoGP和FIM世界錦標(biāo)賽對雅馬哈非常重要，這個比賽具有很高的知名度，每年3 ~ 11月會在日本等四大洲舉行19次，在全球207個國家同步播放。

雅馬哈發(fā)動機(jī)的工廠團(tuán)隊(duì)，怪獸能源雅馬哈 MotoGP隊(duì)贏得了摩托車的“三冠王”，包括2015年車手冠軍、車隊(duì)冠軍和制造冠軍。在2019年，Valentino Rossi和Maverick Vi?ales為車隊(duì)騎上MotoGP摩托車YZR-M1(圖1)。

圖1. Valentino Rossi（左）和Maverick Vi?ales（右）為車隊(duì)騎上MotoGP摩托車YZR-M1。

賽車運(yùn)動研發(fā)部的川松正太郎先生(圖2)是MotoGP比賽中摩托車研發(fā)團(tuán)隊(duì)的一員。他于2016年加入雅馬哈發(fā)動機(jī)公司，此前他致力于賽車的空氣動力學(xué)分析，現(xiàn)在正在為團(tuán)隊(duì)開展設(shè)計(jì)開發(fā)方面的工作。

圖2. 川松正太郎先生，雅馬哈發(fā)動機(jī)公司賽車運(yùn)動研發(fā)部，Motor GP團(tuán)隊(duì)。

雅馬哈數(shù)碼工程部的島田清先生(圖3)負(fù)責(zé)使用CAE分析工具及CAE工具的培訓(xùn)工作。島田先生于1987年加入該公司，主要負(fù)責(zé)摩托車車身設(shè)計(jì)，有10年的MSC Nastran結(jié)構(gòu)分析經(jīng)驗(yàn)。在2000年，他開始使用Cradle進(jìn)行流體分析，并致力于各種產(chǎn)品的開發(fā)，負(fù)責(zé)引進(jìn)流體分析相關(guān)工具，分析技術(shù)的培訓(xùn)，以及賽車手冊的保養(yǎng)流體分析。

圖3. 島田清先生，雅馬哈發(fā)動機(jī)公司工程基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展集團(tuán)數(shù)碼工程部高級主管。

自2002年以來，雅馬哈采用了Cradle進(jìn)行MotoGP設(shè)計(jì)，開發(fā)他們的產(chǎn)品。“我們使用Cradle CFD提高了摩托車整體駕駛性能、舒適性和可靠性”，川松先生說(圖4)。

圖4. 模型變化及分析結(jié)果(2002 - 2018)

MotoGP設(shè)計(jì)中的空氣動力學(xué)和熱流體驗(yàn)證

在分析空氣動力學(xué)時，注意摩托車在直線上行駛時的穩(wěn)定性是很重要的。在MotoGP中，摩托車排量1000毫升，馬力240匹，最高時速350公里，超過了子//彈頭列車的速度！保持身體在高速下的穩(wěn)定不僅對比賽時間很重要，而且對騎手的安全也很重要。另一點(diǎn)是轉(zhuǎn)彎的可控性。轉(zhuǎn)彎速度達(dá)到200公里/小時，摩托車的傾斜延伸到60度，到達(dá)終點(diǎn)線和車手的疲憊程度取決于來自空氣的阻力。

此外，由于氣流會影響其他問題，因此需要靠發(fā)動機(jī)的馬力使空氣進(jìn)入機(jī)頭，同時兼顧散熱器、機(jī)油和剎車的性能，以及電氣元件的冷卻性。在風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)中，不僅要花很多時間來驗(yàn)證一切，而且很難先讓車手騎在上面進(jìn)行測試，所以雅馬哈使用了Cradle CFD進(jìn)行事先驗(yàn)證。

如何應(yīng)對翼子板的禁用情況

根據(jù)MotoGP的規(guī)定和發(fā)展趨勢，車體的形狀每年都會發(fā)生變化。例如，在2000年代早期，風(fēng)罩的最高優(yōu)先級是為了達(dá)到最高速度，并在直線軌道上最大限度地減少空氣阻力。

2015年前后，氣動趨勢轉(zhuǎn)向前風(fēng)罩翼。翼子板產(chǎn)生下壓力并幫助避免前輪相撞。當(dāng)車速達(dá)到350km /h時，車身會受到卡門渦的影響而出現(xiàn)晃動，但可以通過按壓前輪來改善。為了避免前輪滑行，ECU(發(fā)動機(jī)控制單元)可以作為一個選擇，但它限制了發(fā)動機(jī)的輸出，可能會導(dǎo)致減速——這就是為什么翼子板非常重要。然而，出于安全原因，2016年禁止使用翼子板。所有不與身體流線整合的附屬物都被禁止，包括擾流器。

此外，該規(guī)定還要求他們?yōu)樗袇①愓呤褂猛ㄓ玫腅CU軟件程序。“本來我們想通過運(yùn)行內(nèi)部軟件來實(shí)現(xiàn)所需的精確控制，但這是不可能的，這樣會導(dǎo)致輪距控制性能下降，翼子板對前輪的影響是相當(dāng)顯著的，但是我們不能屈服于規(guī)則。我第一年的挑戰(zhàn)是設(shè)計(jì)出能在內(nèi)部產(chǎn)生下壓力的空氣動力學(xué)部件。”川松先生說。從此他開始使用Cradle CFD，島田先生幫助他學(xué)習(xí)操作。

可視化有助于解決規(guī)則談判

在新的規(guī)則理解過程中，川松提出了一個實(shí)現(xiàn)最大氣動性能的想法，即將翼子板結(jié)構(gòu)置于內(nèi)罩內(nèi)。他說：“騎手們強(qiáng)烈希望留下2015年設(shè)計(jì)的翼子板所達(dá)到的空氣動力學(xué)能力，或者能夠改進(jìn)它們，我希望它能滿足他們的期望”(圖5)。

圖5. MotoGP摩托車的變化，內(nèi)罩型2017(左)、側(cè)吊艙型(右)。

由于需要得到舉辦方的批準(zhǔn)才能證明整流罩的形狀符合規(guī)定，Cradle CFD的后處理能力幫助他們證明了形狀的合法性。川松先生說：“CFD可視化分析結(jié)果有助于提供合理的解釋并說服舉辦方。” 他們創(chuàng)建了200個模型，并在2016年底進(jìn)行了分析，選擇了最好的5個模型進(jìn)行實(shí)際運(yùn)行測試，這些模型滿足一定程度的空氣動力學(xué)和可操作性，最終得出最佳規(guī)格。川松先生認(rèn)為，通過這個過程，他可以加強(qiáng)對空氣動力學(xué)發(fā)展的理解。

易于應(yīng)用在新的CFD分析

島田先生使用Cradle CFD提供內(nèi)部CFD培訓(xùn)。這是一個一對一的訓(xùn)練，在5到6個半天的課程后能夠掌握基本的分析方法。每個學(xué)員在開始階段的理解程度不同，有的像川松先生一樣學(xué)習(xí)了CFD并獲得了深刻的理解，有的則沒有。島田根據(jù)學(xué)員的水平改變他的培訓(xùn)方法，并確保他的課程包括操作和對結(jié)果的解釋。

島田先生聲稱Cradle CFD是最友好的CFD軟件。前處理和后處理界面比任何其他軟件都簡單，他認(rèn)為這是日本制造的特點(diǎn)。川松先生還認(rèn)可Cradle CFD易于應(yīng)用于新的CFD分析問題，當(dāng)先進(jìn)行空氣動力學(xué)分析，然后再進(jìn)行電子部件的熱分析時，他可以直接改變條件和設(shè)置。

賽車的發(fā)展需要即時的CFD解決方案。川松先生說:“一開始我不習(xí)慣這個軟件，我無法生成精細(xì)網(wǎng)格，但Cradle CFD具有高魯棒性和足夠的精度。如果有計(jì)算上的容易發(fā)散，我們必須確定原因，這將是一個棘手問題。在賽車的開發(fā)過程中，我們經(jīng)常被要求在一天結(jié)束時給出分析結(jié)果，這就是我們喜歡Cradle CFD的原因。它魯棒性好、速度快、精度高。”

“Cradle CFD的支持團(tuán)隊(duì)非常出色”島田先生說。雅馬哈馬達(dá)現(xiàn)在開始轉(zhuǎn)向scFLOW——SC/Tetra的替代版本，并期待更多的功能增強(qiáng)。

全球化發(fā)展

雅馬哈汽車在全球擁有多個摩托車研發(fā)基地。目前，CFD分析由總部的工程師進(jìn)行，但他們正在考慮將Cradle CFD引入其他基地。當(dāng)這成為可能時，這將意味著要么由總部的工程師將計(jì)算分析結(jié)果交給區(qū)域的工程師審查，要么由每個區(qū)域的工程師自己進(jìn)行CFD分析。前一種想法更容易實(shí)現(xiàn)，因?yàn)閰^(qū)域的工程師只需要安裝軟件。但后一種想法，他們需要一個教練來確保區(qū)域工程師熟悉軟件和硬件，因此，CFD的引入將會有更多的討論。

盡管如此，川島先生認(rèn)識到未來在全球范圍內(nèi)應(yīng)用CFD的潛在需求。Cradle CFD可通過海克斯康工業(yè)軟件提供，并由全球各地的代表提供支持。雅馬哈發(fā)動機(jī)公司當(dāng)然也是如此，海克斯康將幫助他們進(jìn)一步推動全球化發(fā)展。

深圳市優(yōu)飛迪科技有限公司成立于2010年，是一家專注于產(chǎn)品開發(fā)平臺解決方案與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)的國家級高新技術(shù)企業(yè)。

十多年來，優(yōu)飛迪科技在數(shù)字孿生、工業(yè)軟件尤其仿真技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)等領(lǐng)域積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并在這些領(lǐng)域擁有數(shù)十項(xiàng)獨(dú)立自主的知識產(chǎn)權(quán)。同時，優(yōu)飛迪科技也與國際和國內(nèi)的主要頭部工業(yè)軟件廠商建立了戰(zhàn)略合作關(guān)系，能夠?yàn)榭蛻籼峁┩暾漠a(chǎn)品開發(fā)平臺解決方案。

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Cradle CFD助力雅馬哈發(fā)動機(jī)公司提升摩托車性能的圖8