工程仿真的卓越成就

20

本田汽车将材料测量
成本降低了40%© 2021 ANSYS, INC.

2021年 | 第2期

40

舍弗勒集团推动
仿真普及化47

如何重塑COVID-19
疫情防控措施Ansys Advantage
Cover1

2

Ansys Advantage

2021年 / 第2期

社论

2021 Simulation World:

网罗2021 Simulation World
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1. Ansys总裁兼首席执行官Ajei

Gopal在 开幕致辞 中概述了各行业

工程师如何通过在电气化、5G通信、工业物联网（IIoT）和自动化等领域创新推动经济复苏。通过真实

案例，Gopal展示了工程领导者如
何充分发挥仿真超能力，推动收入增长和成本节约。

2. 法拉利GT赛车设计与研发部主

管Ferdinando Cannizzo介绍了
工程师如何快速优化空气动力学，

将工程效率提升300%，从而先于竞
争对手将车辆设计创新运用到比赛中。查看 “法拉利：借助Ansys仿

真技术实现创新并获胜” 主题内容了解更多。

3. 在“首席技术官圆桌会议：数字孪生”主题会议上，Ansys首席技术

4. 诺斯罗普·格鲁曼空间系统工程

副总裁Carol Erikson分享了“对仿真行业影响最大的五大趋势” 。如前述只要注册Simulation World，
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题报告中，展示了他们如何利用仿真
技术来加快研发进程。

7.“Ansys Fluent在优化非牛顿流

体流经电池制造槽模的应用” 的主题
中，电池工程师Xuechun Qian将介

绍松下能源北美公司如何运用仿真技
术最大限度的提高特斯拉超级工厂的电池产量。

8. 最后，观看“利用Ansys S.M.A.R.T

FM工具对大型燃气轮机铸件进行3D

裂纹扩展仿真” 场次，了解西门子结构研发人员Aditya Dubey如何估算断裂力学。

还会提供更多精彩内容

这些都仅仅是本届Simulation

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World大会为参会者提供的一小部分

助喷气推进实验室开拓太空探索新多场主题报告，您还可以置身于完全

5. 在“仿真重大项目：仿真如何帮

精彩内容。除了涵盖12大专题的200

领域” 中，美国宇航局喷气推进实

交互的智慧城市中，了解最具颠覆性验室副主任，美国空军中将（退役）Larry James带您深入幕后，
了解美国宇航局/喷气推进实验室如何利用仿真技术，在机器人太空探索中保持领先地位。

6. 了解Tier 1汽车供应商Marelli硬件工程经理Fabio Alpiovezza和CAE研发经理Francesco Lelli，在“电动传动系统的设计和优化” 主的创新为何离不开仿真技术，并参观
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官Prith Banerjee与微软Azure IoT业务副总裁Sam George、Navantia

集团首席技术官Donato Matinez
Perez de Rojas、Flowserve集团

首席技术官Tauseef Salma，以及霍尼韦尔航空航天部首席技术官

Hakan Yilmaz，一起探讨数字孪生的优势、实施挑战以及已如何解决了这些挑战。
© 2021 ANSYS, INC.

Simulation World大会注册用户可虚拟畅游这座智慧城市，真实体验仿真如何推动创新Ansys Advantage

1

目录
31
49
4

16

仿真助力赢得Indy自动驾驶复合材料引领交通运输的未来

聚焦：交通 / 自动驾驶挑战赛Ansys为高校团队提供SCADE软件，帮助他们在赛道上操控自动驾驶汽车。

聚焦：交通 / 复合材料

为了能在2050年实现汽车零排放的目
标，汽车制造商正在采用轻量化和电气化解决方案。

24

聚焦：交通 / 交通运输即服务

Triggo电动车，向交通运输即服务转型Ansys初创公司计划技术赋能可根据驾驶需求进行形态变化的创新汽车。

8

20

26

创新型全电动飞机冲上云霄本田汽车通过材料数据库提高大航海时代：打破帆船运动世界

聚焦：交通 / 电气化多物理场仿真如何助力加速全球最快
零排放飞机的电池开发。

12

聚焦：交通 / 电气化仿真推动航空竞赛实现电气化
未来

了解Air Race Events如何推出全电动飞机，以帮助推动航空行业更快地实现可持续发展。

2

聚焦：交通

40

Ansys Advantage

聚焦：交通 / 材料开发工作效率汽车制造商正在积极研发新材料，为
其品牌创造独特的差异化优势，以加强可持续性，并提升其材料数据跟踪
需求。而本田公司也是这样做的。

聚焦：交通 / 航行记录

Ansys Fluent帮助瑞士洛桑联邦理工学院制造了一艘帆船，他们希望能在
2022年创造速度记录。

28

聚焦：交通 / 电磁学仿真助力Hyperloop超级高铁

了解Nevomo和Zeleros如何将商用
超级高铁系统推向市场。

2021年 / 第2期

32

栏目

MADI

交通系统智能化

在不久的将来，智能交通系统有望成为智慧城市的重要组成部分，帮助人们召唤自动驾驶汽车，然后被高效、
安全地送到目的地。

47

聚焦：COVID-19疫情防控措施 /CFD气舒心宁：借助CFD战胜
新冠病毒

了解CFD仿真技术如何帮助确定
通风和空气净化系统是否可以减
少有害飞沫颗粒的积聚和吸入。

38

50

Kärcher借助Ansys Twin

IIOT电池组 / 数字孪生Builder提升清洁效率

仿真帮助德国清洁设备制造商不断创
新产品。

40

电动转动系统 / 流程集成

聚焦：COVID-19疫情防控措施 /仿真智能集装箱挽救生命

SkyCell利用Ansys仿真技术设

计智能、物联网空运集装箱，通过降低疫苗运输损失率来挽救更
多生命。

让仿真技术普及推动电气化发展53

问，以便用户可以在无需深入了解其CFD了解舍弗勒集团如何使软件易于访
工作原理的情况下运行软件。

44电子 / 自动化设计分析

Sanden将模型创建时间缩短85%
Sanden集团分享了Ansys Sherlock
如何帮助其公司更快地设计汽车空调压缩机。

聚焦：COVID-19疫情防控措施 /气流仿真如何挽救企业？

俄勒冈州的一家综合健身房利用欢迎订阅Ansys Advantage！本期杂

志内容由Ansys客户、员工及合作伙

伴共同撰写，希望您能喜欢。

Ansys Advantage编辑人员编辑顾问Lynn Ledwith、Mary Beth Clay总编
Jamie J. Gooch执行编辑
Nicole Wisniewski
高级编辑
Tim Palucka编辑Erik Ferguson、Beth Harlen
社论撰稿人
Ansys客户卓越部（北美）艺术总监Ron Santillo设计师
Dan Hart Design
ANSYS, Inc.,Southpointe, 2600 Ansys Drive,
Canonsburg, PA 15317

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ansys.com/subscribe进行订阅气流仿真解决方案，在疫情期间

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工业创新中扮演着至关重要的角色。

为其健身用户提供更安全的锻炼

56

聚焦：COVID-19疫情防控措施 /CFD

暖通空调HVAC气流如何影响冠状病毒传播？

Ansys Fluent帮助确认在儿童医院打开空调是否对患者更安全。

作为工程仿真领域的全球领导者，Ansys在众多产品制造以及当火箭拔地而起，飞机翱翔蓝天，汽车高速飞驰，桥梁横跨江海，当人们便捷地操作电脑和移动电子设备，或是体验可穿戴
产品，Ansys的身影都随处可见，尽显卓越。我们助力全球创

新型企业推出应市场所需的产品，凭借高性能且完备的工程仿
真软件产品组合，帮助客户跨越技术挑战，不断突破想象赋予
工程产品更多可能性。

ANSYS, Inc.或Dan Hart Design均不保证或担保本出版物所
含材料的准确性或完整性。

ACT, Additive Print, Additive Science, Additive Suite, AIM, Aqwa,
Autodyn, BladeModeler, CFD, CFD Enterprise, CFD Flo, CFD
Premium, CFX, Chemkin-Pro, Cloud Gateway, Customization
Suite, DesignerRF, DesignerSI, DesignModeler, DesignSpace,
DesignXplorer, Discovery, EKM, Electronics Desktop, Elastic
Licensing, Enterprise Cloud, Engineering Knowledge Manager,
EnSight, Exalto, Explicit STR, Fatigue, FENSAP-ICE, FENSAP-ICETURBO, Fluent, Forte, Full-Wave SPICE, Granta MI, HFSS, High
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Direct Modeler, SPEOS, Structural, TGrid, Totem, TPA, TurboGrid,
Twin Builder, AVxcelerate, Workbench, Vista TF, Realize Your
Product Promise, Sentinel, Simulation-Driven ProductDevelopment
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Ansys Advantage33聚焦交 通 / 自 动 驾 驶赛车团队必须面对的一
大自动驾驶挑战是避免规避机动动作，然后奋力冲过终点线。

Indy自动驾驶挑战赛
作者：《Ansys Advantage》 2021年6月30日，Indy自动驾驶汽车以高达180英里的时速在印第安纳波利斯赛车场上比赛，创造了历史上第一场高速无人驾驶比杂志编辑室赛。作为Indy自动驾驶挑战赛（IAC）的独家仿真赞助商，Ansys

已经为来自全球各地的40个高校团队中的485名学生提供了Ansys SCADE软件，以帮助他们生成嵌入式控制代
码，从而操控自动驾驶汽车在赛道上奔驰。在将赛车驶上赛道之前，参赛团队都能使用Ansys AVxelerate作为
虚拟现实驾驶仿真器，以便在安全的虚拟空间中测试他们的嵌入式软件。获胜者将获得100万美元的奖金，并赢
得全球首个自动驾驶赛车冠军的称号。
4

Ansys Advantage

2021年 / 第2期

“我们将学习Ansys仿真环境视为一项非常有趣的挑战。
我们毫不退缩，而是尽最大努力从中获得最好的结果。

SCADE和AVxcelerate都是非常强大、极富吸引力的工具。

为”了帮助这些团队准备好迎战IAC，Ansys主办了一系列“黑客马拉松（Hackathon）”活动。黑客马拉松

旨在向工程师展示如何使用仿真技术来设计自动驾驶控制代码，并在印第安纳波利斯赛车场的虚拟模型赛道上、使用虚拟赛车在难度系数逐渐增加的各种场景中进行测试。

Ansys交通运输行业市场营销总监Tarun Tejpal表示：“IAC不仅是自动驾驶技术开发的测试台，而且是脑力比拼的大舞台。从根本上来说，自动驾驶赛车就是一台带有四个轮子的超级计算机。参赛团队必须对超级计算机进行优化，而实现这一点的唯一方法就是使用Ansys仿真技术。”他指出，在过去的十年里，Ansys已将软硬件充分结合，进一步推动实现自动驾驶的目标。他表示：“目前，这就是需要充分发挥人类聪明才智的问题了。在激烈的竞争环境中，这些
学生团队将有望实现自动驾驶技术的高速创新，并且这些技术最终将会被应用于商用汽车中。”到目前为止，学生团队已经取得了很大的进步，他们在黑客马拉松上的精彩表现就是良好例证。为了让读者大概了解学生团队的参赛历程，我们采访了来自意大利米兰理工大学poliMOVE团队的两位博士生：Gianluca Papa和Filippo Parravicini，请他们讲述其在IAC的经历。这个团队有30名成员，包括博士和硕士研究生，其中大多数人拥有
自动化与控制工程学背景，还有一些大学生，他们分别就读于数学、航空航天、机械工程和计算机科学系等。此外，还

有Papa和Parravicini的导师Sergio Matteo Savaresi教授，据他们表示，他们的导师从一开始就对这个项目非常感
兴趣。

黑客马拉松

第一届黑客马拉松

在去年举办的第一届黑客马拉松上，Ansys仿真专家向参赛团队介绍了Ansys SCADE和Ansys AVxelerate。在专家的指导下，各团队学习如何使用Ansys软件来开发嵌入式代码，以便在印第安纳波利斯赛车场的高保真模型赛道上
操控虚拟自动驾驶汽车。

渲染图展示了不同的摄像头视图下的Indy自动驾驶挑战赛赛车。

© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage5聚焦 交 通 / 自 动 驾 驶欢迎访问ansys.com/experiences/indy-autonomous-challenge观看直播
Parravicini表示：“尽管车辆动力学控制是我们的强项，但这是我们首次体验自动驾驶赛车。我们基本上是从零开始。我们将学习Ansys仿真环境视为一项非常有趣的挑战。我们毫不退缩，而是尽最大努力从中获得最好的结
果。SCADE和AVxelerate都是非常强大、极富吸引力的工具。”

第二届黑客马拉松

在2020年9月举办的第二届黑客马拉松比赛期间，各团队预计将在由SCADE嵌入式软件提供支持的Indy赛道模型

上展示他们驰骋的虚拟赛车。在第一轮预赛中，每支车队各自独占一条赛车道，并尽力创下最快圈速记录。在第二轮预赛中，每支车队前方安排了其它两辆赛车，他们必须设法在保持高速的情况下安全超车。

为了实现最快圈速，车队需要能够在赛道上找到最佳路线。在比赛过程中，一些车队看起来好像在赛道的内边界和外墙之间缓慢地来回移动，虽然车辆始终保持在边界内，但却影响了速度。而一些赛车意外地闯入了赛道的内场，或者
撞到了外墙上，因此被取消了这届黑客马拉松的参赛资格，导致比赛结果为DNF（未完成比赛）。

在第一轮预赛中，总共有21辆赛车参赛，poliMOVE赛车在整个比赛过程中都尽可能地紧贴赛道内线，以1:14:75

的成绩夺冠，险胜并列亚军（成绩为1:14:85）的Crimson Autonomous Racing（阿拉巴马大学）车队和Black &Gold（普渡大学和西点军校）车队。

Papa在分析车队的策略时指出：“我们想要寻找能实现最快圈速的路线。对我们而言，路线最短与否并不重要。

如果距离更长但能实现更高的速度，我们则会选择那条路线。在AVxelerate驾驶仿真器中，我们试图开展迭代，并找到最佳轨迹。我们的目标是在每一圈、每一次比赛、每一种情况下都能够做到最好。”

在第二轮预赛中，总共有18辆赛车参赛，大多数车队选择从外侧超越前面的两辆赛车，还有一些车队成功地从中间超过了前面的两辆赛车，而另一些车队只能紧跟在前面两辆赛车的后面。一支车队在试图超车时撞上了前面的赛车。这
轮预赛是在赛车道的第二个和第三个弯道之间的直线跑道上进行的，比第一轮预赛的赛道要短得多。

poliMOVE车队成功从中间超过了前面的两辆赛车并取得了13:850的成绩，这使他们在第二轮预赛中与其他八支车队并列第一。由于每轮预赛的第一名可获得50分，因此他们当天在两轮预赛中的综合成绩是100分的满分，当之无愧地成为了第二届黑客马拉松比赛的获胜者。

第三届黑客马拉松

在1月21日举办的黑客马拉松比赛中，poliMOVE似乎成为其他想夺冠车队奋力超越的目标，有几支车队紧随其后。

这一次的比赛规则是，两支车队将在同一条赛道上正面交锋，因此任务更加复杂：即车队需要在避免与另一辆赛车相撞的同时，找到最佳路线。

为了迎战此次黑客马拉松比赛，poliMOVE团队增加了仿真的运行次数。在这个过程中，poliMOVE工程师不仅可以轻松地使用SCADE的图形界面，以模块的方式开发嵌入式代码，除此之外，他们还发现了另一项最喜欢的功能。

Parravicini表示：“在SCADE中，您可以在自己的主方案中包含完整的C代码。我们充分地利用了这个功能，这样可以更好地控制赛车的自动驾驶性能。”
6Ansys Advantage

2021年 / 第2期

“当利用SCADE完成开发流程后，就会获得一个可执行文件，
您可以运行该文件。您可以让它与AVxelerate进行交互，这样就能查看结果，进行数据分析，然后返回到SCADE。

”

SCADE可从方框图中生成C代码，包括poliMOVE工程师可能创建的任何自定义模块。Papa表示：“当利用SCADE完成开发流程后，就会获得一个可执行文件，您可以运行该文件。您可以让它与AVxelerate进行交互，这样就能查看结果，进行数据分析，然后返回到SCADE。”

所有这些迭代工作在黑客马拉松比赛中再次得到了回报。这一次的比赛规则是，参赛的18支车队两两配对，进行一组两队正面交锋的预赛，这要求他们

在赛道边界内安全地完成5圈比赛。poliMOVE抽到的对手是慕尼黑工业大学
的TUM Autonomous Motorsports车队。

在第一轮预赛中，poliMOVE以46:384的成绩创造了整场比赛的最快圈

速记录，分别在第2圈、第3圈和第4圈击败了TUM。在第二轮预赛中，TUM

在第一圈开始时在poliMOVE赛车前面做出了一个激进的穿越赛道的动作，这导致poliMOVE赛车不得不减速以避免发生碰撞。虽然他们还是击败了
TUM，但第一圈损失的时间导致poliMOVE在第三届黑客马拉松比赛中以第二名的成绩败给了阿拉巴马大学的Crimson Autonomous Racing车队。

Papa表示：“如果您看了第三届黑客马拉松比赛，您会发现，总的来说，我们实力强劲，并且一直在寻找最佳路线。我们无惧任何潜在的影响和可
能的反超。我不知道这是否是致胜秘诀，让我们拭目以待。”

Parravicini指出：“但是如果存在危险，比如在第二轮预赛中，我们

就放慢了速度，以避免发生此类危险状况，我们总是试图以最佳方式获得成
功。性能和安全性之间的权衡始终存在。但归根结底，力争第一总是没错的，对吧？”

未来的自动驾驶挑战虽然Papa和Parravicini对自己目前在IAC虚拟赛事中的表现很满意，

但他们深知，所有团队都面临着最大的挑战。今年6月，参赛团队将会驾驶实际的赛车比赛，他们必须把自动驾驶的控制软件从虚拟世界移植到现实世界中。poliMOVE团队将派出一个小组前往美国，开始在实际赛车上对该软件进行测试。他们将有很多工作需要完成。

Parravicini表示：“目前在虚拟赛道上使用虚拟汽车的仿真环境非常有价值，但它显然缺少了自动驾驶赛车挑战的感知部分。在虚拟比赛中，凭借非常出色的传感器，您可以知道对手的确切位置、速度和方向。当驾驶实际的赛车时，情况一定截然不同了。您必须了解所有传感器的工作原理，还必须了解并考虑传感器运行的所有可能的非理想情
况，然后尝试整合所有信息，从每个传感器中获取最佳信息，以便最可靠地估计周围所发生的情况。”那么他们能在IAC中赢得胜利吗？就像Parravicini所说的，“这可是关系到一百万美元的奖金呀。”© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage

7创新型全电动飞机冲上云霄聚焦交 通 / 电 气 化

作者：Douglas Campbell，英国格洛斯特郡Electroﬂight技术总监劳斯莱斯和Electroflight携手打造了一架时速超过300英里/小时的全电动飞机，助力推动航空业迈入第三个时代。主要的设计挑战是优化重量高达1,047磅（475千克）的电池组，以满足结构强度、热管理和其它关键性能标准。随着该团队倾力推
出全球最快的零排放飞机，Ansys多物理场仿真在加速电池开发和验证方面发挥了
至关重要的作用。

8

Ansys Advantage

2021年 / 第2期

劳斯莱斯虽是一家老牌的航空公司，但其放眼未来，专注于打造创新型全电动飞

机。如果说螺旋桨飞机和喷气式飞机代表了航空业的前两个时代，那么第三个时代的重心无疑是可持续设计和零排放。

作为劳斯莱斯ACCEL（加速飞行电气化）计划的一部分，这架飞机将在2021年晚些时

候尝试打破全电动设计现有的210英里/小时的时速纪录。当配备传统内燃机时，这架飞机的时速已经超过300英里/小时，因此ACCEL团队对其寄予了厚望。与速度一样令人惊叹的是这架飞机的航程。电池充满一次电后，这架飞机即可完成从伦敦到巴黎长达200英里的航行。此外，劳斯莱斯和Electroflight团队的另一个目标是追踪和记录整个项目的可持续性，他们很自

豪能够通过碳抵消使项目实现零排放。
“插上腾飞翅膀的电池”

这种高水平的储能性能需要新颖的工程方法和开创性的电池设计。对此，劳斯莱斯并没有依靠内部资源，而是选择了英国格洛斯特郡的初创公司Electroflight，该公司致力于为航空航天电气化应用开发高可靠性的储能解决方案。

最终得到的锂离子电池组包含三个独立的电池组件，可为三个大功率电机提供电力，该电机由总部位于英国牛津的一家轻量化电机和控制器制造商YASA完成设计。基于专有的轴向磁通设计，YASA已经能够提供一种
小型、轻量化的发动机配置，该配置能够产生超过500马力的功率，从而支持飞机打破速度纪录。

虽然轻量化的发动机设计是切实可行的，但即使是功率密度最大的锂离子电池也难以避免超重问题。该电

池装配体由Electroflight公司设计，拥有超过6,000个电池和令人惊叹的90%的能效，产生的能量足够为250
个家庭供电。它的重量高达1,047磅（475公斤），在机身中占据了很大的空间，导致一些观察员戏称这架飞机
为“插上腾飞翅膀的电池”。

电池的尺寸和重量可能被视为棘手的问题，但劳斯莱斯和Electroflight利用这些特点，将电池组作为单座飞机的关键结构元件。这意味着机身和电池组必须同时进行优化，以确保两个元件紧密集成在一起，从而平衡能
量、推进力与升力。

由于其尺寸和重量，电池装配体可在相对狭窄的单座飞机机身中充当关键的结构元件。这意味着需要平
衡能量性能、机械考虑因素（如刚度和共振）以及可持续性© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage9聚焦 交 通 / 电 气 化“ 这种高水平的储能性能需要新颖的工程方法和开创性的电池设计。对此，劳斯莱斯并没有依靠内部资源，而是选择了Electroflight。”

电池组的另一个潜在缺点是什么？这自然是锂离子电池的热效应。为了管理电池组的自发热属性，Electroflight工程师设计了一种创新型冷却系统，通过电池之间的极板泵送由水和乙二醇组成的液体冷却剂混合物。当锂离子电池接触冷却板时，即使在飞机处于大功率需求期间，热载荷也能够得到有效控制。
Electroflight的先进电池管理系统每秒能够收集数千个数据点，为飞行员提供所需信息，以便在其尝试刷
新记录时能够最大限度地利用电池系统性能。考虑到安全性，Electroflight团队设计的这架飞机只需使用单个电池组就能安全着陆。
借助仿真加速设计为了模拟和解决电池装配体设计中涉及的众多高级挑战，Electroflight采用Ansys仿真解决方案套件，其中包括Ansys Mechanical、Ansys Discovery、Ansys Fluent和Ansys Granta Materials Selector。工程
仿真帮助Electroflight团队解决了三大关键问题：材料选择、结构完整性和平衡冷却。

鉴于电池组相对于飞机本身的巨大尺寸，Electroflight决定，需要将电池组设计成为小型飞机的结构构

件，从而在整个飞机运行和性能周期中将飞行载荷从动力系统转移到机身。为了实现这一功能，团队需要仔细分
析和优化电池装配体设计。该团队希望将重量降至最低，同时确保飞行载荷的有效转移，并避免出现与任何系统运行频率一致的振动模式。

10Ansys Advantage

2021年 / 第2期

为支持Electroflight团队，Ansys使用Ansys
Mechanical提供电池装配体的完整结构和频率分析。
这促进了团队对装配体设计进行各种调整，特别
是新夹具的设计，以调整整个装配体的刚度，避免谐振频率与螺旋桨工作频率相一致。

单个电池以紧凑的、背向排列方式被安装在聚合物安装板上。该团队发现，他们最初打算使用的
3D打印框架材料会随着温度的升高而降低刚度属性。因
此，Electroflight需要选择一种其玻璃化转变温度高于电池工作温度的材料，这是一项艰巨的挑战。该团队使用
Ansys Granta并根据特定需求来缩小材料选择的范围。借助Ansys Mechanical和Ansys Granta，该团队将填
充了30%玻璃纤维的聚碳酸酯确定为最佳材料。在设计阶段，仿真技术帮助团队解决了材料难题。
优化冷却

由于热载荷是锂离子电池的核心问题，Electroflight工程师利用Discovery和Fluent对电池冷却系统进

行建模，并研究整个电池装配体在实际工作条件下的热性能。该团队在Fluent中应用了伴随求解方法（该方法可专门用于空间受限的内部流动），以描述创新型
电池冷却系统的性能。该软件可自动探索给定设计的工作范围，将布局转变为更优化的形状，并指导Electroflight团队进行优化设计。由于伴随仿真
提供的路线图可以显示电池的哪些区域对过热最敏感，因此开发人员能够有针对性地开展优化工作。

总之，Ansys解决方案能够帮助Electroflight团队了解从可持续性、可制造性到运行限制的一系
列复杂问题，并相应地优化电池设计。为了实现近期试飞相关的里程碑目标，该团队承受着巨大的时间和成本压力，而Ansys仿真技术可帮助他们快速有效地解决关键的工程挑战。Ansys不仅帮助Electroflight在试飞前验证了电池组的最终设计，而且还在这个过程中解决了
一些非常复杂的问题。
可持续发展跃上新台阶毋庸置疑，展望未来的全球航空航天行业，任何新的飞机设计都必须尽可能满足碳中和目标。这给工程团队

带来了一系列全新的挑战，从材料选择到能源生产和效率，不一而足。Granta工具能够支持可持续发展工作，
帮助开发新的工艺和方法，以充分了解和最大限度减少项目的环境足迹。

凭借劳斯莱斯多年深耕航空业的领导力和Electroflight在电池系统方面的独特专业知识，加上Ansys公司

的出色工具，随着一系列试飞的完成，Electroflight团队对可持续航空未来充满了信心。

© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage11聚焦 交 通 / 电 气 化

北欧航空竞赛机队与他们正在建造中的Air Race E飞机合影。

图片由北欧航空竞赛机队提供仿真推动航空竞赛实现电气化未来
作者：《Ansys Advantage》杂志编辑室这

可以称得上是世界上最激动人心的赛车运动，尽管该竞赛的历史已经有一百多年，但您可能还从未听说过。

试想一下，八架紧凑型单座电动螺旋桨飞机同时起飞，升至大约

30英尺的高空，并以高达250英里的时速围绕3英里的椭圆形赛道进
行“比翼齐飞”的比赛，您将体验到航空竞赛带来的肾上腺素飙升的兴奋感。自2013年以来，Air Race Events首席执行官Jeff Zaltman一直在全球范围内倡导航空竞赛，其从2015年开始举办的Air Race 1锦标赛一直是世界航空竞赛领域的重要赛事，并继续保持强劲的发展势头。
12Ansys Advantage

2021年 / 第2期

就像一级方程式赛车等精英赛车运动一样，航空竞赛为前沿技术提供

了良好的测试台。随着可持续发展的重要性日益提升，正如一级方程式赛车通

过其E级方程式系列衍生出了电动版竞赛一

样，Zaltman也推出了Air Race E，该竞赛中

均采用100％全电动飞机，以帮助推动航空行业更

快地实现可持续发展。作为Air Race E的官方仿真软件合作伙伴，Ansys为参赛团队提供仿真软件、培训和咨询服务。

Ansys旨在帮助推进飞机电气化先进技术的发展，
其通过提供综合全面的多物理场仿真工具套件，来帮助参

左图：通过电池模块的空气分布。右图：单个电池
模块的静态温度分布

图片由北欧航空竞赛机队提供赛团队应对他们所面临的一些最严峻的工程挑战，包括电池和电池管理系统、电力电子、电机，以及电气化传动系统与机身的整体集成。对于一些团队而言，这意味着从零开始设计整个飞机；对于其他团队，则意味着将这些电动系统集成到现有的机身中。

“仿真是加速设计和开发流程的唯一途径，这样他们的电动飞机才能及时获得飞行认证，参加定于2021年下半年
举行的首届预选赛。

”

负责协调赛事支持工作的Ansys技术客户经理Roberto Bifulco表示：“这些团队需要在极短的时间内将构思转

变成一架能够参加比赛的飞机。仿真是加速设计和开发流程的唯一途径，这样他们的电动飞机才能及时获得飞行认证，参加定于2021年下半年举行的首届预选赛。我们的软件可以帮助他们实现这一目标，同时我们也可从他们需要解决的问题中汲取经验，所以这是一个双赢的结果，也是Ansys决定赞助Air Race E的原因之一。”
航空竞赛打造电气化未来

1909年，首届航空竞赛Prix de Lagatinerie在法国举行，距1903年莱特兄弟在北卡罗来纳州的基蒂霍克完成

可操纵、重于空气飞行器的首次飞行仅6年时间。从那时起，各种形式的航空竞赛如火如荼，而这些竞赛通常一次只有一架飞机竞速飞行。

2013年，Zaltman创立了Air Race 1世界杯。随后，他负责举办了2014年的首届比赛和2015年的第一届航空竞赛世界杯。参赛团队驾驶的是小型单座螺旋桨驱动的Cassutt Special飞机，该飞机根据特定参数进行改装，试图获得竞争优势。

在Air Race E竞赛中，比赛规则规定了每个团队必须使用的平台。该竞赛对飞机的机身、机翼和重量的要求则

与Air Race 1竞赛的要求相同。由于内燃机被电力所替代，电池的规格包括功率不超过150千瓦（在30秒内可提供额
外的25千瓦升压能力）、最大电压为800伏。在一场赛程为4圈，即25公里（15.5英里）的比赛中，电池必须能够在

全功率状态下运行5分钟，并在最小功率的备用状态下运行10分钟。设计目标是传动系统的总重量不超过180千克。

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Ansys Advantage13聚焦 交 通 / 电 气 化应对技术挑战的两种方法

Air Race E技术项目经理Dmitri Karelin表示：“设计一架能够制胜的飞机并非易事。您不能只追求最大功率，然后就觉得胜券在握了。最强大的电机需要体积更大的电池，这会增加重量，并可能导致您的飞机将落后于另一个
团队使用的更小电机和更小、更轻电池的飞机。”鉴于这些权衡，比赛规则中有很大的设计变化裕量，每个团队将以不同的方式应对挑战。

当Zaltman在2018年推出Air Race E时，他吸引了一些已经在Air Race 1比赛中驾驶着使用化石燃料的飞机的团队，同时也激发了之前从未参加过航空竞赛的人们的兴趣。这就产生了两类面临不同挑战的团队：改装团队
和从零开始构建团队。

对于许多习惯在新设计中开展物理测试的参赛者来说，仿真是一项新兴技术，因此Ansys在2021年1月举办

了网络研讨会，向所有团队介绍他们可以使用的仿真功能，以及如何使用这些功能来克服上述的一些挑战。我们与两个采用不同方法的团队进行了交流，以了解他们
的进展情况。

飞机改装为电动飞机提供动力的电池组体积网格划分图片由北欧航空竞赛机队提供

挪威的北欧航空竞赛机队联合了两个组织：Electric

Aircraft Propulsion和Equator Aircraft。该团队目前

有10名成员，其中包括志愿者。北欧航空竞赛机队的工程师Sathvik Rao表示：“我们希望在更高的水平上探索

电动航空，而Air Race E为我们提供了实现这一目标的机会。北欧航空竞赛机队（Nordic Air Racing Team）。
通过参加航空竞赛，您可以学到很多东西，分享自己对每个团队所面临的常见问题的见解，并尝试解决这些问题。
这就是参赛理念。电动航空正处于起步阶段，现在的重点是打下坚实的基础，并不断发展壮大。”

由于之前没有航空竞赛经验，北欧航空竞赛机队购买了一架二手Cassutt Special飞机进行改装。Rao指出了他

们面临的五大挑战：• 通过改装成更长、更薄的机头来改变飞机的外部几何结构• 由于需要将笨重的内燃机替换成更轻的电机，因此需要平衡飞机的重心• 确定如何以最佳方式对布局在机身发动机舱内的电机和电池进行冷却• 开发一种复合动力舱，使飞机变得更轻• 优化电池设计和性能

北欧航空竞赛机队使用Ansys Mechanical和Ansys Fluent对飞机机头进行修改，以了解其能够在多大程度上保持机身上空的层流，并最大限度地降低整体阻力值。Mechanical也可用于分析重心问题。他们选择通过整个热系统进行空气冷却，即在螺旋桨轮毂中使用整流罩或导气罩，以便让空气流入和流出系统，而不会产生太大的冷却阻力。Fluent可帮助他们分析该区域的气流。Ansys Composite PrepPost将用于开发复合动力舱。

另一项挑战便是优化电池性能。Karelin表示：“您可以与任何电气化相关行业的工程师交流，并询问他们所面

临的主要难题。每个人都会给出这样的答案，‘那就是电池。’电池始终是系统中最具挑战性、危险性和复杂性的组件。这是因为在飞行过程中，电池既不能被损坏，也不能出现过热现象。这事关安全问题。因此，这些团队将依
靠仿真技术来解决电池难题。”虽然Rao之前在其空气动力学工程研究和论文中使用过Ansys仿真解决方案，这为他积累了一些Fluent热流

分析的背景知识，但他对Ansys电子和电池仿真解决方案还比较陌生。因此，这一次的经历让他大开眼界。Rao表示：“当我看到Ansys软件如何将任何领域的每个参数要求集成在一起时，例如电流、电压、温度分布和电池的结构可靠性，我真的非常惊讶。”他期待在不久的将来，北欧航空竞赛机队能够利用这些仿真功能解决电池难题。
14

Ansys Advantage

2021年 / 第2期

从零开始构建

如果您一开始没有飞机，显然会有更多的工作需要完成。荷兰的TeamNL团队目前有四名成员，
但他们并没有因此而放弃。TeamNL团队首席工程师、

资深的滑翔机飞行员Rick Boerma表示：“我们只是希望

能够全力以赴设计出一架飞机，这样我们就可以完全正确地将它集

TeamNL团队以1:10的比例成。我们决定将电池集成到机翼中，然后将电机与机身集成，以避免在重量和平 3D打印出该模型衡方面修改现有机身。从零开始有时也是一种优势。”

Boerma了解Ansys软件，但之前从未使用过。他表示：“当Ansys决定赞助Air Race E时，他们问道，‘你们想用这个软件吗？’。如果您把这样的好事摆在我们面前，谁会拒绝呢？”TeamNL团队将该挑战视为“一项大型封装优化任务”。由于他们的团队规模较小（欢迎更多的志愿者加入！），时间和资金都很紧张，因此他们必须选择能负担得起的最佳组件，并以最有效的方式将它们组合在一起。

Boerma表示，他们希望尽可能减轻飞机重量，但要获得竞速飞行所需的动力，就需要一块大电池。如果使用两块小电池，电流载荷就会过高。因此他们使用相对较重的电池，并试图满足体积和重量要求。

“电池始终是系统中最具挑战性、危险性和复杂性的组件。

这是因为在飞行过程中，电池既不能被损坏，也不能出现过热现象。

这事关安全问题。因此，这些团队将依靠仿真技术来解决电池难题。

”

他们使用Ansys Discovery来开发飞机的结构，并在这些重量载荷下实现合适的重心。Boerma表示：“Discovery的功能令人惊叹。我非常期待能够用上它。它不仅速度很快，而且与Ansys SpaceClaim集成的易用
性真的非常棒。您可以创建一种几何结构，如果您不喜欢此处的孔，可以将其填充，五秒钟后就能看到新的应力分布。我甚至可以通过拓扑优化来获得正确的形状。”只需点击几下鼠标，即可将Discovery中获得的几何结构导出到Ansys Mechanical，因此他们将使用Mechanical来提供额外的百分之几的精度，以确保他们拥有安全的设计。Boerma表示：“参赛飞行员总是想要突
破限制，变得更快更强。但毋庸置疑，安全性是航空业的重中之重。当然，我们希望以尽可能快的速度飞行，争取赢得比赛，但首要任务是确保飞行员重返地面。”
展望未来的航空竞赛

Air Race E的初始预赛将于2021年下半年举行，届时各团队将

准备好用于参赛的电动飞机。目前已有16支团队报名参加比赛，但如果您想组建自己的团队，那么仍然有时间参与比赛，因为在计划

于2022年举办的世界电动飞机锦标赛之后，Air Race E将继续举办。Ansys专家将在现场帮助所有团队学习如何使用仿真来解决他们在整个过程中遇到的挑战。

Karelin表示：“各团队都在争分夺秒地为参加2022年的竞赛准备飞机，因此如果能够仿真飞机和电池的设计，这将避免他们撞

上南墙后再回头，从而耽误了大量的时间。同时，立即测试设计变更

航空竞赛活动

的功能可以节省大量资金，而且这些团队必须要把钱花在刀刃上。”© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage15聚焦 交 通 ： 复 合 材 料

复合材料
引领交通运输
的未来
作者：《Ansys Advantage》杂志编辑室

所有产品对环境都有影响，随着客户对碳足迹的关注，他们对这一事实的认识也愈发深刻。在汽
车行业，全球都在努力推进到2050年实现汽车零排放的相关工作，这不仅将充分满足消费者的需求，而且还将符合日益严格的环境法要求。为此，领先的汽车制造商及其合作伙伴正在进行轻量化

和电气化。而复合材料，是减轻车辆重量，使其能够使用更低能耗、更少排放的更小型发动机的关键。

图1：蒂森克虏伯普利斯坦开发的伺服助力转向系统。（a）和（b）是具体的转向系统机械装置；红色的

（c）和（d）是强化塑料转向器外壳；（e）是已制成塑胶转向器外壳的图片；（f）是车辆内部的伺服助力转向系统。完整的伺服助力转向系统外壳对于确保车辆乘员安全至关重要。图片由蒂森克虏伯普利斯坦提供16

Ansys Advantage

2021年 / 第2期

图2：得益于Ansys Material Designer，用户能够在Ansys Mechanical中构建多尺度模型的工作流程复

合材料在汽车领域的主要应用，包括引擎盖下的组件以及汽车外部，业内通常将预浸材料（碳或玻璃纤维层压材料）用于豪华、中等产量的汽车。然而，对于需高产量生产的车型而言，企业越来越多采用的技
术，是通过短纤维强化塑料注塑成型来制造对车身安全和结构都很关键的组件。车身面板、框架、外壳、支撑结构、保险杠和座椅结构均采用短纤维强化塑料制造。而随着电动汽车的发展，对轻量化组件的需求预计将进一步增长。

注塑成型是制造大量几何形状复杂组件的理想工艺。除了汽车之外，许多日用品也是通过注塑成型制造的，比如手机外壳、电视机机壳、光盘以及午餐盒等等，举不胜举。注塑成型的一个基本特征是：如果只改变工艺条件，可能无法修复生产中的部件缺陷。因此，通常必须修改模具，才能解决问题。这不仅成本高昂，还会耗费宝贵的时间。可见，在设计阶段规避问题，比在生产阶段解决问题好得多。此外，注塑成型能否成功很大程度上取决于是否

能够精确预测加工部件在应用中的力学行为，是否能够准确再现其微观结构⸺该微观结构在影响局部材料属性的各
部件中各不相同。因此，仿真注塑成型塑料部件的结构响应，具有很高的产业价值。
纤维强化塑料工作流程在纤维强化塑料中，纤维的几何形状、体积（或质量）分数、热机械属性、取向分布以及聚合物基体的热机械

属性都会对复合材料的机械性能和热性能产生巨大影响。因此，用于从微观层面的力学及物理学角度预测注塑成型
复合材料宏观行为的材料建模理念，正在变得日益重要。

Ansys的一个纤维强化塑料制品设计及开发工作流程示例，源于蒂森克虏伯普利斯坦汽车零部件有限公司（thyssenkrupp Presta AG），该公司用于伺服助力转向系统的注塑成型外壳，由短纤维强化玻璃纤维复合材料制成。

蒂森克虏伯普利斯坦汽车零部件有限公司位于列支敦士登，是汽车产业的一级OEM供应商，属于（是）德国蒂

森克虏伯集团蒂森克虏伯转向器业务部的管理公司。该
公司正在大力投资研发，以迎接正在彻底颠覆汽车行业的新趋势。其核心重点是底盘领域，尤其是电动转向及

线控转向系统。蒂森克虏伯普利斯坦汽车零部件有限公 图3：主要纤维方向用红色表示，使用注塑成型仿真
司使用Ansys Mechanical创建组件的3D数字孪生并对© 2021 ANSYS, INC.

输出中的取向张量映射至塑料外壳的网格几何结构Ansys Advantage

17聚焦交 通 ： 复 合 材 料其进行优化，为客户带来了极高的可靠性。10辆高档汽车中有9辆汽车的组件来自该公司，

全球大概有四分之一的汽车都采用了蒂森克虏伯普利斯坦汽车零部件有限公司的技术。
改用强化塑料转向器外壳

图4：各向异性和各向同性（简化）模型工况场景的总位移；

两种模型均使用相同的色带过去十年，转向器市场出现了一场技术变革，电动助力转向系统取代了液压助力转向系统。除齿轮组件外，转向器外壳也是负载最高的组件之一，这就是为什么它一般为铝制产

品。电动助力转向器的技术变革，再加上低成本高性能塑料的进一步发展，带来了大量全新的应用可能性。

蒂森克虏伯普利斯坦汽车零部件有限公司生产的伺服助力转向系统的外壳元件，最初为铝制产品，而在新设计

中其被一种形状类似的玻璃纤维强化高性能塑料制品元件所取代。该过程中涉及的挑战，包括如何开发塑料兼容型
设计以及如何同时满足OEM厂商规范及价格预期要求等。

伺服助力转向系统、塑料外壳及其在车辆中的位置如图1所示。转向支撑由位于转向柱上的助力装置提供。在转向装置的几个螺旋连接处的高应力区域使用金属嵌件。玻璃纤维强化塑料的特点是，对所有典型的发动机舱试剂
都有很强的耐受性。它具有良好的老化属性，韧性和拉伸弹性模量的变化都很小，可忽略不计。但与各向同性金属
不同，这种新材料不仅具有各向异性，而且还具有非匀称性，因此各向异性属性取决于微观结构，而微观结构则会
因注塑成型工艺而发生局部变化。因此，在相应的工作负载下，对外壳元件的应力分布进行仿真，对仿真工程师而
言，是一项真正的挑战。

多尺度模型助力应对仿真挑战传统上，多尺度技术在纤维强化塑料的力学行为建模中的应用有限，因为这种仿真需要大量内存和计算能力。

最近，Ansys Material Designer已为短纤维复合材料提供了一种计算需求较低的多尺度建模方法。对所有潜在
微观结构配置进行均质材料属性（存储在可变材料数据中）评估，与后续赋值塑料部件有限元表示（参见图2）不挂钩，后者在下游分析中，根据作为制造过程结果的、在部件局部呈现的给定微观结构（纤维取向张量）实现。这

种局部纤维取向状态可以从注塑仿真中导入，也可以从实验CT扫描数据中导入。在Material Designer中评估潜在微观结构时，可通过与应变率无关的唯象模型来捕获材料响应的非线性，该模型将取向相关的各向异性希尔屈服准14个内核解决方案时间
所用内存

结果文件大小各向异性

各向同性

则（Hill Yield Criterion）与非线性各向同性硬化法则相

334.3 GB

323.3 GB14.8 GB

17.8 GB这种可变材料响应作为所有潜在纤维取向的函数，随18小时28分钟 17小时34分钟

表1：各向异性模型（使用Ansys纤维强化塑料工作流程）与各向同性（简化）模型的性能比较
18Ansys Advantage

结合，两者都符合ISO 527标准的实验数据。

后可在Mechanical中通过注塑成型数据系统与在Ansys

Workbench中导入的本地纤维取向相结合。该界面允
许用户将基于文本的注塑成型仿真的取向数据文件导入
2021年 / 第2期

Ansys仿真环境中。注塑工艺数据经过分析、处理后，传输至下游Mechanical系统，在这里其将采用单元取向形
式应用，如图3所示。在将工艺映射在Ansys塑料外壳网格上的过程中，该团队考虑了主要纤维方向以及纤维取向张量的两个最大特征值。此外，还可考虑标称纤维体积分数的局部变化以及存在的注塑应力，但在这个例子里没有涉及。

无需增加仿真时间，便可提高精度将转向器外壳精确建模为各向异性并考虑局部纤维取向的仿真，将简化等效各向同性材料模型应用于外壳的仿真进行了比较，从而忽略了已有的增强纤维局部取向。对于等效各向同性材料，材料属性就是纤维具有完全随机取向的属性。这是一种极为通用的工程方法，通常在没有专用工作流程（如Ansys中提供的工作流程）的情况下使用，
在这里用于更精确的各向异性材料模型之中。

如表1所示，为短纤维强化塑料使用更精确

的工作流程，在求解时间、所需内存或Ansys

所需结果文件大小方面，不会明显增加仿真的计算负担。然而，简化的各向同性模型表现得过于保守（图4），与各向异性模型显示的位移值相比，预测的最大变形值高出50%。

图5包含了在相同几何结构中获得的有效应力结果图，但在外壳分析中考虑了两种不同类型的材料模型。显然，随着各向异性模型刚度的
提高，内部应力不仅在外壳内部趋于固定，而且还有更大的值，对外壳强度的影响也更大。

图5：各向异性和各向同性（简化）模型工况场景的有效应力分析。两种模型均使用相同的色带。应力模式在两个模型中是
不同的，特别是（在各向异性模型突出显示时）外壳底部的脉纹和其中一个接合点。请注意各向异性模型和各向同性模型间
关键位置的变化

与简化的各向同性模型相比，各向异性模型关

键位置（图中红色部分）的有效应力提高了
40%-50%。考虑弹塑性各向异性和局部纤维取向分布的非均匀性，会显著改变临界载荷材料点，结果显示，更精确
的模型能准确捕获物理实体，蒂森克虏伯普利斯坦汽车零部件有限公司进行的实验测试已经验证了这一点。

这些结果表明，使用短纤维强化塑料的工作流程，不仅可获得更真实的结果，而且还可防止在仿真载荷工况场景下严重低估转向器外壳的应力等级并防止高估转向系统中的变形，这些都可以通过更常见的简化工程方法实现。

更高精度的Ansys纤维强化塑料工作流程只会稍微增加一些这种复杂多尺度仿真的计算需求。Ansys软件不仅助力蒂森克虏伯普利斯坦汽车零部件有限公司实现了对原金属部件减重50%的目标，而且还帮助其评估了所有机械性能
和OEM厂商需求。

利用Ansys仿真技术，蒂森克虏伯普利斯坦汽车零部件有限公司在实际制造产品之前，就对塑料外壳的设计充满了信心。该公司的转向系统采用创新、轻量化塑料外壳，不仅为自身的生态及经济目标提供了支持，而且还能够助力其引领未来汽车市场转向系统的发展。

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Ansys Advantage

19聚焦交 通 / 材 料

本田汽车通过
材料数据库
提高开发工作效率
作者：《Ansys Advantage》杂志编辑室汽车行业在朝着更轻量化车身、混动和电动动力系统、更高级的驾驶辅助系统

（ADAS）和更豪华的内饰等方向转变，其过程中会涉及全球工程工作流程的各
个环节，包括：• 新的制造方法• 开发高效、轻量化的发动机和电机• 减轻车身重量• 降噪有一个设计要素，在汽车开发相关的每一个工程学科都会涉及：

材料。汽车制造商正在积极研发新材料，为其品牌创造独特的差异化优势，并与供应商展开合作，确保做出最佳、最具可持续性的材料选择，因而创造
了大量可供追踪和管理的材料数据。

来源：本田汽车公司

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Ansys Advantage

2021年 / 第2期

材料分类及属性要求在本田汽车公司汽车运营部门工作的Tsuyoshi Ito深信材料的重要性，因此他开始构建自己的材料信息管

理系统。Ito是该公司Monozukuri中心汽车开发监督事业部材料开发部门动力装置材料科的副总工程师。后来，他建议公司购买Ansys Granta MI（材料信息管理软件）的许可证，以便集中管理每个人拥有的材料信息，并使用材料信息学将收集到的信息与统计方法相结合，从而在材料领域创造新的价值。
跨部门材料信息管理系统的重要性

自加入本田集团的研发部门以来，Ito一直致力于为发动机开发铝制结构部件，希望从材料的角度解决研发问题。在工作中，他使用计算机辅助工程（CAE）来开发相关方法，以预测热处理残余应力，并评估高周期疲劳强度
和测试各种材料。

随着Granta MI的引入，本田汽车公司已经建立起一个功能齐全的材料信息管理系统，从而使他们的材料信息更加完善。一方面，轻量化需求推动了更轻量化材料（如树脂和镁）在发动机和车身上的应用，另一方面，增材制造技术的相关
研究有助于开发具有非常规属性的新材料。同时，在汽车行业普

遍采用的基于模型的开发中，用于一维分析和碰撞分析的仿真
（CAE）需要更高级的材料模型。

此外，社会环境的变化也促进提高了材料管理的重要性。

在这个时代，来自不同国家、不同价值观的人们需要一起开展工
作，企业分享信息和专业技术的方式会直接转化为利润。在材料

开发中，以数据为导向的研究也需要得到重点关注，该研究不仅需
要实验、理论和仿真等方式，而且还涉及统计处理。

在实施Ansys Granta MI后，数据清理时间的变化为此，行业对跨类别的信息共享或与开发系统集成的需求有所增加。当Ito构建自己的数据库时，公司还没有综合全面的材料信息管理系统。材料数据由各部门或个人以无组织的方式进行收集。

Ito在说明如何从材料数据中挖掘价值时表示：“首先，集中管理分散的材料数据，以提高数据共享的效率。
然后，将其用于数据科学或数据工程，并最终使用材料信息学开发材料，以便我们创造新的价值。”© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage21聚焦 交 通 / 材 料

Ansys Granta MI解决了材料数据库创建难题汽车开发中使用的材料范围很广，因此Ito在构建材料信息管理系统时，将当前的数据问题分类为以下几大材料

组：金属材料、有机材料、功能材料和化学材料。所有的组都包含各种材料，每种材料都有不同的制造流程和不同的需求特性，且必须用专业技能进行处理。因此，每种特定的材料都需要分配给专人负责，导致材料数据的管理工作杂乱无章。此外，必要的材料数据也因人而异，这取决于设计、CAE和材料等不同的用户角色。
Ito列举了在材料信息管理系统的管理和运行中可能出现的以下四个问题：

1. 必须经常更改输入模板项，以支持每天更新的材料数据和制造技术。
2. 必须纠正由多人输入导致的数据表达不一致问题。

3. 必须设置层级来对需要添加或修改的大量材
料数据进行管理。

4. 必须输出数据，以支持数据的自由使用。

Ito的团队选择了Granta MI Enterprise解

决方案来解决这些问题。材料信息管理系统可自
动将添加或修改的输入项更新到输入模板中，无
需再次创建项。所有特定的数据项都支持输出和使用，也可以进行修改并导入回系统中，便于工程师轻松编辑大量数据或更改层级。

胶粘剂材料的属性预测结果

Ito表示：“我将Ansys Granta MI与其它类似的数据库软件在输入、显示、搜索、输出、管理和成本方面都进行了比较。其相对优势十分显著，还包括一些
额外功能，比如自动创建多个记录之间的链接和重叠多个记录中所包含的图形，因此我们最终选择了Granta MI。”
材料分析缩短了研发时间

自引入Granta MI以来，Ito在整个公司范围内推广材料信息管理系统的应用。首先，他将系统结构划分为多个

区域，不同角色的用户（如设计人员和设计专家）可以在其中存储其特定的数据。然后，他为这些区域添加了访问
控制并将其相互链接，以便所有用户都可以处理数据。为了便于访问权限管理，Ito创建了一个中间团队，使管理员
能够管理每个团队对数据库的用户访问权限。通过使用Granta MI，材料模型可用于仿真目的，这不仅提高了CAE的工作效率，而且减少了不同部门通常重复进行的材料测试。仿真模型的材料属性获取成本降低了大约40%。

此外，Granta MI还有一些用户友好的特性，可以防止输入数据的人员之间产生误解或表达不一致的情况，例

如在模板中显示每个项的描述，并添加从列表中选择数据的功能。这有助于提高数据的数量和质量，同时还能简化
数据输入。

需要解决的4个数据问题

1. 不断变化的材料数据和制造技术需要频繁更新输入模板字段。

2. 来自不同团队和专业的众多人员会输入不一致的数据。

3. 没有数据层级来对需要添加/修改的大量材料数据进行管理。

4. 相关人员缺少数据可用性。

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Ansys Advantage

2021年 / 第2期

本田公司的材料优势

1. 将总数据清理时间减少80%，提高了运营效率。

2. 借助Ansys Granta MI，材料模型可用于仿真目的，这不仅提高了CAE的工作效率，

而且减少了不同部门通常重复进行的材料测试。仿真模型的材料属性获取成本降低了

大约40%。

3. 与传统的试错法相比，原型材料与测试的数量减少了50%，从而缩短了研发时间。

4. 促进内部使用具有标准物理属性值的设计研究，以确保更高的设计质量和减少开发返工。
井井有条的材料信息管理系统让该公司能够研究不同案例，从而使用材料信息学创造新的价值。与传统的试错法材料开发不同，材料信息学是一种将材料数据与机器学习相结合的高效率材料开发方法。材
料信息学中最重要的是数据的数量和质量。然而，数据的收集、转换和梳理（数据清理）通常需要很多工时，这是机器学习中的一个严重问题。

本田汽车公司仔细研究了在材料开发中使用材料信息学来设计配方的效果。一般来说，材料的属性

变化取决于无限的配方，所以必须创建并测试很多原型以实现目标属性。因此，该公司将材料信息管理系
统中存储的材料的配方信息、测试结果和属性信息输出，并将其输入用于机器学习。机器学习算法可以机械地计算未知配方中的属性，缩小配方备选方案的范围，以获得目标属性。

结果表明，由于所选材料属性的预测值和实际值之间只有很小的误差，因此该预测非常准确。与传统的试错式开发方法相比，机器学习方法已被证明可以将原型材料和测试的数量减少约一半。

根据这些结果，本田汽车公司决定通过确保材料

专家收集的大量材料数据的安全性、加强材料信息管

通过Ansys Granta MI，材料属性测量成本降低了
大约40%

理系统和增加数据库用户数量等措施，利用材料信息学来提升材料开发工作。此外，该公司还计划向设计人员和分析人员积极发布数据，并将数据库与产品生命周期管理（PLM）等开发环境集成在一起，以便将
其用作研发平台。

Ito指出：“为了在公司运行材料信息管理系统，很重要的一点是，首先要选择适合使用目的、工具
覆盖范围和企业文化的材料数据库工具。然后还需要设计数据库结构，并根据用户的专业和角色等考量因素进行访问控制，以及开展各种宣传活动。在材料开发的利用率方面，将数据系统地存储到材料信息管理
系统，能够显著减少数据清理时间，从而有更多机会使用材料信息学。”

参考资料
Honda R&D Technical Review, Vol. 32 No. 2, “Materials Database for Efficient Development
Using Materials Informatics,” Tsuyoshi Ito, Tatsuko Ishii, Akira Honda, Nao Sugimoto,
Yoichi Toyooka, Itsuru Furusawa© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage23聚焦 交 通 / 交 通 运输 即 服 务

Triggo汽车在行驶过程中仅需一秒钟即可TRIGGO电动车，
向交通运输
即服务转型

作者：《Ansys Advantage》杂志编辑室从巡航模式（左）转为机动模式（右）没有人喜欢交通拥堵，也没有人喜欢找停车位。如果再也没有这些耗时的事情，那将会怎样？让我们来了解一下
Triggo，它是一款可以根据驾驶需求改变其底盘几何结构的变形电动车。

这款车是由Triggo的专业汽车及航空工程师团队从0进行开发的。Triggo是一家波兰小型初创公司，自2015年成立以来，员工数量已增加600%。在Ansys初创企业计划的帮助下，该公司将在2021年初部署了其首批
预生产原型，然后再全面投入生产。

Triggo致力于充分把握交通运输即服务（MaaS）变革的机遇，预计到2025年，此次变革将在全球范围内创造近1,000亿美元的收入。Triggo构建了线控转向系统。未来，Triggo将通过客户的
手机App直接召唤，让车辆自动驶向客户希望的上车地点然后前往目的地。

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Ansys Advantage

2021年 / 第2期

拓扑优化分析了解了实现预期刚度和耐用性所需的必要可伸缩的车轮设计
Triggo在巡航模式下速度可达90公里/小时（56英里/小时），其自适应可折叠前悬挂可延伸至148厘米（39英寸），但在交通拥堵时，真的会有奇迹出现！当修改，减少了每个组件的整体质量和重量，最大限度提高了电池能源效率并强调了所有制造工艺的限制。

“Ansys初创企业计划为我们的工程团队提供了极

切换至机动模式，驾驶员可将车轮收进车身，这样，车

大的帮助，让我们有机会以极低的价格获得市场上最好因此可在车间快速穿梭，轻松通过交通拥堵区。

队的资源极其有限，”Triggo公共关系负责人Adam

体的最大宽度变为仅86厘米（比许多摩托车宽度都窄），由于Triggo车身很窄，只需传统停车位宽度的五分

之一，驾驶员几乎可在任何地方停车。

的CAE，特别是在开发的早期阶段，因为这时候我们团

Kuty owski指出，“这不仅帮助团队为Triggo的设计
限制实现了可视化，而且还让我们实现了快速开发全新解决方案，从根本上提高了汽车性能。”

在运行数值仿真后，工程师可通过Ansys Viewer仿真助力应对设计挑战
Ansys初创企业计划帮助Triggo的工程团队攻克了
几项重要挑战，包括在短短一秒钟内，将车辆从巡航模式转换为机动模式时的车辆运动可视化。例如，

查看结果。

“没有Ansys初创企业计划，根本无法想象可以构建出Triggo汽车，我们的工程师很早就与Ansys建立了合
作关系。事实上，我们许多工其车轮折叠时，减震器和程师最近都取得了华沙理工弹簧处于不同的位置，质量

大学（Warsaw University会扩散至不同的地方，这会带来完全of Technology）的Ansys

不同的驾驶体验。此外，仿真解决方案培训结业证，”Ansys技术还帮助Triggo

Kuty owski表示，“在开始开发

团队创建了车辆的钢框

Triggo汽车时，我们的工程师就知架，对钢框架进行拓扑优化后，不仅使其有了很高的抗扭
刚度，同时还使其保持了很低Ansys Mechanical帮助Triggo工程师执行系统
刚度分析，使他们能够测量组件的耐用性

的整体质量，而这是电动汽车增加每次充电行驶里程的关键参数。

“在Ansys初创企业计划的帮助下，我们不仅利用

Ansys Mechanical精确评估了框架的耐用性，而且还获得整个车辆的整体视图，确保了每个组件都能无缝协同工作，”Triggo CEA工程师Micha Kowalewski表示。
充分利用Ansys初创企业计划带来的技术
Triggo工程师利用Ansys Workbench上的多个Mechanical模型，进行了静态结构分析、线性屈曲分

本高昂原型的需求。”

道，Ansys技术不仅将有助于
设计高度可靠的安全汽车，而且还将显著降低创建大量成

Triggo的主要目标之一是达到欧洲新车评价规程（NCAP）的高安全标准。在测试之前，Ansys Mechanical在帮助工程师执行
数值分析以及合理设计车辆复合材料车身
方面发挥了关键作用，使其能够满足严
格的NCAP翻车安全要求。

M E S c o是 A n s y s 在 波 兰 的 精

英渠道合作伙伴，在该项目中为
Triggo提供支持和服务。

析以及线性及非线性动力学分析。此外，工程师还使用© 2021 ANSYS, INC.

25
AnsysAdvantage
Advantage I 25
Ansys聚焦 交 通 / 航 行

大航海时代：
打破帆船运动世界记录

作者：《Ansys Advantage》杂志编辑室目

前121公里/小时（75英里/小时）的世界帆船运动纪录是于2012年被创造的，但瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）一个由学生和早期职业工程师组成的40人团

队，正在努力打破这一长期保持的帆船运动记录。

他们设计了自己的帆船，命名为SP80，他们希望它成为世界上最快的一艘帆船。其目标是在世界航行速度纪录委员会（WSSRC）2022赛季的单程500米（三分之一英里）

比赛中，达到80海浬（93英里/每小时，即150公里/每小时）的平均速度，从而创造历史

新记录。

SP80航行的速度预计将达到风速的2-3倍，因此，其外观与常规帆船完全不同，也就不足为奇了。其性能表现也与常规帆船不同。

SP80的推进力不是源于常规风帆，它配备了风筝冲浪翼。风筝冲浪翼不仅可增加发电量，同时还可帮助帆船
在高速下保持稳定。此外，SP80还有通风水翼。通风水

翼是一种可将船体钩在水中，以防帆船完全升起的翼状附件，工程团队在Ansys Fluent中对其进行了仿真、优化和验证。水翼是SP80中唯一实际没入水中的部件。
26

Ansys Advantage优化水翼设计，实现高速度

据2018年与Xavier Lepercq及风筝冲浪手Benoit

Gaudiot共同创立该项目的Mayeul van den Broek介绍，鉴于其目的是刷新速度记录，显然需要使用风筝冲浪翼。面临这一设计难题，该团队花了一年多时间来研究不
同的帆船配置。他们的大部分工作都以优化流体动力学为中心，以确保在最高速度下，船和水翼总是会与水接触，不会让船飞到空中去。

2021年 / 第2期

首先，该团队必须了解空化作用对水翼升力面的影响。在水翼周围的压力随船速增加而迅速下降时，会产
生空化作用，从而产生气泡，导致水翼顶部出现充满水
蒸汽的小空洞。

蒸汽气泡会引起不稳定、气流和振动，阻碍加速。

空化作用对于常规水滴形水翼翼型而言是一个问题，但它可以通过三角形通风配置得到控制甚至被消除。

然而，通风水翼的应用并不广泛，近年来对它的研究也很少。为了确定新一代水翼SP80的最佳形状，该

团队结合了实验测试和数值测试。Gaudiot未来将驾驶
SP80尝试创造新纪录，他首先进行了行驶，以很高的
速度验证了水翼船的概念。

他表示：“在高速航行时，我有绝对的稳定感。我们很轻松地就达到了40节以上的速度，无需努力加速，
也无需停留在滑板上。”

这时候，该团队已经测试了20多种不同的水翼翼型，并开始在Fluent中通过空化水筒和数值仿真对其进
行优化。CADFEM是一家为基于仿真的工程提供服务
的领先供应商，也是Ansys的渠道合作伙伴，在整个仿真过程中，CADFEM为这些学生和工程师提供了咨询
©Guillaume Fischer

服务。

为了避免对水翼和自由表面之间的相互作用，需进行建模（这一建模过程可能非常复杂），研究开始采
用2D形式进行。该团队随后不仅精炼了所有求解器参数，并且与实验数据进行验证，随后进行3D模型仿真。

使用Fluent，他们可以快速完成成百上千次仿真。从

Fluent中获得的结果会被馈送至神经网络，因此，不仅

可预测任何形式水翼的性能，而且还可运行优化算法，
最终生成SP80的最佳形状。
拓展思维，提高速度

EPFL团队已经测试了SP80的缩尺原型设计。这艘

极为现代的独特帆船已经开始建造。

Gaudiot表示，Fluent帮助该团队对大量设计进

行了虚拟测试并探索了他们可能没有想到的外形。该团
队确认性能提升了近50%，可带来更高的效率以及更快的速度。
©Guillaume Fischer© 2021 ANSYS, INC.

他讲道：“在研发新产品时，我们需要预测并了解

其性能，而仿真是我们的最佳途径。”

Ansys Advantage

27极速仿真：从磁悬浮列车到Hyperloop超级高铁聚焦 交 通 / 电 磁虽

然在疫情期间，人们的旅行次数锐减，但它仍然是现代生活中不可缺少的组成部分。从A点到B点的交通，无论是快速的环城之行，还是横跨大陆的长途旅行，当今的旅行体验可能都十分复杂，而且需要消耗大量能源。由于面临着日益增加的降低排放的压力，企业的当务之急是了解如何使新的交通技术尽可能实现环保，同时提高行驶速度并保持安全性。

在引领技术变革的浪潮中，波兰初创公司Nevomo是其中的弄潮儿。Nevomo的创

始人是2017年SpaceX Hyperloop Pod大赛的决赛选手，该公司目前正在开发基于磁悬浮（称为magrail）、直线电机和自动控制系统的新一代高速铁

路。灵感来自Hyperloop的magrail列车，将在经过升级能够适应高速行驶的现有铁路轨道上运行，无需建设新的基础设施。

HYPERLOOP技术充分满足速度需求与传统列车最显著的区别在于，Hyperloop并不需要依靠车轮运行。相反，这些车厢⸺被称为podcar或个人快速交通

工具（personal rapid transit, PRT）⸺可漂浮在类似于空气滑板的物体

上，使用被动磁悬浮技术来减少摩擦。其最终速度高达1200公里/小时（745英里/小时），因此magrail列车比飞机行驶得更快。更难得的是，由于magrail列车将依靠电力运行，所以它们的碳排放可谓是微不足道。
28

Ansys Advantage

用于Nevomo演示交通工具悬浮系
统的永磁立方体

2021年
2021年/ /第2期
第2期

Nevomo正在分三个阶段推出该系统。他们承诺在用于Nevomo演示交通工具

每一个新阶段都能实现高于前一阶段的速度：悬浮系统的永磁装配体

1. 被动磁悬浮列车（或magrail）将在升级后
的现有铁路线上运行，速度可高达550公里/

小时（340英里/小时）。这一速度大约是在传统铁路线上运行的普通列车的两倍，与高速

列车的速度不相上下。

2. 外层添加特殊真空罩后，应用magrail技术的列车将转变为最高速度可达600公里/小时（373英里/小时）的超级列车。

3. Hyperloop，将在专用轨道上运行，行驶速度高达1200公里/小时（745英里/小时）。

仿真可提高MAGRAIL的制动性能

世界各地的企业都在竞相研发Hyperloop交通工具。面对如此激烈的竞争以及如此标新立异的项目，要想率先进入市场，企业需要为复杂的问题找到令人满意的解决

方案，并能够高效地执行。

通过在早期设计阶段使用Ansys仿真，Nevomo工程师能够快速了解被动磁悬浮、电磁制动器和直线电机在各种条件下的工作原理。最终，仿真帮助Nevomo避免了错误，并在更短的时间内实现了许多设计里程碑。

例如，通过仿真magrail的电磁制动器，工程师可以减少计算时间和支持验证多种设计变化，从而改进了开发流程。

电磁制动器需基于NdFeB（钕-铁-硼、或“neo”）永磁体，后者是一种可以满足高密度能量要求的稀土磁铁。为了优化磁场强度，Nevomo仿真了各种磁体阵列和磁化方向。此外，工程师还使用Ansys的分

布式求解选项（DSO）和高性能计算（HPC）技术来缩短数百次3D仿真的求解时间。
率先抵达未来Nevomo目前在magrail技术方面的工作，还包括设计用于非接触式推进的永磁直线电机。仿真有助于减少

物理原型的数量，节省资金和时间。因此，该公司还计划使用Ansys软件来分析天线设计和优化印刷电路板的电磁辐射屏蔽。

研发改变生活的技术离不开独特的方法和可靠的工具。借助计算机仿真，Nevomo正在引领Hyperloop创造发

明的浪潮，并更快速地抵达未来世界。

Ansys在波兰的渠道合作伙伴Symkom为Nevomo提供服务和支持。Symkom可为客户提供流体、结构、电磁和耦合分析等领域的计算机辅助工程（CAE）解决方案。

永磁悬浮系统

仿真的时间步长
显示了磁通线和
电流密度图

202 ANSYS, INC.
© 2021

Ansys Advantage29仿真助力Hyperloop超级高铁聚焦 交 通 / EM 和 C F DZeleros超级高铁设计渲染016年1月，SpaceX在德克萨斯州举办了第一届超级高铁设计周末赛2（Hyperloop Design Weekend Competition），一个由西班牙瓦伦西亚

理工大学（UPV）的5名学生组成的、自称“UPV超级高铁”的团队，赢得了

最佳整体概念设计奖和最佳推进系统奖。

它们的理念是利用磁悬浮让其超级高铁列车在管道中无摩擦行驶，推进系统是列车前面

吸入空气的涡扇，因此不会产生阻力。UPV超级高铁是Ansys赞助的学生团队，在设计这款

原型时，他们得到了Ansys Maxwell和Ansys Fluent软件的帮助。

2016年晚些时候，该团队的一些成员成立了Zeleros公司，这家公司决心赢得将首套商用超级高铁系统推向市场的比赛。超级高铁旨在通过高速交通运输系统解决方案将城市连接起来，该解决方案中，高铁由在金属管道中高速运行的客货吊舱组成，其速度堪比飞机。
成立Zeleros公司时，该大学的Ansys许可证负责人告诉该团队，他们现在有资质加入Ansys初创

公司计划，获得成本更低的软件。Zeleros开始充分利

用该计划的优势，使用Maxwell设计磁悬浮系统，使用
Fluent研究通过涡扇以及列车管道系统其余部分的气流。
“西班牙很难找到种子基金，公司基本上必须在‘荒漠期’存活三年并取得进展，证明自己的信誉，”Zeleros联合创

始人、首席技术官Daniel Orient指出，“一开始，我们很难筹到
30

Ansys Advantage

线性机的瞬态电磁仿真
2021年 / 第2期

发工资及购买笔记本电脑的资金。幸运的是，Zeleros通过公募及私募方

式成功挺过了这些年。得益于Ansys初创公司计划，我们才能利用符合自身预算的仿真方案，在不需要外包仿真工程的情况下，度过这段艰苦的
岁月。”

超级高铁的独特方案

Orient将Zeleros应对超级高铁挑战的方法描述为“设计一架没有机

翼、在管道中飞行的飞机”。他们是在超级高铁比赛中，唯一一家将其所
有技术都用于超级高铁的公司，这些技术有用于悬浮的电磁铁以及用于产

Ansys Fluent涡扇

生推力的涡扇等。这种方法将使基础设施（超级高铁管道）的建设成本更低、更容易维发动机空气动力
学分析

护。而其他公司将推进设备布置在管道中，而非车内。

此外，Zeleros还选择让管内的压力，等于飞机在大约15公里高空飞行时的外部压力。

其它公司的设计让管道处于较低压力下，从理论上讲，这可消除所有阻力，因为不涉及空气。

但考虑到最终认证，Zeleros选择了这个中间压力。“通过选择考虑飞机所承受的压力，我们知道，这其实已经为其设计和认证提供了解决方案和标准”，Orient表示。
仿真磁悬浮及涡扇气流在他们的无翼飞行器设计中，磁悬浮取代机翼，为吊舱提供其通过管道所需的升力。它的结构很

紧密，就像发动机里的活塞一样。将位于列车顶部的永磁体和电磁铁相结合，可控制列车顶部和管壁之间的距离。Zeleros工程师通过电磁铁和间隙传感器控制永磁体和车顶之间的距离，间隙传感器会在闭环

控制系统中不断测量这一距离。

Orient表示：“我们使用Maxwell对这一过程进行仿真。这是一个不稳定的系统，如果环路中的一切

都不受控制，永磁体可能会掉下来，也可能会飞向车顶。”而使用Maxwell，他们不仅可改变间隙距离以及流经电磁铁的电流，而且还可测量电磁力。然后，他们可在小型测试模型上进行试验运行，以检查Maxwell的结果。

Orient道：“这种仿真很容易在磁性侧进行，因为方程很详尽，而且结果与实验数据也非常匹配。所获得的结果非常真实。”

据Orient介绍，系统的流体动力学更难建模，因为设置列车的质量和边界条件，会增加更多变量。“我们主要的空气动力学问题是：为了降低成本，我们提供的列车的直径与管
道的直径差不多，但这会使空气无法在列车周围流动，因为没
有空间，”Orient表示。Zeleros团队使用Fluent建模这款复杂的系统，列车前部提供由电机驱动的涡扇，吸入空气，
以减少阻力。空气从列车尾部排出。“该过程会产生少量我们需要的推力，让列车按预期的速度运行。”他表示。
对快速绿色出行的承诺整个系统为电动，因此该超级高铁不会产生任何污染物。此外，快速地面交通出行

方式还可减少机场交通拥堵，因为除2020年因新冠疫情出行锐降外，乘飞机的人每年

Zeleros超级高铁设计
方案在列车前部使用
涡扇，减少阻力都在递增。Zeleros预计，运行系统将在2027年推出。认证可能还需要两三年，因此其目标是在2030年正式进行商业发布。第一个在该领域获得成功的团队，可能会对超级高铁管道本身的设计产生重大影响。

Orient讲道：“在超级高铁越来越引人注目的今天，我们正在努力证明：我们的概念不仅可行，而且成本还很

低，完全可以建造。这是一场不同的公司使用不同的解决方案研究相同概念的比赛，而Ansys软件在这场比赛中为我们
提供了有力帮助。”©22021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage31聚焦 交 通 / 自 动 驾 驶 技 术

交通系统
智能化
智能交通系统（ITS）现今已经实现通过收集和共享交通及公共交通数据，帮助缓解交通拥堵问题，提高公共交通效率并管理基础设施的使用。在不久的将来，智能交通系统有望成为智能城市
的重要组成部分，帮助人们召唤自动驾驶汽车，并高效、安全地送到目的地。智能交通系统和自
动驾驶汽车有望结合在一起，可提高安全性，降低网络安全风险并减少交通流量，并且有助于改善环境。为了实现这一愿景，智能交通系统必须通过各种条件下严密的仿真来验证基础设施的互动以及车辆传感器的性能。

32

Ansys Advantage

2021年 / 第2期

“我们决定在该项目中使用Ansys软件解决方案，因为该解决方案有几项极为重要的优势。首先，莫”Ansys显然是该领域全球领导者之一。

斯科国立汽车公路大学（MADI）组织与交通安全系是俄罗斯

最早研究智能交通系统的机构之一。该研究始于一个涉及俄罗
斯联邦交通部、MADI、俄罗斯汽车保险协会（RAMI）以及

United Telecom的联合项目。他们对国内外的交通执法摄像头

进行了研究，因此推动了《俄罗斯联邦行政违规法典》以及其它法规的修订。

之后，出现了现代自动交通控制系统，2010年MADI有了自己的智能交通系统

测试场。2014年，MADI专家研发出俄罗斯协同式智能交通系统（C-ITS），

让驾驶员了解潜在的道路问题。此外，他们还在测试场测试了车与车（V2V）、

车与基础设施（V2I）以及基础设施与车（2V）的通信方式。现在，他们引入
了仿真技术来推动其测试。

自动驾驶汽车从第三车道变道到第二车道，与一辆从第一车道变道到第二车道的汽车擦肩而过的场景。
数字道路模型行驶模块监控其位置附近的车道，确保安全行驶

智能基础设施支持自动驾驶汽车

据MADI专家介绍，发展安全无人操纵交通系统，不仅需要合适的车辆，

而且还需要合适的道路基础设施。为此，MADI引入了数字道路模型概念，这
一概念与经典协作式智能交通系统相结合，有助于确保交通安全，提高高度自动驾驶汽车的效率。

此外，在安全优质高速路项目的推动下，俄罗斯无人驾驶汽车的基础设施项目也在逐步推进。这一国家项目的目标是改善现有道路的状况，扩大智能交通系统实施范围，其中包括制定实施无人驾驶汽车的政策文件。MADI正在该项目框架内，为其数字道路模型制定国家标准和法规，其中包括为高度自动单行道通过路口场景。交通锥让
道路变得狭窄。车辆必须越过单行道边线，驶过反向车辆驾驶汽车行驶提供支持的数字基础设施需求，以及通过激光雷达和神经网络算
法提高高度自动驾驶汽车导航效率的数据需求，等等。数字道路模型将使用这
些数据来识别道路标记和标志。未来，该模型还将扩展，帮助无人驾驶汽车导航，提供限速数据，并根据交通负荷绘制最佳路线图。该项目计划于2025年至2030年在联邦大道上实施。
仿真基础设施项目
MADI正在与其合作伙伴FAO ROSDORNII（俄罗斯道路研究所）携手，共同开发基础设施项目，这些项目是数字道路模型研发的重要组成部分。另一

个项目与为高度自动驾驶汽车提供更多信息有关，其中包括为MADI智慧道路

测试场开发原型数字模型。大学专家使用Ansys AVxcelerate驾驶仿真器© 2021 ANSYS, INC.

绕过对面行车道上的静止障碍物。
无人驾驶汽车必须绕过逆向车道行
车道上的整体障碍物

Ansys Advantage33聚焦 交 通 / 自 动 驾 驶 技 术

MADI智能道路测试场的全视图，无人驾驶汽车在这里测试软件研发一款多边形模型，该模型包含的参数与实际道路参数相同，虚拟道
路上配有交通标识和道路标记。虚拟红绿灯的建立可帮助速度建议功能的研
发，此功能可以帮助车辆调整速度，顺利通过绿灯。这不仅可提高红绿灯的吞吐量，节省时间，同时还可降低出现交通事故及拥堵的风险。

该项目的一项主要任务是建立高度自动驾驶汽车在正常及异常情况下行驶的各种场景，如道路施工、恶劣天气以及技术故障或驾驶员突发疾病等紧急情况。另一项任务是研发后台场景，为高度自动驾驶汽车的驾驶员提供支持。

MADI专家在一项研究中应用了测试场景模型，该研究目的是检测数字
道路模型所需的动态物体时确定精确度，这样将该信息传输给无人驾驶汽车以高效用于其控制环路。他们在7种场景中进行了测验，这些虚拟场景都是会
让高度自动驾驶汽车的视觉传感器无法获得所有所需的信息并可能因而酿成
交通事故的测试场景。

部分实验是在Ansys AVxcelerate虚拟环境中进行的，其中包括这样一种场景：一辆无人驾驶汽车（在某些场景中是两辆）视线遮挡无法“看到”部分道路，于是需要构建这部分道路信息。此时，由于信息缺失，就可能导
致危害行人自行车等其他动态物体的安全。数字道路模型必须获得其它来源
的信息，才能发现动态物体并将其数据传输给高度自动驾驶汽车。此外，该实验还可确定数字道路模型所需的精确度，以确定物体轨迹，避免发生交通事故。

MADI专家使用Ansys仿真建立交通事故场景。交通事故包含大量必须
考虑的因素，因此场景可能非常复杂。工程师需要创造条件，使两辆车只能在发生碰撞前的一瞬间看到对方。通过仿真创造这些条件，可大幅减少实际道路测试的次数。使用Ansys AVxcelerate，工程师完成其分析所需的时间可节约大约20%。
34

Ansys Advantage

2021年 / 第2期

“Ansys AVxcelerate是一款极为先进的产品，
用户不仅可在单个系统中解决大部分项目难题，”而且出现新问题时，也无需转用其它解决方案。

MADI组织与交通安全系副系主任兼MADI智能交通系统技术中心副主任
Andrey Vorobyov表示：“我们决定在该项目中使用Ansys软件解决方案，因为该解决方案有几项极为重要的优势。首先，Ansys显然是该领域全球领导者之一。其次，他们在俄罗斯拥有CADFEM CIS团队提供的高质量技术支持，这在
使用复杂产品时极为重要。最后，Ansys AVxcelerate是一款极为先进的产品，

用户不仅可在单个系统中解决大部分项目难题，而且出现新问题时，也无需转用其它解决方案。当然，这可帮助您节省大量时间、金钱以及其它资源，其中包括培训所需的资源。”

此外，AVxcelerate还可用于初始假设测试，清除那些不成立的假设⸺每个实验场景考虑三种假设，并从中选择最佳选项。
虚拟测试无人驾驶汽车

在无人驾驶汽车发布之前，MADI采用AVxcelerate研发的虚拟试验场测试

车辆基本功能。

这个项目主要基于Parkon（一款巡查莫斯科停车位管理系统的汽车）。它

不仅可自动记录在其预先确定的路线上停放的车辆的车牌号码，而且还能发现违反停车规定的行为。为打造出无人驾驶的Parkon，团队让一辆可自动驾驶的轿车在公共道路上行驶。该项目由MADI合作伙伴莫斯科城市交通研究设计院与RosdorNII合作实施。此外，Mostransproekt还创建了调度系统，其不仅有助于确定车辆的位置，而且还有助于评估其工作情况，包括发现的违规停车次数以及开出的罚单数量等。

MADI使用Ansys AVxcelerate为Parkon系统解决各种场景问题。这些研
究结果将成为今春Parkon软件更新的基础。该软件的第一个版本在车辆行驶过
程中对障碍物的反应相当敏锐。一方面，这提供了达到必要等级的道路安全性，
但另一方面，它还不能满足高级驾驶舒适度要求。AVxcelerate让专家能够对各种障碍响应算法进行仿真，并在符合安全要求的同时，为驾驶员找到最舒适的选项。

在仿真固有优势的帮助下，MADI的虚拟培训场将不断快速发展。该大学将继续与私营企业及公共单位合作，开创更安全、更清洁、更便捷的交通系统，将自动驾驶汽车与智能基础设施进行完美结合。

© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage

35电池组 / 数字孪生Kärcher借助
Ansys Twin Builder
提升清洁效率好的出发点是从创造性思维到实际产品这个旅程中重要的基石。许多可能性一开始看起来很有希望，但永远

不会成为进入市场的产品。在产品设计、构思和迭代阶段，仿真有助于以更少的时间、工作量和成本来通往“未来”之路。如果在产品整体应用仿真，企业能够高效地为消费者提供锐
意创新、设计精良的产品。

通过结合使用Ansys Twin

Builder的Modelica功能与Ansys Fluent，Kärcher设计团队获得了以前无法
实现的全产品的整体视
图，在本例中，则是一台电动的地板清洁器

36

Ansys Advantage

2021年 / 第2期

“ 借助TWIN BUILDER，”KÄRCHER完成了在以前无法实现的
大小和规模的产品系统级仿真。

德国高压清洗等设备制造商KÄRCHER以创新闻名于世。他们的开创性产品

包括第一台现代压力清洗机、第一台窗户真空吸尘器和第一台全自动真空机器人。

在Kärcher，仿真有助于促成其产品的实现⸺端到端流程可确保产品满足性能和质量目标。无论是开发新产品还是增强现有设备，仿真都能使产品团队步入正轨，
同时在早期开发阶段就生成、选择、实施和验证更好、更可行的想法。

该流程的一个重要环节是，工程师在虚拟环境中比较概念和了解权衡因素。

这包括了解组件更改如何对其它组件、甚至整个系统产生影响。但是，这通常
不能单独通过传统的有限元分析（FEA）或计算流体动力学（CFD）软件来确定相关影响，至少没有足够多的计算时间或成本来实现。

为了克服这一障碍，Kärcher工程师使用

Ansys Twin Builder作为数字工程工作流程的基础，在优化一款新设备和两款现有产品（真空清洁器和电池供电的地板清洁器）期间，帮助实现

快速、准确的概念比较。Twin Builder是一款数

字孪生平台，它将多域系统建模器的功能与大量的
0D专用库、3D物理求解器和降阶模型（ROM）功能
充分结合。Ansys Twin Builder通过使全设备仿真变得切实可行，增强了数字工程的可能性。通过结合使用Modelica功能与Ansys Fluent，Kärcher设计团队获
得了以前无法实现的全产品整体视图，从而将计算时间从数天缩短到几分钟，并避仿真有助于实现更轻便、
更紧凑的电池组设计，

从而降低材料要求和成本

免了制作成本高昂的物理原型。

在短短几分钟而不是数天时间内深入了解整个系统从表面上看，电动清洁设备似乎很简单，它们处理的任务也很普通⸺拖脏地

板或用真空吸尘器吸走洒落的麦片⸺但实际上，它们是非常复杂的产品。仅流体
泵就有多个部件，包括曲轴、入口阀和出口阀、活塞、调节器和安全装置。除此之外，还加上其它组件⸺气泵、电子终端和控制装置、换热器、开关等机械部件，© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage37电池 组 / 数 字 孪 生“在TWIN BUILDER中仿真电池组
用时不到两分钟；而整个清洁设备
CFD的仿真需要4小时完成。

”

通常还有高密度电池组⸺这样我们很容易看出设计流程有多么复杂，以及在前端制定的正确决策如何能在未来实现更好的工程结果和更高的消费者满
意度。

甚至优化现有设备的性能也是一个艰苦的流程，这远远超出了进行多处调整的范围⸺特别是当出现新技术和消费者偏好发生改变时。工程师必须知道现有产品的工作原理，而不仅仅是转动旋钮来看看会发生什么。相反，

他们必须了解部件之间的相互作用，以及改变一个组件如何必须要改变其它组件。如果没有这些信息，工程师可能会重新推出一款产品，却发现没有任何改进。

在Kärcher开始使用Twin Builder之前，他们

利用传统的FEA或CFD软件单独对每个组件进行仿真。虽然这有助于工

程师了解部件在不同条件下的行为，但并不能提供关于整个系统的洞察。使用通过仿真不同电池在实际使用条
件下的电化学热流，Kärcher确

定了一种电池类型和电池外壳设计，从而将电池组中的电池数量减少20%单独的软件对整个设备进行建模虽然可行，但很耗时⸺计算可能需要长达三
天的时间，对于试图比较早期设计阶段概念的工程师来说，这会造成不必要的延误。然而，如果他们忽略了这一步，并没有仿真整个设备，Kärcher可能会冒着在发现潜在问题之前就将产品推向市场的风险，而这些问题可能会让工程师回到虚拟绘图阶段。

Twin Builder的多学科特性与Fluent相结合，可提供Kärcher所需的概
念验证检查。在真空吸尘器优化项目中，将Twin Builder添加到产品组合中，有助于将计算时间从数天缩短到几分钟。其结果准确性为单独使用FEA或CFD时的5%到6%之间，这对于产品构思阶段具有合适的裕度。
仿真更小型的电池组，以减轻重量和减少热量

作为Kärcher的其中一项产品优化重点工作，工程师需要为完善的地板

清洁器开发全新的电池组。Kärcher正在扩大他们在消费者市场的业务影响力，为了满足消费者对更轻便、更灵活的产品的偏好，工程师想要缩小70芯

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Ansys Advantage

2021年 / 第2期

电池组的尺寸。作为这项任务的一部分，他们试图整合一种新型电池，这种电池组可以用更少的电池数量产生与现有电池组相同的电量。

为了提高精度和速度，工程师分别在Twin Builder和Fluent中对可充电

电池组以及整个清洁设备进行了建模。通过将这两个软件结合使用，工程师可以从Twin Builder中提取关键的电池组特性，并提高计算效率。事实上，在Twin Builder中仿真电池组用时不到两分钟；而整个清洁设备的仿真需要四小时完成。

应对热积聚问题一直是电池组设计中的一大挑战。热应力电池会导致较长的加载时间和增加故障的风险，这在消费类产品中是尤其不被接受的，因为电池的使用寿命与客户满意度成正比。

通过仿真不同电池在实际使用条件

下的电化学热流，Kärcher确定了一种

电池类型和电池外壳设计，从而将电池组中的电池数量减少20%。这不仅可减少产热，而且还实现了更轻便、更紧凑的设计以及更低的材料要求和成本。
复制真实的工作条件

最后，Kärcher使用Twin Builder和Modelica仿真了整个电池组，这可以支持实现复杂系统的组件建模。此外，工程师还应

配备电池组的地板清洁器

用Fluent对整个清洁设备内部的气流进行仿真。这
些仿真的双向耦合为工程师提供了所需的更大灵

活性，以便考虑不同的电池或电池组外壳材料在

实际安装情况下的行为。由于如此详细的系统仿
真所涉及的计算极其复杂，仅凭使用CFD软件无
法成功。

借助Twin Builder，Kärcher完成了大小和规模都是以前无法实现的系统级仿真。

© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage

39电动传 动 系 统 / 流 程 集 成

让仿真技术普及推动电气化发展
作者：Pierre Millithaler，任职于舍弗勒集团GmbH & Co.
KG，从事电机仿真（FE）和
方法研究工作如果您在企业部署了一款可节省时间和资金的软件应用，但员工却认为
自身缺乏必要的专业知识而不愿使用它，您会怎么做？

随着技术日趋复杂，此类现象在世界各地的企业中屡见不鲜。例如，企业中往往只有某个部门或一两个专家深度掌握设计仿真软件，而说服其他人
使用新平台存在一定难度。即使是一些善于使用复杂软件的工程师和设计人
员也可能会推辞，宁愿只用他们最熟悉的技术。

其实，无需成为底层技术方面的权威人士，也能够利用仿真软件所提供的优势。这就是技术普及的意义所在：所有用户无需深入掌握相关知识就能正常使用软件。
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Ansys Advantage

2021年 / 第2期

在更短的时间内运行10倍的仿真分析舍弗勒集团为汽车行业设计先进的系统和组件，

涵盖电动汽车和混合动力汽车的传动系统。舍弗勒电
机工程方法和仿真团队致力于为其它部门提供支持，助力新工具部署，该部门最近的技术普及举措重点聚
焦于打造高效运算的工作流程，从而实现电机的多物理场、多目标设计优化。

具体而言，该团队将业界领先电机设计软件

Ansys Motor-CAD与Ansys optiSLang（流程集成和变量分析平台）进行耦合，进而形成了一种易用
型、基于工作周期的优化方法，以帮助产品设计人员
判断电机的行为和实际条件下特定几何参数的关系。

如今，舍弗勒的设计人员和工程师在整个企业范围内改进了电机从设计到

验证的整体工作流程，减少了对成本高昂的物理原型的依赖。元模型可大幅增加优化迭代次数，与直接在有限元模型上执行仿真相比，时间缩短了数倍。在能源转型的时代，电气化举措正在兴起，对功能强大且低成本的电机的需求也
在增长，上述优势将使舍弗勒能够更快、更好地满足客户的需求。
克服软件普及障碍

舍弗勒正在助力塑造未来交通。他们的产品涉及到了数量惊人的流程峰值和连续扭矩速度要求效率图“舍弗勒集团为汽车行业设计先进的系统和组件，

涵盖电动汽车和混合动力汽车的转动系统。”

和应用领域：各类物理学、各种热态、机械工程和电气工程等。由于Ansys
Motor-CAD能够在整个扭矩工作范围内生成多物理场仿真，因此不难发现该软件如何适应舍弗勒工具套件。具体而言，它能够支持电磁学等专业领域的设循环工况效率仿真© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage41电动 传 动 系 统 / 流 程 集 成

计人员，他们无需掌握其它知识，即可绘制整个电机设计的电气行为和热行为性能图。

此外，舍弗勒仿真部门还开发了独立的工具和工作流

程，帮助数据采集团队快速执行计算并展示特定结果。他们还参与评估现有软件的潜力，并在企业内部推广这些软件。

几年前，他们就已经将注意力转向Ansys Motor-CAD。

经评估潜力并在企业内部推广使用以来，Motor-CAD在舍弗
勒内部的用户数量一直在增加。

Motor-CAD之所以能够在舍弗勒被高度采纳，一部分

展示两个几何结构参数与连续扭矩关系的可视化元模型

是得益于软件基于元模型的方法，该方法由舍弗勒仿真工程

师开发，将Ansys Motor-CAD和Ansys optiSLang相结合，让团队在早期设计阶段即可优化电驱动器内磁体的布局。磁体能够影响驱动器内的机械功
率，因此优化它们的体积、形状和其它变量具有两个目的。首先，磁体的成本极其高昂，使用符合性能要求的最小磁体有助于降低电机的整体成本。其次，
在特定的循环工况中，几何结构优化有助于最大限度地减少电气驱动器的转子
和定子中铁、磁体、AC或DC绕组的损耗。
评估100种不同的几何结构无论工程师选择哪种算法，优化的运行都涉及多次迭代，这可能需要耗费

大量的计算时间。单个有限元模型仿真通常耗时长达35分钟。

为了更快地生成结果，舍弗勒在Ansys optiSLang中计算元模型，并使用软件运行优化，这使他们能够在几分钟内运行数千次优化迭代。

舍弗勒共仿真了100种不同的几何结构，评估每个设计变量（包括磁体厚度）在每个工作点的影响。元模型还纳入了给定工作周期的总能量损耗，这是优化目标之一。利用Ansys Motor-CAD中内嵌的一套工作周期，舍弗勒的仿
真工程师还能够评估整个工作周期中的综合热损耗。
让客户满意，并自信地进行更多的创新

在前处理过程中，工程师的目标是定义轴扭矩和转子速度之间的关系，转子速度属于设计变量（输入值或参数），在不同工作周期、峰值运行或持续运

基于相同的优化工作流程，针对

相同的需求在不同的转子概念之间进行选择42

Ansys Advantage

行时会发生变化。

然后，舍弗勒使用Ansys Motor-CAD对定义工作点的扭矩变化进行建

模，以对应不同的输入参数（槽深度、磁体厚度和宽度、连接厚度、磁体阵列

角度、极弧）的变化。利用Ansys Motor-CAD中内嵌的一套工作周期，舍弗
2021年 / 第2期

勒的仿真工程师还能够评估综合损耗，包括整个工作
周期中热量形式的损耗。由于客户期望每个工作点至
少能实现特定的扭矩值，因此输入参数为优化器提供了约束。

在该环节中，舍弗勒仿真工程师分析了Ansys

optiSLang中输入和输出值之间的关系。由于仿真软件支持他们生成精度高于95%的元模型，舍弗勒确
信能够准确计算所需算法的所有优化样本，且无需在Ansys Motor-CAD中进行任何重复仿真分析。

仿真团队还验证了最佳的磁体设计，以满足性能要求，同时最大限度地减少总损耗和磁体体积。结果
表明，与初始设计相比，特定磁体尺寸组合使磁体体
积呈现出了23%的改进效果。

最终，舍弗勒的开发工作投入将直接转化为更高的客户满意度：当汽车

制造商要求优化特定的运行参数时，舍弗勒可以比以往更快地交付最具潜力

帕累托前沿、多重优化设计概念展示了电机成本和循环工况效率
之间的权衡

的概念。

电掣制胜开发创新

通过结合前置密集型方法，舍弗勒开发出一款高效灵活的工具，支持产品设计师和工程师对任何电机设计概念运用相同的优化工作流程，几分钟内

即可得出结果。因此，耗费50个小时使用FEA只能仿真100个样本的情况，已不复存在，现在利用基于元模型的优化，只要几分钟就能仿真10,000个
样本。

元模型还消除了采用新软件所带来的大量学习负担，这意味着它可以帮

助舍弗勒工程师和设计人员即时提高工作效率，紧跟汽车行业客户的步调。

不同优化设计概念的效率对比图© 2021 ANSYS, INC.

Ansys Advantage43电子 / 自动化设计分析

Sanden将模型
创建时间缩短85%
作者：Bruno Gaudin，Ansys高级应用工程师S

anden集团是一家总部位于日本的一级汽车空调压缩机供应商，在世界各地都设有分支机构。Sanden

集团成立了三个欧洲技术中心，其中一个是位于法国的Sanden Manufacturing Europe，其业务包括研发、设计和测试活动等。该公司自2008年成为Ansys的客户以来，一直在使

用Ansys Mechanical、Ansys Fluent、Ansys Maxwell、Ansys
Motor-CAD等软件。去年，Sanden Manufacturing Europe决定对Ansys Sherlock自动化设计分析软件开展测试，用于分析其电气
压缩机的印刷电路板（PCB）。

我们采访了CAE专家Arnaud Menon和Sanden

Manufacturing Europe的法国技术中心（TCF）主任Jérôme Le
Gal，以了解该公司在使用Sherlock方面的经验以及他们的未来计划。
ANSYS ADVANTAGE：你们如何使用SHERLOCK？

安装在电气压缩机外壳上的PCB装配体Sanden：对于每一代新型压缩机，我们都需要重新设计

PCB。因此，我们必须从零开始，但可以重复使用自己的经验。Sherlock使我们能够更快地实现鲁棒性设计，同时减少试错迭代。

我们分析了电气压缩机上的PCB。每台压缩机都有一块

PCB，但有时由于设计约束，我们不得不把它分成两个部分。我们对其进行仿真，并根据仿真结果要求设计人员解决仿真分析中可能发现的各种问题，例如调整PCB厚度、将组件直接连接到外壳、改变组件的位置等。我们试图将所有方面结合在一起：电子、机械（静态分析和振动分析）和热要求等。这部分工作极具挑战性。
44

Ansys Advantage

2021年 / 第2期

“仿真的数据设置和网格

ADVANTAGE：SHERLOCK的哪些特性让您

划分工作比我们以往的工作

选择了它？

流程要快得多。我们生成Sanden：主要是因为，它的数据库和疲劳

工具。在开始使用Sherlock之前，我们已经对测试设计草图的时间从一周缩短

与仿真之间的相关性进行了分析，但我们没有任何标

”

到了一天。

准可以判断组件是否会失效，所以只能进行比较分析。

现在，我们可以使用真正的标准开展更精确的分析。例如，Sherlock为我们指出了必须对其进行监控的三个最关

键的组件。

仿真的数据设置和网格划分工作比我们以往的工作流程

要快得多。我们生成设计草图的时间，从一周缩短到了一天。

此前，我们必须为每个组件重新创建材料，以便在良好的位置获

得正确的质量。但如今有了Sherlock，就简单多了。Sherlock还

能直接创建简单而优质的网格，这是我们之前使用计算机辅助设计（CAD）文件时无法做到的，那时候的情况更复杂。Sherlock还使我们能够测试更多的项目。

然而，我们还没有测试过热性能。现在，我们使用Fluent进行热测试。我们了解到可以进行不同的振动分析（谐波振动、功率谱密度（PSD）分析、

自然频率等）。

最后，直接读取ODB++文件使我们能够直接从ECAD系统访问CAD系统，避免使用软件将ECAD文件“转换”为CAD文件。另外，在Sherlock中直接对PCB进行可视化是一大优势，我们可以看到组件的层次、概要等。

ADVANTAGE：您能描述一下你们的产品设计和研发工作流程，以及如何将SHERLOCK

融入其中的吗？

Sanden：一开始，我们只是在流程后期阶段才使用该工具。我们在现有产品上使用
Sherlock来建立相关性，以进行测试，看这款工具是否值得信赖。我们有很多PCB可以进行测试，毫无疑问，验证结果非常成功。
现在，我们在研发流程早期

就开始使用它。目标是在生产PCB之前避免未来可能出现的各种问题。

得益于Sherlock，我们在上一个项目

中避免了对项目其余部分会造成困扰的两三个问题，并从与项目相关的频段中删

除了三种振动模式。

ADVANTAGE：SHERLOCK如何帮助你们解决产品设计和研发方面的挑战？

Sanden：它能帮助我们对PCB的有效性以© 2021 ANSYS, INC.

PCB的第一本征模式
Ansys Advantage4545电子 / 自 动 化 设 计 分 析应变仪振幅拟合测量结果（红色虚线）与仿真结果（蓝色实线）及如何进行调整做出正确的决策，甚至在制作第一个原型之前，就能通过改变参数来改进我们的产品，并找到解决方案。这样，项目迭代其实变得非常简单，例如对不同的场景进行仿真。

ADVANTAGE：您能举例说明SHERLOCK所带来的优势吗，比如节省时间
或成本？
Sanden：对于简单模型的创建，我们的用时从7天缩短到1天，模型
的质量也有所提高。

现在，我们有了标准。我们以后会对其进行优化，但首先还是会使用Sherlock标准，我们因此节省了时间。它使我们能够避免重新设计，同时对自己的结果更有信心，并且可以更快地做出决策。

有关Sanden Manufacturing Europe的更多信息，敬请访问sanden-europe.com。

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Ansys Advantage

2021年 / 第2期

气舒心宁：COV ID - 1 9 疫 情 防 控 措 施 / C F D

借助CFD战胜新冠病毒

作者：《Ansys Advantage》杂志编辑室在

COVID-19疫情期间，各国政府将通风不足的健身房定义为病毒传染的关键热点区域。剧烈运动会导致健身房用户不断呼出大量的唾液飞沫，从而产生可能充满病毒的呼吸物颗粒。随着整个污染性颗粒物浓度的提升，可能摄入病毒颗粒的健身房用户就面临着感染的巨大风险。健身房业主该如何更好地保护用户呢？除非该问题能够得到解决，否则许多政府将在疫情下继续推迟健身房的重新开放。

近期，荷兰卫生、福利和体育部指定的Sportinnovator率先开始解决该问题，其委托Bert Blocken博士和埃因霍温理工大学研究团队对通风和空气净化系统开展测试，研判此类技术能否充分减少危险浓度微观气溶胶飞沫颗粒的积聚和吸入。呼出气溶胶颗粒时，其通常会在毫秒到几秒内蒸发，之后留下携带病毒的固体核颗粒，这些颗粒可在空气中驻留数小时，这一现象对尺寸较小的气溶胶颗粒尤其显著。这些颗粒并非肉眼可见，只能使用最先进的计算流体动力学
（CFD）仿真技术来追踪。

采用Ansys Fluent对埃因霍温理工大学体育中心进行数字化重建
Blocken的团队着眼于研究如何将气溶胶浓度保持该团队使用Fluent对荷兰健身房密闭空间内的颗粒

在足够低的水平，将剂量控制在难以引起感染的程度。将数量进行追踪，并了解到，即使通风系统比《荷兰建筑规了一套可解决上述问题的综合全面的方案，这有助于荷兰粒浓度的单指标上升。这促使他们寻求一种有效、经济且

物理实验测量与Ansys Fluent分析相结合，该团队提供
政府指定防控政策，并向公众提供充分的证据，证明配备适当设备的健身房可以在疫情期间安全地重新开放。
©©2021
2021ANSYS,
ANSYS,INC.
INC.

范》中要求的最低通风量强4.5倍，也无法阻止空气中颗节能的解决方案，即采用先进的空气净化器与通风系统协

Ansys
AnsysAdvantage
Advantage

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47

COVID - 1 9 疫 情 防 控 措 施 / C F D

Blocken博士的团队使用Fluent对健身中心的气流进行评估，并了解空气净化器和通风系统如何协同工作，
以帮助减少病毒传播

同工作，通过吸收传染性气溶胶颗粒，以减小潜在传染区域，保证健身用户的安全。
采集测量数据2020年7月11日，Blocken的团队对埃因霍温理工大学体育中心的整体气溶胶平均浓度进行了实验分析。

实验的第一部分包括，运动员骑健身脚踏车，并向

一台设备呼气，该设备能够计算各种尺寸的气溶胶的数量。在实验的第二部分，Blocken的团队在健身房各处
安装了147个传感器，这些传感器可以收集35人在30分钟时段一系列运动中的测量数据，从而评估在不同强度运动时用户呼出的飞沫数量。

接下来，该团队利用通风系统和用户的嘴部作为边

界条件，并使用光扫描仪快速扫描运动员在跑步机和其它
器材上锻炼时的人体几何结构。

天的繁忙活动时段进行仿真，以了解通风系统或添置空气净化器等额外设备等措施如何帮助降低颗粒浓度。

此外，Fluent还提供了对关键因素的研究，因为在实验期间，虽然可以测量体育中心内空气中的颗粒数量，

但它们的来源仍然是一个谜。例如，当35名健身房用户
呼吸时，可以追踪其唾液颗粒，但场所内部其它的颗粒也
会一并计入测量结果，其中包括从用户的衣服、皮肤和毛发上脱落的颗粒，以及健身房器材组件内部摩擦产生的颗粒。因此，他们面临的挑战在于，通过实验无法将空气中的唾液颗粒与其它颗粒分离。Fluent帮助该团队重点分

离展示出唾液颗粒。在仿真中，只将35名用户口中呼出的唾液颗粒进行了分析。各种大小的颗粒都会被追踪，包括那些经过通风和空气净化流程的颗粒。

在仿真研究之初，Blocken的团队使用Fluent对运通过实验，团队可测量不可见的颗粒飞沫数量，并动员的身体扫描进行前处理，并精心设计计算网格来模拟

字方式重新创建健身中心，深入了解健身房的通风效果和空

同的物理模型，以在复杂的几何模型上保持分析计算过程

为创建Fluent仿真提供关键输入数据，该仿真能够以数气净化器的有效性，并说明颗粒在整个空间内的传播方式。
采用CFD追踪颗粒用户身体周围的气流运动情况。接下来，该团队测试了不的收敛，并重新对比测量结果。由于室内的气流速度较
低，因此这是一项相当具有挑战性的工作。

然后，该团队将他们早期的实验结果与仿真结果进为开展仿真研究，Blocken利用了其早期花费大量行比较，持续调整仿真参数，直到仿真结果与该团队的Fluent分析人体周围的气流和颗粒飞沫的分散情况，以该团队可以通过测试各种不同的CFD分析场景进行推断时间完成的COVID-19建模研究，在这些研究中，他使用
测量人体呼出空气和飞沫的行为方式。
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Blocken的团队再次使用Fluent对大学体育中心全Ansys Advantage

测量结果匹配，偏差至多小于10%。通过验证仿真结果，
和参数分析。他们依靠Ansys Cloud实现了这一目标，

2021年 / 第2期

通过250,000美元的微软Azure云信用额度，该计算费用

可以有效地将气溶胶浓度降低90%–95%，以最经济实惠High Performance Computing Consortium）慷慨

任何其它可能存在的传染病的风险。

由白宫领导的抗击新冠肺炎高性能计算联盟（COVID-19
捐赠。

和有效的方式，降低通过空气感染COVID病毒、流感或如果不依靠Fluent，该团队完成所有健身房场景

借助Fluent，Blocken的团队可以仿真更长时间的的系统改造工作量将大幅增加，这不仅涉及到非常耗

化技术，该技术能够吸收空气，杀灭飞沫中的病毒，并将

COVID-19病毒的测试也要持续进行，估计整个研究周运动、不同的颗粒分布大小和各种类型的即插即用空气净洁净空气循环送回健身房。此外，他们还研究了如果添加
更多的空气净化器和更强大的通风系统会对健身房内的颗
粒浓度积聚有什么影响。

时的气溶胶颗粒测量过程，而且所有志愿者参与抗击期将延长至3年。通过微软Azure使用Fluent和Ansys
Cloud的计算能力，该团队在短短三周内便完成了CFD研究。
Blocken的健身房研究结果将有助于为政府提供分析结果

管理气溶胶浓度的合理建议，同时其结果不仅可以应用和空气净化器能够各自使室内气流发生回流，这在很大程校、飞机、电梯、商务办公室、电影院等场所。

借助Fluent和Ansys Cloud，该团队发现通风系统

度上会相互抵消其循环气流的能力，从而限制彼此的防疫

于健身房，也适用于许多其它场景，包括全球各地的学
在埃因霍温理工大学体育中心的实验取得成功

效果。上述情况意味着通风系统和空气净化器产生的气流后，Blocken的团队正在使用Fluent最新版测试空气净

该团队得出了研究结论，如果健身房安装了符合法

兰最大的体育场馆约翰·克鲁伊夫竞技场，以及荷兰最富

必须完全同步，才能达到最佳效果。

律最低规定要求的机械通风系统，即使遇到气溶胶浓度过
高的情况，也无需更新通风系统，这毕竟将涉及高昂的成本。只需优化整个场所内部空气净化器的数量和布局，就化器解决方案的对于大型体育场馆的防疫效果，比如荷

盛名篮球队在Maaspoort的主场。此类设备的部署将迅
速改善世界各地大型体育赛事的公共安全。

该团队发现，如果不能同步运行通风系统和空气净化器，它们可能会互相制约
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Ansys Advantage49聚焦 COVID - 1 9 疫 情 防 控 措 施 / I I O T

运输中的SkyCell
1500混合集装箱

仿真智能集装箱
挽救生命
SkyCell利用Ansys仿真技术设计智能、物联网空运集装箱，通过降低疫苗运输损耗率，
挽救更多生命。

作者：《Ansys Advantage》杂志
编辑室工业物联网（IIoT）组件、空气和能量流动以及集装箱的结构完整性。如果没有仿真，该团队就难以在这个与生命紧密相关的行业中追求完美。

SkyCell致力于设计、创建和管理智能、耐用型空运集装箱，以用于在全球范围内运输疫苗。这些集装应对敏感货物的挑战

身温度，并实时报告其所在位置。SkyCell使用Ansys

的停机坪跑道上搁置数小时，经受飞机降落时的颠簸，以箱采用定制材料制成，无需人工直接管理，可控制自HFSS、Ansys CFD和Ansys Mechanical来全面仿真
50

Ansys Advantage

空运集装箱通常会处于恶劣的环境条件中：在炎热及通过当地道路用卡车来运输。疫苗的分子较大，对高温
2021年 / 第2期

“使用Ansys软件可帮助我们将运输过程中的疫苗损失率降低至仅0.1%。当空运集装箱货

物损失率的行业平均水平在1%-10%之间，并且人们的生命危在旦夕时，将该比例减少一百倍会对人类的生命产生难以置信的影响。Ansys软件使我们能够以更全面的方式看待世界，设计”出能够实现的更接近完美的产品。
— Nico Ros, SkyCell首席技术官

和低温特别敏感，但运输过程中

Ros表示：“我们需要的温度很容易在-20℃到+50℃

一种可以展示这种复杂性的工挑战。此外，空运是一种昂贵的行管理，而且还可以利用它来之间变化，这给物流公司带来了具，这样我们不仅可以对其进货物运输方式，还增加了空中交为我们服务。”

通和污染，但却对疫苗的快速抵
达至关重要。

在空运中，1%-10%的货

物丢失或损坏是很常见的，但SkyCell旨在将这一比例降低到
仅0.1%。

复杂问题的工程解决方案

在Ansys CFX中利用3D CFD仿真增强预调室中的集装箱内部气流

SkyCell首席技术官Nico Ros解释道：“今年年初，
我们在印度有4,000名昏迷患者在等待来自欧洲的疫苗。“由于疫情导致供应链中断，这批货物在卡塔尔滞留了5个漫长而炎热的日子。尽管条件艰苦，货物最终还
是完好无损地抵达了孟买。这对我们来说只是普通的一天，也是SkyCell需要应对的众多情况之一。”

SkyCell与作为战略顾问的CADFEM合作，研究航空

航天等邻近行业使用的仿真工
具，该公司经过考虑后选择了

Ansys。这些工具可用于仿真物理结构、物联网通信、
集装箱内及周围的空气和温度流动。
Ros表示：“借助Ansys软件，我们可以不再把集装箱看作冰箱，而是开始更精确地理解能量流动，比如把太阳看作一种能源，而不仅仅是考虑温度。我们的在过去，空运集装箱可能是主动（制冷剂装置），或是被动保温的（例如，装满干冰的箱子），但SkyCell

采用了一种混合设计，不需要人工交互或使用机械组

件，当集装箱检测到仓库环境温度稳定维持在5℃时，它
可以自行充电。

SkyCell的混合设计是一个复杂的交互系统。该团
队之前使用单独的仿真工具对集装箱的各个方面进行建
模，但他们知道，如果能够更全面地建模，那么设计流
程就能得到显著的改进。

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SkyCell 1500混合集装箱的内部温度范围为+2℃至+8℃，外部温度范围为-35℃至+65℃，存储温度范围为-40℃至+70℃

Ansys Advantage

51聚焦COV ID - 1 9 疫 情 防 控 措 施 / I I O T

运输中的SkyCell 1500混合集装箱
方法始终是，首先追求完美，然后再努力做到极致。理论上，我们可以在前80%的设计中使用单独的仿真工具，但我们想要构建一级方程式空运集装箱车。当运输

COVID-19疫苗时，这将是至关重要的。因此我们想要获
得最好的产品。”

利用仿真节省时间并挽救生命

SkyCell团队通过使用Ansys仿真，目前将SkyCell

集装箱的疫苗损失率降低至仅0.1%，而当时业界平均水
平最低为1%。

SkyCell需要三个月的时间来构建集装箱的物理迭

代，而使用Ansys软件进行虚拟构建，只需要一周时

条件的集装箱隔热子模型

不仅有助于制药公司跟踪疫苗，而且还有助于快速符合运输法规要求，因为综合全面的数据日志显示了集装箱的位置及其温度的变化情况。

该系统还可以提供有关集装箱通过海关的速度数

间。仿真与测试单元之间的关系会不断得到完善。

据，从而识别出路线中任何不必要的慢速部分。这对于

多层减震材料制成的。这种材料可以吸收冲击，并减轻问题至关重要，还可帮助制药公司首次向新地区发货，

Ros表示：“我们的集装箱是由可回收、隔热、由飞机和卡车的振动，但我们在一个示例中发现，集装箱
的频率并没有得到完全优化。我们意识到，材料本身的帮助有关部门和物流公司优化自己运输网络和克服当地
而不会发生意外。

Ros表示：“展望未来，我们估计，全世界将需要各层之间存在着没有被注意到的相互作用，但我们可以大约16万个货盘来运输COVID-19疫苗。这可能是现有数果是不太成熟的仿真工具，根本无法应对这种复杂性。”们的任务就是帮助提高这一效率，为自己贡献的一份力

使用Ansys软件重新建模、纠正和优化这一点。可见，如使用Ansys软件对集装箱的物联网组件进行建模，使SkyCell能够实时准确地报告集装箱的温度和位置。这
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Ansys Mechanical的3D热分析显示了具有周期性边界

Ansys Advantage

字的两倍。如果系统效率较高，该数字将会减少，而我
量而感到自豪。”

2021年 / 第2期

聚焦COV ID - 1 9 疫 情 防 控 措 施 / C F D

气流仿真如何挽救企业？

健身房里气流仿真

作者：《Ansys Advantage》杂志编辑室在2021年3月份的第三周，当俄勒冈州因新冠疫情而发布了关停非必要企业的计划时，波特兰Pacific Crest CrossFit健身房的老板John Huston担心这次关停
将迫使健身房倒闭。

他说道：“说实话，这太可怕了，我担心顾客们会暂停他们的会员续费。”

由于员工休假和其它原因，健身房通常一次最多只能接待4位会员，而大量会员暂停续费的损失会让健身房陷入财务危机。

Huston很快就了解到，健身房的运营比他最初
想象的更持久、更灵活，因为他已经知道：CrossFit

健身房的会员不仅仅只是去健身，这个群体希望的是每周几次和他人一同分享健身时光。在接下来的四个
月里，在健身房封控期间，他了解到了这些会员们拥有丰富的专业知识。

首先，会员们对他呼吁大家不要暂停会员续费的举措反应较为积极。其次，健身房会员中的医生们挺

身而出，为Huston提供有关防疫措施的建议。随着健身房将锻炼活动场所迁至室外环境，医生们还帮助他
解读各类医疗团体和政府机构发布的复杂甚至相互冲

突的防疫指导方针。第三，一位名叫Andy Byers的健© 2021 ANSYS, INC.

在疫情期间，Pacific Crest CrossFit
健身房的会员们一起锻炼

Ansys
Advantage
53
Issue 53
2 | 2021
Ansys
Advantage聚焦 COV ID - 1 9 疫 情 防 控 措 施 / C F D

身房会员在Ansys工作，他拥有流体方面的知识，仿真软件可以对健身房内部的空气流动建模，有助于确保会员和员工在健身房重新开放时的安全。
复工复产的四大支柱

通过不断关注新闻，以及在CrossFit会员们的帮助下，Huston确立了重新开放健身房必备的四大支柱：

1. 保持社交距离

2. 严格的卫生措施

3. 佩戴口罩

4. 有效的通风

虽然与前三项相关的措施已经有多种指导方法可参照，但通风才是一个更大的挑战。Huston

表示：“说实话，我一开始甚至没有想过通风的问题。”直到一位会员找到他，说她担心自己在健身

房里几乎没有气流的角落处锻炼会有感染风险。刚从其他人肺部呼出的空气，具有潜在风险，因为可

能含有携带新冠病毒飞沫的气溶胶，所以，这个问题必须得到解决。

Huston的初步想法是用一个大型风机使周围的空气流动起来。但他有一个从事商用HVAC工作的亲

属告诉他，这只会让空气随意地被四处吹散且被混合在一起，并不会排出空气。所以，他需要采用一款有正压排气功能的设备：使洁净空气达到正压，并排出污浊空气。因此，他们选购了一台风量为每分钟6,000立方英尺（cfm）的吸气风机，并搭建了一个胶合板隔断来封闭健身房的后门。同时还在前门入口区安装了一台风

量为2,000cfm的排气风机，并封闭了门口。
透过“神奇的视野”看世界

封控四个月后，当Pacific Crest CrossFit健身房重新开放时，Huston已经万事俱备。由于不确定6英尺的社交距离规则将怎样变化，他把健身房分成了10英尺x12英尺的多个矩形区域，为每一位会员提供足够的空间。当一位会员使用完一个区域，另一位会员需要继续使用时，工作人员会先用消毒剂清洗该区域。此外，每个人都佩戴口罩，并且通风系统运行正常。

当Ansys员工、战略合作总监/联络官Andy

Byers回到健身房，他开始用自己“受过Ansys训练”
的眼睛深入观察了这一切。

Byers风趣地表示：“在Ansys工作的人，都会具

有神奇的视野，可以看到所有的物理学线条。我想我能看到气流的流动和从手机里发出的电磁波。”而他看
到，健身房的通风解决方案并没有错，但他出于职业习惯，总会思考优化解决方案，想知道是否可以做得
更好。

健身房平面图
的表现方式并不直观。”

Byers很好奇：“利用现有的条件和资源，我们能

不能调整一下，优化通风？了解健身房内器材和人员的

位置对通风布局具有帮助，因为气流很复杂，而且有时它

Byers找到Huston并告诉他自己具备专业知识：气流仿真知识和设计探索软件Ansys Discovery。

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Ansys Advantage

2021年 / 第2期

“了解健身房内器材和人员的位置对通风布局具有帮助，因为气流很复杂，而且有时它的表现方式并不直观。

”

Huston说：“当Andy找我谈这件事时，我想：‘这是我们社区里又一个光辉榜样，在我们最需要专业人员指导的时候，能够雪中送炭。’我感到非常幸运，在关键时刻能有这么多拥有专业技能和知识的人在我身边。”
本着奉献纾困解难的理念，Byers提出可以免费运行气流仿真，探索优化通风系统的方法。

气流仿真解决方案

Byers邀请Ansys高级应用工程师Ethan Rabinowitz开展气流仿真分析。他首先获得了健身房的布局图，48.5英尺x68.5英尺x12英尺高，还有一扇11英尺宽的后门和一扇标准尺寸的办公室门。风机
A的尺寸为36平方英寸，吸气风量为6,000cfm；风机B的尺寸为

24平方英寸，排气风量为2,000cfm。然后，他评估了由健身器（0%）、健身车和划船机（50%）以及储物架（100%）造成的
气流阻塞的比例。

设置好这些参数后，Rabinowitz通过Ansys Discovery进

行了一系列计算流体动力学（CFD）仿真，与单次传统分析方
法相比，仅用不到十分之一的时间内就探索了各种设计变量。

这有助于快速缩小最佳设计配置范围，然后进行更详细的Ansys
Fluent分析。

参考最终的仿真输出结果，Rabinowitz建议Huston根据两种模式更改通风设置：

模式1：在热身或举重活动环节（低强度、低频呼吸）：打开角

健身房气流仿真

落里的1,000cfm风机和外部的2,000cfm风机。

这将从后门吸入空气，并以较低的速率从办公室门排出空气，同时能够听到教练的声音，环境不会太吵。

模式2：高强度运动（每日重点健身课、或WOD）或课间换气场景：启动6,000cfm的吸气风机和2台2,000cfm排气风机。这将会导致环境更加嘈杂，但是在WOD环节可以接受。

此时需关掉角落里的通风机。虽然这有违我们的直觉，但角落风机的气流角度会打乱该场景下的自然换气模式。
在疫情期间安全健身

Huston正在实施Ansys建议的修改方案。在封控期间和

整个疫情期间，他一直恪守着两个信念：“我们需要遵循官方发布的指导和规定，也必须让我们的会员能感到安全。”借助Ansys工程仿真软件优化健身房的气流，对Pacific Crest CrossFit而言只是比别人多走了一步，但在
疫情期间，却为会员提供了更为安心的健身环境。
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聚焦COV ID - 1 9 疫 情 防 控 措 施 / C F D

暖通空调HVAC气流如何影响冠状病毒传播？
作者：Lorenzo Mazzei，CFD顾问与Riccardo Da Soghe，
意大利佛罗伦萨Ergon Research公司CFD部门协调员梵蒂冈国立儿童医院（Vatican State Children’s Hospital）迫切希望能够将候诊室和治疗室区域内

的COVID-19疫情传播风险降至最低。随着炎炎夏日的临近，设施管理人员需要明确是否有必要开空调。对于病患而言，哪种情况更安全：在密闭的房间里，需要加强空气流通还是减少空气流通？佛罗伦萨的Ergon Research的计算流体动力学（CFD）顾问决定借助Ansys Fluent来解答这些问题。

意大利很早就受到了新型冠状病毒的严重打击。截至2020年3月下旬，该国平均每天报告6,000多例新病例，这在当时是极其可怕的数字。当月，意大利在全国范围内实施了封控，成功地降低了每日新增病例的数量，直到5月份，餐馆、酒吧和其它人员密集场所得以重新恢复营业（设有严苛的社交距离要求），意
大利大部分地区人民的生活才恢复了以往熟悉的状态。

在意大利，春季生活在封控区也没有太大的问题。即便室内没有供暖，也无法开空调，人们仍然能够过舒适的生活。但是在夏天，尤其是在意大利的南部，如果人们在没有空调的封闭空间中生活或工作，就可能会引发次生健康危
机，意大利医院迫切希望能够避免这种情况。

对于罗马梵蒂冈国立儿童医院，（班比诺·格苏儿科医院，简称OPBG，由梵蒂冈统筹运营的一家顶级儿科医院）的56

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2021年 / 第2期

“随着罗马炎炎夏日的临近，Ergon Research的仿真为梵蒂冈国立儿童医院提供了管理人员
所需的深度情报。

”

管理人员来说，需要考虑执行中的一大关键问题：在封闭的医院候诊室或治疗室运行暖通空调（HVAC）系

统，会增加还是降低病毒传播给其他未受感染者的风险？如果一位未佩戴口罩的新冠患者咳嗽或打喷嚏，即使他所坐的位置与其他人保持了适当的社交距离，空气流动还是静止的情况下，该区域内未感染者会更安

全？空气不流动可能会阻止病毒飞沫传播并感染他人，而

流动的空气也可能会使病毒浓度更快地扩散，并促使飞沫更快地从房间中向外扩散。

2020年4月，该医院的Luca Borro博士开始在Facebook
群组中提问，对有关使用CFD对咳嗽或打喷嚏行为进行建模，并仿真运行HVAC系统时会发生什么情况。尽管Borro是2D和3D成像方面的专家，但他一直在寻求支持，以解决CFD建模的具体问题。他通过群组认识了来自Ergon Research团队的成员
Lorenzo Mazzei，这次偶然的联系促成了双方的合作。Ergon

模型治疗室设有一个顶棚散流器、

一个墙面通风口和一个LEV进气系统

Research的CFD专家自愿贡献时间并提供专业知识，帮助医院找到这些问题的初步答案。
开发新的行为模型：无防护措施的咳嗽
Ergon Research是一家于2008年从佛罗伦萨大学独立出来的公司。它提供软件开发、实验设计和CFD方面的咨
询服务，其专家通常使用Fluent和Ansys CFX来帮助客户克服复杂的设计挑战。因为Ergon Research熟悉Ansys软
件，并且深知它的准确性可以信赖，所以他们选择使用Fluent来对气流进行仿真。

Borro和Ergon Research的团队首先构建了两个CAD模型，一个是候诊室模型，另一个是治疗室模型。在候诊
室模型中，他们放置了长椅作为座位，并放置了一些坐在长椅上的假人。由于梵蒂冈国立儿童医院是一家儿科医院，所
以该模型包括了均衡数量的成人假人和儿童假人。该模型还将成人假人和儿童假人配对，再现了家长携儿童候诊的日常场景，并将成对的假人模型（而不是单个假人模型）以建议的6英尺距离间隔放置。候诊室模型包括天花板上的四个送风散流器，
当HVAC系统运行时，这将产生流入房间的

可控正向气流，还有四个墙面通风口，可以排出房间里的空气。治疗室模型包括一个单独的顶棚散流器、一个用于排气的墙面格栅和一个专用的局部排气通风（LEV）系统，该系统用于将空气吸入患者床正上方的通风口。
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网格中的细节得到了简化，以在不影响求解质量的情况下优化计算处理和时间需求

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57聚焦 COVID - 1 9 疫 情 防 控 措 施 / C F D

从很多方面来说，这些CAD模型都可以打造的较为简单。例如，顶棚空气散流器采用了通用的圆形散流器，仿真中包含导流板，以求解内部流场，而不是通过
边界规定内部流场。模型治疗室的家具不具备任何特征，因为Ergon的CFD专家深知，包括椅子扶手、桌椅脚和椅背等特征不会对仿真的信息结果产生太大的影响。
此类特征只会大幅增加运行仿真所需的计算资源和时间。出于同样的原因，房间里

成人与儿童假人的身体特征也经过了简 x-y曲线代表了η指数的时间演变，它描述了房间中不同假人随时间吸入的化，不过比家具特征更细化。

这些都是整个仿真比较容易实现的受污染空气的累积量。单位为微克（μg）

部分。

最具挑战性的部分是需要在这些模型房间中对咳嗽的行为进行仿真。尽管Fluent中的对象库非常丰富，但它们不包括预构建的人类咳嗽模型。因此，Ergon Research和OPBG从零开始创建这类模型。他们在搜索咳嗽动力学文献的过程中，发现了2018年发表的一篇关于人类咳嗽射流数值表征的博士论文，以及1946年发表的一篇详细介绍了咳嗽中雾化飞沫分布的论文。1946年发表的论文根据直径（从3μm到750μm）、每种尺寸的飞沫的数量和每种飞沫的质量流

率来确定飞沫的类别。

根据他们在CFD仿真方面的经验，Ergon Research的团队将这些事件特征，以及飞沫特征、雾化飞沫与空气分

子的相互作用，还有重力对液体颗粒和空气的浮力效应都纳入了Fluent中。此外，他们还结合了代表房间中每个假人的呼吸/吸入速率的模型，以及代表吸入空气中咳嗽空气质量分
数的模型（即发生咳嗽事件后吸入物中包含的受污染颗粒的部分）。其目的在于运行欧拉-拉格朗日耦合仿真，以对他们构建的每个房间模型中雾化的咳嗽飞沫的潜在扩散和吸入情况进行仿真。Fluent中已经具备了许多关键的建模组件，比如粒子注入和跟踪，因此无需考虑缺失模型处理。此外，Fluent已通过
数百篇分析欧拉-拉格朗日仿真的论文得到了验证和确认。由于
Ergon Research希望使用的仿真活动时间步长为0.001秒，并
在整个60秒内跟踪雾化颗粒的运动，因此该团队将房间CAD模型的复杂性降低到只有5M大小的单元网格，这将节省计算资源
和时间，同时不会影响他们想要的结果。然后，他们使用候诊
室模型运行了一系列仿真场景：• 仿真场景A在没有HVAC影响气流的情况下运行• 仿真场景B包含以2020 m3/hr（标准流速）的流速通过散流
器的气流• 仿真场景C包含流速为4040 m3/hr（标准流速的2倍）的气流
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提高HVAC系统的流速会使浓度较低的雾化飞沫扩散到更大的范围（视图2）
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Ergon Research对治疗室中使用LEV系统进行了类似的仿真（LEV进气口位于咳嗽患者嘴部
上方43cm处，并经过校准，以1080 m3/hr的速度从房内排出空气）。通过基于压力的求解器和求解压力耦合方程组的半隐式方法（SIMPLE）获得解，并采用二阶方法求解压力和二阶迎风法求解变量

（湍流量除外），而时间则用有界二阶隐式方法来求解。
为医院“对症下药”
Ergon Research在Fluent的仿真中得到的初步洞
察是可重复且一致的，这有点出乎意料。在所有候诊室仿

真中，大于100μm的雾化飞沫均有向地面坠落的现象（无论HVAC的流速如何），而较小、较轻的飞沫则以不同的方式在房间内扩散。

• 在仿真场景A中，不涉及HVAC介导的气流，较轻的飞沫直接向坐在咳嗽患者（散布者）对面的人移动。只有直接面对散
布者的假人，似乎吸入了一定量的被污染空气（11%）。

• 在仿真场景B中，加入了2020 m3/h的正常HVAC流速，咳嗽

随着时间的推移，增加气流会减少
室内飞沫的质量

产生的较轻飞沫与来自散布者的气流相互作用，然后与坐在散布者前方的儿童假人集中接触，并在房间内迅速扩散。
如果房间内没有气流（从11%降至2.5%），坐在散布者正对面的人可能吸入的受污染飞沫量就会减少，但这也会导致

室内受污染的飞沫更广泛地扩散，造成人们存在一定的受污染飞沫吸入可能性。受污染的飞沫，在距离散布者最远的人可能吸入的空气中浓度为0.5%。

• 在仿真场景C中，HVAC流速增加了一倍，达到4040 m3/hr，增强的气流完全破坏了气溶胶云团，并迅速将其扩散到整个房间内。虽然这确实会使整个房间的人接触到受污染的飞沫，但增加的湍流既稀释了受污染飞沫的浓度，又使房间内的飞沫从墙面通风口排出的速度加快了（此时，它们不会对房间里的人构成危险）。咳嗽事件发生30秒后，距离散布者最近的人吸入的空气受污染飞沫的浓度仅为0.3%，而距离散布者最远的人吸入空气中受污染飞沫的浓度
仅为0.08%。

• 治疗室的仿真获得了更戏剧性的结果：当位于患者头部上方的LEV以1080 m3/hr的速度将患者身边的空气抽走，
所有受感染的飞沫在散布者咳嗽后的半秒内被从房间里抽出，从而将房间内任何人因咳嗽的飞沫而受感染的可
能性降至最低。

随着罗马炎炎夏日的临近，Ergon Research的仿真为梵蒂冈国立儿童医院提供了管理人员所需的深度

情报。由Fluent仿真得出的结果表明，他们不仅应该打开医院候诊室的HVAC系统，还应该增加气流速度。在双倍的流速下，房内的空气湍流可以在几秒钟内将受污染颗粒的浓度降低99.6%，从而将其他患者因咳嗽而受感染的可能性降至最低。同样，在治疗室使用LEV系统能够几乎在瞬间将传播风险降至
最低。医院的管理人员和医护人员仍需与新冠疫情进行艰难的抗争，但至少过热房间引起大量中暑的可能性不再会成为担忧，而这一定程度
上减轻救治工作的压力。
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