如何通过减少车辆乘员舱模型的阶数来优化乘客的舒适度和整车续航

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1.为什么要对乘员舱建模

为什么需要对乘员舱建模？高效的乘员舱建模对于新时代的电池电动汽车（BEVs）至关重要，每节省一点能量都能帮助增加电动汽车的续航里程。设计工程师的目标是在各种环境条件下，比如不同地理区域的热天或冷天，实现乘客舒适度和车辆能耗之间的最佳平衡。在最新发布的GT-SUITE v2025版本中，Gamma Technologies引入了一项新功能，可以从详细的3D乘员舱模型自动生成基于物理的、实时可行的降阶模型（ROM）。这个新功能将帮助用户快速探索各种乘员舱几何形状，并开发准确的乘员舱舒适度控制策略。

2.车辆空调系统主要部件

现代车辆空调系统的复杂性有所增加，制冷剂循环不仅要为乘员舱提供冷却和加热，还要帮助维持动力总成部件（电池、电机和电子设备）的温度。

一个典型的空调系统包括以下部件：

压缩机：将制冷剂压缩到冷凝器
冷凝器：释放从乘员舱空气中吸收的热量
膨胀阀（TXV/EXV）：将制冷剂节流到蒸发器
蒸发器：冷却乘员舱的热空气
空调风门：控制空气再循环率
风机：在系统中产生气流
加热器：加热乘员舱内冷空气
乘员舱：体现系统的热惯性

多物理场仿真平台GT-SUITE能够精确模拟这些部件在实际车辆中的相互作用。这些仿真允许工程师在单个部件级别和整个系统级别开发最优设计。图1展示了在GT-SUITE中的一个简单空调系统的示意图。

图1：GT-suite中一个简单的车辆HVAC系统

3. GT-SUITE中乘员舱不同的建模保真度

在GT-SUITE中，可以根据设计需求在不同层次上进行乘员舱建模。在图2的左下角，我们看到了使用单区域和多区域进行的0D/1D乘员舱建模能力。这是一种以系统为中心的方法。随着我们向图2的右侧移动，它变得更加注重舒适度，并提供高保真度的结果。

在GT-SUITE中，通过和GT-TAITherm的联合仿真，可以进行3D乘员舱舒适度建模。在这种方法中，GT-SUITE解决乘员舱内的流体域问题，而GT-TAITherm解决乘员舱和乘客舒适度的热固体结构问题。

图2: GT-SUITE乘员舱不同的建模保真度

GT-SUITE中的这些乘员舱建模方法比传统的3D CFD（计算流体力学）快得多，同时仍能提供设计高效、集成的空调系统所需的精度。GT-SUITE乘员舱建模和仿真的几个关键优势包括：

预测车辆中新组件是否能满足舒适度和能源使用目标
改善空调系统中的控制策略
评估新技术，如低辐射玻璃涂层和局部冷却/加热
优化全局和局部乘客舒适度
不同规格的组件，如压缩机、蒸发器、风机和加热器
研究不同的边界条件，如空气再循环率、风门位置和进口温度

4.乘员舱模型降阶

如图2所示，这个新的简化工作流程可以自动从详细的3D GT-TAITherm乘员舱模型创建一个快速运行的1D降阶模型（ROM）。这个功能自动从3D模型中提取所有所需的属性，并使用流动和热力学单元生成ROM。它还可以根据3D模拟结果自动准备ROM进行校准，并自动创建图表以检查校准结果。这个快速运行的ROM可以轻松集成到系统级模型中，并应用于实时应用场景。

乘员舱通常由不同层的固体结构组成。如图3所示，乘员舱部件的每一层都被建模为一个集总热质量。乘员舱内的空气被表示为一个流动体积。基于物理的降阶模型（ROM）通过捕捉以下几种热传递模式来给出准确结果：

在所有固体的不同层之间进行的热传导
乘员舱固体与乘员舱内空气之间的对流热传递
乘员舱固体与周围环境之间的对流热传递
不同固体之间的辐射热传递
太阳热通量的影响

图3：从3D GT-TAITherm乘员舱模型

自动生成降阶模型（ROM）

为了研究乘员舱降阶模型（ROM）在加热和冷却场景中的表现，做如下案例研究。图4展示了用于这个案例研究的3D GT-TAITherm乘员舱模型。该乘员舱模型由代表固体结构的不同部件和一个人体模型组成。这个乘员舱模型中的每个固体结构都由多层组成。

图4：用于研究的GT-TAitherm乘员舱模型

图5展示了冷却场景的边界条件。环境温度为50摄氏度，冷风通过仪表板通风口吹入乘员舱。模拟的总持续时间为60分钟。

图5：冷却场景的边界条件

5. ROM仿真结果

图6展示了3D模型和ROM对于挡风玻璃、车门、地板和乘员舱内空气的温度结果。ROM的固体结构温度和乘员舱内空气温度与3D结果非常接近。在这个工作流程中，工具会自动根据3D模拟结果准备ROM进行校准，以进一步提高准确性。在校准过程中，使用GT-SUITE中集成的设计优化器，调整了与固体材料属性和对流热传递系数（HTCs）相关的各种系数。优化的目标是尽量缩小3D模拟结果和ROM结果之间的差异，这包括三个量：乘员舱内空气温度、固体部件的乘员舱内、外侧温度。

图6：降阶温度结果

6. 创新的驾驶室模型阶数

减少工作流程带来的价值

乘员舱模型阶数减少工作流程为用户带来的关键价值如下，并在图7中进行了展示：

自动从3D GT-TAITherm车辆乘员舱模型中提取数据
在几秒钟内自动创建基于物理的降阶模型（ROM），允许快速设置各种几何形状和细节级别的模型
根据3D结果自动准备ROM进行校准，并自动创建图表以检查校准结果
适用于冷却和加热两种场景
模拟速度比实时快100倍
ROM与系统级模型的无缝集成

图7：乘员舱模型阶数减少工作流程带来的价值

来源：艾迪捷

modeFRONTIER在低空经济中的应用

一、引言低空经济，以城市空中交通（UAM）、区域空中交通（RAM）和电动垂直起降飞行器（eVTOL）为代表，正成为全球关注的新兴领域。随着技术的快速发展，如何高效设计和优化这些飞行器以满足性能、安全和经济性要求成为关键。modeFRONTIER作为一款强大的多学科设计优化（MDO）工具，在低空经济中发挥着重要作用。二、低空经济中的技术挑战01飞行器配置选择在概念设计阶段，需要快速评估数千种潜在设计，选择最佳架构（如倾斜旋翼、升力+巡航、多旋翼等）。传统方法难以高效完成这一任务，而modeFRONTIER通过集成快速运行的低保真度模型，能够快速筛选出最优配置。02航程与有效载荷的权衡eVTOL飞行器面临航程与有效载荷之间的矛盾。modeFRONTIER能够通过多目标优化算法（如NSGA-II），在有限的能量存储条件下，找到最佳的航程与有效载荷平衡。03结构与材料优化eVTOL飞行器需要在保证强度的同时尽量减轻重量。modeFRONTIER通过参数化设计和优化算法，帮助工程师在结构设计中实现材料优化，降低重量并提高经济性。04推进系统设计推进系统设计是eVTOL飞行器的核心挑战之一。工程师需要优化螺旋桨的弦长、扭曲分布，同时考虑噪音水平。modeFRONTIER结合气动、声学和结构分析工具，能够实现推进系统的多学科优化。三、modeFRONTIER的应用案例（一）Pipistrel混合动力飞行器螺旋桨设计Pipistrel公司利用modeFRONTIER优化了混合动力飞行器的螺旋桨设计。通过自动化仿真流程，工程师在有限时间内评估了5000种设计方案，最终在起飞时将推力提高了30%。这一过程跳过了传统原型阶段，直接进入生产，显著缩短了开发周期。（二）eVTOL飞行器螺旋桨多学科设计优化在eVTOL飞行器开发中，modeFRONTIER结合FlightStream®气动力学求解器和NX Nastran结构分析工具，实现了螺旋桨的多学科优化。优化目标包括最大化推力、最小化扭矩、降低噪音水平和减少螺旋桨质量。通过ESTECO的pilOPT算法，工程师在多个目标之间找到了最佳权衡。（三）悬停推进器全周期性能和声学设计以色列Aerospace Industries与Mejzlik Propellers合作，利用modeFRONTIER对悬停推进器的性能和声学特征进行了优化。优化结果显示，在保证性能的同时，噪音水平显著降低。四、modeFRONTIER的优势01多学科集成modeFRONTIER能够集成空气动力学、结构、声学等多个学科的分析工具，实现跨学科优化。02自动化与高效性通过自动化仿真流程，modeFRONTIER能够在短时间内评估大量设计方案，显著提高设计效率。03优化算法modeFRONTIER内置多种先进优化算法（如pilOPT），能够快速找到帕累托最优解，帮助工程师做出最佳决策。04减少开发成本通过跳过原型阶段直接进入生产，modeFRONTIER显著降低了开发成本和时间。五、结论modeFRONTIER在低空经济中展现了强大的应用潜力。通过多学科设计优化，它能够帮助工程师快速评估和选择最优设计方案，同时在性能、经济性和安全性之间实现最佳平衡。随着低空经济的快速发展，modeFRONTIER将成为推动这一领域创新的关键工具。来源：艾迪捷