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电气设计工具使赛车设计进入快车道

Phil Davies
明导国际
集成电气系统部门产品经理

赛车设计就如同赛车本身一样是一项节奏快、压力高的工作。设计人员的错误判断可能导致与赛车手失误相同的灾难性后果。从底盘到刹车等等部位,赛车必须是一个紧密集成的整体。在这样的要求下,难怪 F1 及其他车队都纷纷选择计算机辅助设计 (CAD) 工具来帮助开发车身、底盘几何结构及其它所有机械结构。

机械计算机辅助设计(又称 MCAD)已经帮助设计人员向前迈进了一大步,尽管这对于完全集成的赛车设计来说只是部分成功。想象一下,时尚耀眼的 F1 赛车车身和底盘已经在机械设计部门闪亮登场……,但是当电气系统工程师发现没有可用的线束线路时接下来的工作却只能停滞不前。虽然这只是个极端的例子(有消息称已经发生过),但是它说明了一种需要,那就是将机械计算机辅助设计的进步与电气部门同样现代化的设计工具相结合。这种电气设计工艺正是本文的重点。

紧迫的日程要求团队必须在短短几个月的淡季完成整套汽车设计。由于整个设计周期涉及等待子系统原型的构建和测试,这时候留给最后整合步骤的时间往往被挤得很短……尤其是当发现有设计问题的时候。赛车设计人员不得不承受紧迫的时间表和财务方面的双重压力。这些要求需要通过集成顺畅的设计流程来满足,包括电气方面和机械方面。

现在,赛车电气设计人员正转而使用电气计算机辅助设计(又称 ECAD)解决方案,这可以加快他们的电气系统设计工作,就像机械计算机辅助设计促进机械设计一样。一些车队已经使用专门的电气模拟和建模工具来加快方案探索和设计工作,无论是以去年的赛车为设计基础还是完全从零开始。同时,这些工具还可以画图、跟踪变动、保存文件以及促进车队工程师间的沟通。



车队的汽车工程师转而采用电气计算机辅助设计(又称 ECAD)工具来辅助机械计算机辅助设计流程,开发能够制胜的赛车

记录保存工具曾是主要的电气设计方法

计算机电子表格应用程序长期以来一直是赛车行业创建和记载电线清单的标准工具。电子表格的行和列非常适合用来井井有条地记录清单,是列举线束中所有元素和连接的简便方法。实际上,当用于线束设计应用时,电子表格是一种管理层面的记录备存工具。它可以跟踪点到点连接,并作为一个数据库,从中可以读取数据以及将布线细节转录到图纸中。但是电子表格缺乏与外部应用互动的综合方法,而这些外部应用可以将保存的数据点转化为可用的线束图纸。这就需要设计人员进行手工抄写——这样的方法不仅耽误时间而且容易出错。

尽管电子表格可用 VisualBasic 等工具用户化,但它与线束图纸应用程序之间仍然有障碍。这个事实就需要在电气设计方法上做出相应的改变。

模拟填补了电子表格的漏洞

一种完全不同的更现代化的电气设计正开始取代基于电子表格的设计。这种新方法是一种只存在于电脑上的模拟和软件“模型”。模拟:它改变了主流原始设备制造商的线束设计原理,现在逐渐应用于赛车队的设计部门。

模拟是一种能够让工程师在不需要实物模型的情况下迅速进行复杂的系统设计并顺利测试的设计环境。利用显示在屏幕上的图片就可以操作和观察电气活动和符号化的元件。

功能模型是模拟程序的核心。直观的模型——无论是电控单元 (ECU)、发动机还是单根导线——都不再是简单的二维示图;它是一个整体,其属性和行为都嵌入了符号中。比如,灯光符号不仅看起来像 LED,而且操作起来也像——有实际电流、能够响应控制信号,等等。

模型存在于一个数据库中,整个企业都可以看到,随时可用。模型可由企业内部开发,也可以很容易地从供应商处获得,并且可以从一个底盘或赛车平台移到另一个平台。可重复使用的模型是每个赛季赛车设计都有改进的理想基础。

建模还简化了电气设计的机械学。在 Mentor Graphics VeSys 2.0 和 CAPITAL 等模拟平台中,将一个符号(如 LED)移到现有的电线中,这根电线就会自动断开为这个组件腾出空间。一旦这个符号在示意图上连接,作为大范围系统的一部分,就可以测试其功能。想象一下,不用碰任何一个硬件组件就可以设计和验证整个电气系统是多么了不起的事情!模拟为无差错原型和最终产品奠定了非常坚固的基础。

电气与机械领域的对话

电气模拟软件是电气计算机辅助设计原理的核心,就像机械模拟是机械计算机辅助设计的基础一样。两种环境适当结合就可以交流信息和监督彼此的工作。

再回头看赛车设计时没有考虑线束空间的情况,互动的电气计算机辅助设计和机械计算机辅助设计环境可以防止代价高昂的误解。随着汽车设计的不断进步,电气计算机辅助设计旨在与机械计算机辅助设计互相沟通,参与线束数字模拟 (DMU) 的开发。这种模拟在新兴的汽车 3D 机械图表现方式上占有了一席之地,为线束提供了适当优先的空间选择。机械和电气工程师可以在各自子系统中同时工作,跟踪彼此的进度并在必要时做出大家都可以看得到的折中。跨领域建模,就如同其称谓一样,可以使不同的流程保持同步。

重要的是,电气计算机辅助设计并非仅限于经验丰富的设计专家的复杂工具。在2010年的英国北安普敦郡学生方程式汽车大赛上,来自意大利米兰理工大学 (Politecnico di Milano) 的一个车队派上场的完全合规的单座赛车就是完全由该校的工程专业学生借助 Mentor Graphics VeSys 2.0 电气设计工具包而开发的。比赛从构造、性能以及成本和销售计划等方面对每辆车进行评定——所有这些方面都是可以通过整合良好的电气计算机辅助设计环境来改进的。

电气计算机辅助设计优化帮助设计人员找到平衡

模拟可帮助勇于创新的车队遵循一种历史悠久的设计方法——有时也叫“试凑法”——而且能够按时准备好接受测试的车辆。

设计人员发现,模拟工具可以在几天内就完成手动记录、绘图和原型制作等老方法需要几周才能完成的工作。几周时间完全可以用来研究更多改进,比如减轻重量和减少成本,特别是在每次重复只需要几小时而不是几天的时候。这个过程就叫“优化”,那些希望在最短时间内取得最佳效果的赛车设计人员应该会对它感兴趣。

下图就是一种优化过程,它之所以被称为“蜘蛛图”的原因是显而易见的。它从六个关键的成本和性能指标出发,对同一个系统设计的五个版本进行比较。其妙处在于每个版本的一个变量或所有六个变量可以是各不相同的。

在这种假设情况下,E 版本设计(以紫线表示)几乎在每个坐标上的指标都很出色,只是线束中包含的接头比其它版本都要多。这是可接受的吗?“蜘蛛图”没有给出答案,但是它为工程师提供了相关信息帮助其做出明智的选择。

由电气计算机辅助设计应用程序生成的“蜘蛛网”优化图对多种线束设计方案的关键变量进行比较

走向赛道前的最后思考

利用模拟和电气系统设计优化一定能帮助车队造出制胜的赛车吗?不一定。但是模拟确实给工程师留出了更多时间来思考更多创意和方法、试验新创意同时符合紧迫的设计日程安排。这可能正是打造冠军级赛车所具备的优势。