数字孪生在汽车制造领域的应用 | 基于数字孪生的数字汽车风洞技术
内容来源：快提时代
01 案例背景及基本情况
空气动力学性能是汽车的重要特性，优良的空气动力学性能对于提升汽车的安全性、操控性、舒适性以及能耗经济性都有着重要的意义。
作为目前研究汽车空气动力学的两种主要手段，汽车风洞试验与数值仿真有着它们各自的优势：
1.风洞试验具有更高的直观性和实用性，但成本相对数值仿真来说较高；
2.数值仿真拥有更好的可重复性和灵活的数据处理方式，但其准确性和可靠性低于风洞试验。
因此将两者的优势结合、将风洞实验室进行数字化，是一项兼具市场前景与挑战性的研究。
PS:当把所有的优势集 合起来，取长补短后，一种新的势能便诞生了。
目前，世界范围内各大汽车公司（如奔驰、宝马、奥迪、福特及丰田等），软件供应商及服务团队（如 DASSAULT 公司），以及一流的风洞试验室（斯图加特FKFS风洞、NAVISTAR风洞等）均有/已开展风洞数字化项目，并将其作为科研与技术服务的重点方向。而在国内，汽车风洞属于稀缺资源，对于风洞数字化的研究还处于起步阶段。
利用数字孪生方式开展数字风洞建设，将风洞测试技术与 CFD 技术进行结合，使得在软件中重现风洞试验的流场细节成为了可能，该项目在为工程师提供更全面的流场信息的同时，也将为挖掘更深层次的车辆空气动力学机理、拓展风洞测试实验能力以及未来的风洞技术升级打下坚实的基础。
02 系统框架
风洞 - 数字风洞数字孪生应用框架模型
数据层
数据层是物理世界与虚拟世界交互和协同的关键，也是数字孪生的关键。本层将通过先进的测量技术，将实验中所有的测量数据及环境条件转换为数字信息，并且能按照自诊断的要求对其进行相应处理和高效传输，同时也能 接受控制的决策指令，从而实现少人干预的闭环控制要求。
模型层
在数据中得到的信息均可以与数值计算结果进行比较与优化迭代，其中气动力与流场信息相关数据对应流场计算结果，噪声数据可以与风噪匹配 nvh 仿真结果，车身结构动态变形对应流固耦合仿真结果。模型层要实现仿真模型的搭建和计算，要将几何数据、环境数据进行建模，重点是物理模型的选择与多个仿真软件之间的交互。
控制层
控制层的重点是实现仿真结果与测量结果的的优化迭代，在迭代结果获得之后要反馈给数据层与模型层，提升测量设备与仿真模型准确性。
应用层
通过本课题打造数字孪生，仿真技术的应用将扩展到车辆各设计阶以及风洞的升级改造阶段。对于本实验室，信息将用于提升仿真精度与测试精度、扩展风洞测量功能，由本系统提供的信息将涵盖汽车产品的外形开发、故障检测、智能维护等应用。
例如，通过日益智能化的工业设备所提供的丰富传感器数据与仿真技术强大的预测性功能双剑合璧，帮助车企分析特定的工况并预测故障，从而在生产和运维方面节约成本。大部分产品研发成本都锁定在概念设计阶段，本系统的应用可以在早期快速迭代获得最优气动性能，避免在不切实际的设计上浪费时间，并且防止在验证阶段对设计返工。
03 案例特点
本案例的主要特点为对中汽中心风洞实验室进行的详尽的建模与数字还原，通过数字孪生技术，在实体风洞与数字风洞间建立起数据映射关系，不断完善数字风洞的物理模型，拓展实体风洞的测量能力限制。
该项目的主要创新点有：
风洞实验室的数字化模型搭建
相比于传统 CFD 仿真，数字风洞将为整车仿真提供更高拟合度，更高精度以及更具有可对比性的仿真数据。利用两款基于不同原理的 CFD软件对中心风洞进行数字化，同时进行不同风洞间、风洞与数字风洞间的横向对比。
风洞标定模型的设计、测试与应用
基于一款自主设计制造的风洞标定的 CDA 可调模型，该模型可以为不同风洞间、风洞与数字风洞间的横向对比提供多种 CDA 配置下的数据，也可用于设备稳定性与数据可重复性检测。
数字化成果的集成与封装
利用 CFD 软件的开发接口，将数字风洞集成化、功能化、插件化，将研究结果转化为具有自主技术的软件插件，形成未来服务企业与科研开发的重要技术工具，为未来在国产软件、开源软件内的应用积累技术，应对可能发生的商软技术壁垒。
04 实施步骤
该项目的实施步骤主要分为四部分：
项目启动后，首先将基于两款商用软件（STAR CCM+ 和 PowerFLow）对中汽中心的气动声学风洞进行物理建模，并对空风洞中的关键流场特性进行对标，例如对边界层厚度、射流角度以及压力梯度等进行调整，获得更为真实的流动模拟法。
第二阶段为可变 CDA 模型的制造与数字风洞的矫正环节，通过具有特定 CDA 数值的模型的测试，对非空流场的仿真模型进行进一步的校准和修正。
第三阶段为多车型的数字风洞完善环节，在这一阶段中，六类（微型轿车、轿车、MPV、SUV、轻型客车以及轻型卡车）基础类型的典型车辆将作为用于最终验证和完善数字风洞的数据样本。至此，数字风洞物理模型搭建完毕。
第四阶段为二次开发阶段，结合软件的二次开发接口，形成可以嵌入 CFD 软件的功能性插件，对目前的仿真流程进行依据用户需求的优化和补充。
05 设计的关键技术
基于两种不同软件的数字风洞搭建
基于 STAR CCM+(SIEMENS) 软件的稳态和瞬态计算模型对中心气动声学风洞进行几何重现和物理仿真，利用该数字风洞预测车辆在实际风洞中的受力情况，利用风洞实测获得的数据和数字风洞的预测结果进行对比并利用实测结果对于仿真结果进行评价和修正。其中，需要格外关注的变量主要为边界条件的设置与湍流模型选择。由于汽车风洞外流场具有强烈的湍流与瞬态特性，因此不同的湍流模型对于力学结果的影响非常显著。
结合 STAR CCM+ 软件平台下的数字风洞边界条件设置，基于POWERFLOW（DASSAULT）软件对中心气动声学风洞进行建模仿真。
除了对比该软件的力学仿真结果外也要重点关注该数字风洞对于实际声学测量的预测的准确性。
可调 CDA 标定模型的设计制造设计制造一辆具有可变 CDA（即气动阻力系数 * 投影面积）值的风洞模型车，使其满足 CDA 在 1.2m² 至 2.0m² 内连续可调在 2.2m²，2.4m²，2.6m² 处间断可调。利用其 CDA 可调的特性纵向地检测风洞试验室测量的稳定性与可重复性，横向地比较不同风洞试验室的力学测量机构，提升各试验室间的测量数据的可对比度与参考性，这对于目前国内整车风洞技术的研究与进步有着重要的意义。
风洞测试与数字风洞的标定
利用至少六台实车与可调 CDA 模型的风洞试验结果对两种数软件平台下的数字风洞进行调整，逐步修正其物理模型与仿真边界，最终完成该数字风洞的标定和结果修正。
数字风洞的调试与封装
出于对于操作便利性和高集成度的追求，在完成 STAR CMM+ 平台下的数字风洞建模后，要对其基础功能进行封包整合，并以插件的形式嵌入 STAR CCM+ 以提高空气动力学正向开发的便利性。该插件应具备虚拟风洞流场形式的选择、不同湍流模型的选择、湍流模型参数的风洞对标推荐值、计算规模与硬件匹配程度、误差预测与修正方法等多种功能以确保工程师可以获得具有与风洞试验极高对比度的原始数据与其所采用模型对应的修正方法。
06 案例成效和意义
中汽中心风洞数字化是一项兼具学术和市场的前瞻性的重要科研项目。虽然目前国内部分风洞运营方已经提出了“虚拟风洞”或“数字风洞”的概念，但具备实体风洞对标能力并得到学术界普遍认可的数字风洞还尚未出现，该研究的先进性与紧迫性不言而喻。
其关键成效在于：
提升数值仿真对标风洞试验的模拟精度
相比于传统 CFD 仿真过程，数字风洞的搭建需要基于特定的风洞设施与空气动力学试验设备，对于一些重要的流动特性（例如边界层厚度，湍流度空间分布，气流散度角空间分布等）进行模拟修正，并在此基础上与试验室测量结果进行对比调试。由于引入了特定风洞的流动参数，因此数字风洞模型也是因风洞而异的，其最大的特征在于考虑了风洞设施自身对于流动的影响，相比于传统 CFD 仿真，其结果与风洞试验结果相比将更具参考性。参考目前市场（EXA）价格，完成30轮计算并结合实验设计、实验实施与数据分析，风洞数字化项目的收入约为 150 万元 / 项目。如果以租赁形式向主机厂提供数字风洞插件（参考 EXA 收费方式，按照算例证书收取费用），按照 6 家企业自研并采用数字风洞证书估算，数字风洞证书收入约为 120 万元 / 年。
气动声学风洞试验能力扩展（虚拟）
由于设备技术及建造成本上的约束，所有的现实风洞都是“妥协”的，局限的，无法满足汽车空气动力学研究日益增长的试验需求。通过数字化，可以最大限度地克服风洞的这些局限性，提供超越风洞实际试验能力但准确性和可靠性非常高的准现实虚拟仿真结果。如提供更高的风速，更真实的雷诺数，更大尺寸的试验对象，不同的环境条件模拟，等等。
总体上，以目前 60 万级外包开发项目为例，单个项目可获得 15%-20% 的效益增长（约 12 万元），应用投入市场后，由数字风洞带来的 CFD 仿真效益增长可达 300 万元以上。
提升工程服务竞争力，仿真 / 试验相互促进中汽中心风洞于 2020 年中进行标定，届时风洞各项参数指标将可以作为数字风洞搭建的对比基础，结合两种特定的仿真软件对其物理模型的参数进行调节。该研究成果可以缩短整个开发流程，同时，通过与风洞试验结果对比得到的高可信度的数值仿真结果也将更具有参考价值。目前预估，数字孪生技术将带来年均 300-400 小时的增量，转化约 1000 万/ 年的收入。
经过后期多轮与试验数据的对比调试后，利用 CFD 软件的二次开发接口将研究成果封包转化为插件程序，有选择的提供给风洞试验的大客户。在提升中汽中心空气动力学研发实力的同时，进一步提高工程服务竞争力，形成仿真及试验业务的相互促进的良好局面。
