Cradle CFD助力雅马哈发动机公司提升摩托车性能

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引言

雅马哈发动机公司是世界上主要的摩托车公司之一，是世界领先的摩托车制造商以及电动产品制造商。他们在国内外摩托车比赛中有着悠久的历史，一直使用Cradle CFD软件来进行顶级摩托车比赛仿真——MotoGP（摩托车世界锦标赛）。Cradle CFD具有空气动力学方面的竞争优势，并能够有效保证其设计符合规范。此外，其强大的可视化能力和鲁棒性，再加上其友好的用户操作界面，能够满足在比赛环境中设计开发快速摩托车的要求。

连续参加国际比赛的历史

雅马哈汽车公司60%的销售额来自摩托车。他们的产品包括舷外马达、全地形车(四轮小车)、雪地摩托、汽车发动机、芯片安装机和工业机器人，甚至包括无人直升机，其90%的销售额来自日本以外的地区。该公司的参赛历史可以追溯到1955年，他们开发的摩托车YA-1赢得了在富士山举行的第三届摩托车比赛。从那时起，他们一直参加MotoGP比赛，并在日本以外的领域发展壮大。

参加MotoGP和FIM世界锦标赛对雅马哈非常重要，这个比赛具有很高的知名度，每年3 ~ 11月会在日本等四大洲举行19次，在全球207个国家同步播放。

雅马哈发动机的工厂团队，怪兽能源雅马哈 MotoGP队赢得了摩托车的“三冠王”，包括2015年车手冠军、车队冠军和制造冠军。在2019年，Valentino Rossi和Maverick Viñales为车队骑上MotoGP摩托车YZR-M1(图1)。

图1. Valentino Rossi（左）和Maverick Viñales（右）为车队骑上MotoGP摩托车YZR-M1。

赛车运动研发部的川松正太郎先生(图2)是MotoGP比赛中摩托车研发团队的一员。他于2016年加入雅马哈发动机公司，此前他致力于赛车的空气动力学分析，现在正在为团队开展设计开发方面的工作。

图2. 川松正太郎先生，雅马哈发动机公司赛车运动研发部，Motor GP团队。

雅马哈数码工程部的岛田清先生(图3)负责使用CAE分析工具及CAE工具的培训工作。岛田先生于1987年加入该公司，主要负责摩托车车身设计，有10年的MSC Nastran结构分析经验。在2000年，他开始使用Cradle进行流体分析，并致力于各种产品的开发，负责引进流体分析相关工具，分析技术的培训，以及赛车手册的保养流体分析。

图3. 岛田清先生，雅马哈发动机公司工程基础设施发展集团数码工程部高级主管。

自2002年以来，雅马哈采用了Cradle进行MotoGP设计，开发他们的产品。“我们使用Cradle CFD提高了摩托车整体驾驶性能、舒适性和可靠性”，川松先生说(图4)。

图4. 模型变化及分析结果(2002 - 2018)

MotoGP设计中的空气动力学和热流体验证

在分析空气动力学时，注意摩托车在直线上行驶时的稳定性是很重要的。在MotoGP中，摩托车排量1000毫升，马力240匹，最高时速350公里，超过了子弹头列车的速度！保持身体在高速下的稳定不仅对比赛时间很重要，而且对骑手的安全也很重要。另一点是转弯的可控性。转弯速度达到200公里/小时，摩托车的倾斜延伸到60度，到达终点线和车手的疲惫程度取决于来自空气的阻力。

此外，由于气流会影响其他问题，因此需要靠发动机的马力使空气进入机头，同时兼顾散热器、机油和刹车的性能，以及电气元件的冷却性。在风洞实验中，不仅要花很多时间来验证一切，而且很难先让车手骑在上面进行测试，所以雅马哈使用了Cradle CFD进行事先验证。

如何应对翼子板的禁用情况

根据MotoGP的规定和发展趋势，车体的形状每年都会发生变化。例如，在2000年代早期，风罩的最高优先级是为了达到最高速度，并在直线轨道上最大限度地减少空气阻力。

2015年前后，气动趋势转向前风罩翼。翼子板产生下压力并帮助避免前轮相撞。当车速达到350km /h时，车身会受到卡门涡的影响而出现晃动，但可以通过按压前轮来改善。为了避免前轮滑行，ECU(发动机控制单元)可以作为一个选择，但它限制了发动机的输出，可能会导致减速——这就是为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。所有不与身体流线整合的附属物都被禁止，包括扰流器。

此外，该规定还要求他们为所有参赛者使用通用的ECU软件程序。“本来我们想通过运行内部软件来实现所需的精确控制，但这是不可能的，这样会导致轮距控制性能下降，翼子板对前轮的影响是相当显著的，但是我们不能屈服于规则。我第一年的挑战是设计出能在内部产生下压力的空气动力学部件。”川松先生说。从此他开始使用Cradle CFD，岛田先生帮助他学习操作。

可视化有助于解决规则谈判

在新的规则理解过程中，川松提出了一个实现最大气动性能的想法，即将翼子板结构置于内罩内。他说：“骑手们强烈希望留下2015年设计的翼子板所达到的空气动力学能力，或者能够改进它们，我希望它能满足他们的期望”(图5)。

图5. MotoGP摩托车的变化，内罩型2017(左)、侧吊舱型(右)。

由于需要得到举办方的批准才能证明整流罩的形状符合规定，Cradle CFD的后处理能力帮助他们证明了形状的合法性。川松先生说：“CFD可视化分析结果有助于提供合理的解释并说服举办方。” 他们创建了200个模型，并在2016年底进行了分析，选择了最好的5个模型进行实际运行测试，这些模型满足一定程度的空气动力学和可操作性，最终得出最佳规格。川松先生认为，通过这个过程，他可以加强对空气动力学发展的理解。

易于应用在新的CFD分析

岛田先生使用Cradle CFD提供内部CFD培训。这是一个一对一的训练，在5到6个半天的课程后能够掌握基本的分析方法。每个学员在开始阶段的理解程度不同，有的像川松先生一样学习了CFD并获得了深刻的理解，有的则没有。岛田根据学员的水平改变他的培训方法，并确保他的课程包括操作和对结果的解释。

岛田先生声称Cradle CFD是最友好的CFD软件。前处理和后处理界面比任何其他软件都简单，他认为这是日本制造的特点。川松先生还认可Cradle CFD易于应用于新的CFD分析问题，当先进行空气动力学分析，然后再进行电子部件的热分析时，他可以直接改变条件和设置。

赛车的发展需要即时的CFD解决方案。川松先生说:“一开始我不习惯这个软件，我无法生成精细网格，但Cradle CFD具有高鲁棒性和足够的精度。如果有计算上的容易发散，我们必须确定原因，这将是一个棘手问题。在赛车的开发过程中，我们经常被要求在一天结束时给出分析结果，这就是我们喜欢Cradle CFD的原因。它鲁棒性好、速度快、精度高。”

“Cradle CFD的支持团队非常出色”岛田先生说。雅马哈马达现在开始转向scFLOW——SC/Tetra的替代版本，并期待更多的功能增强。

全球化发展

雅马哈汽车在全球拥有多个摩托车研发基地。目前，CFD分析由总部的工程师进行，但他们正在考虑将Cradle CFD引入其他基地。当这成为可能时，这将意味着要么由总部的工程师将计算分析结果交给区域的工程师审查，要么由每个区域的工程师自己进行CFD分析。前一种想法更容易实现，因为区域的工程师只需要安装软件。但后一种想法，他们需要一个教练来确保区域工程师熟悉软件和硬件，因此，CFD的引入将会有更多的讨论。

尽管如此，川岛先生认识到未来在全球范围内应用CFD的潜在需求。Cradle CFD可通过海克斯康工业软件提供，并由全球各地的代表提供支持。雅马哈发动机公司当然也是如此，海克斯康将帮助他们进一步推动全球化发展。

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来源：IFD优飞迪

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首次发布时间：2023-05-10