軟件加速一級(jí)方程式設(shè)計(jì)

他們的臉上涂著藍(lán)色的芬蘭國(guó)旗，頭上畫著紅色的法拉利種馬，一群20萬(wàn)人的尖叫在9月24日在印第安納波利斯賽道上觀看一級(jí)方程式賽車比賽。自從1991年亞利桑那州鳳凰城在這個(gè)國(guó)家舉辦了最后一場(chǎng)F1比賽以來，美國(guó)賽車迷們已經(jīng)等待了近十年。速度超過200英里/小時(shí)，“The Brickyard”的比賽花了不到兩個(gè)小時(shí)。但真正的比賽發(fā)生在1月份，因?yàn)楣こ處焾F(tuán)隊(duì)在短短五個(gè)月內(nèi)完成了繁忙的開發(fā)周期，為賽季創(chuàng)造了全新的賽車!

Atlantic Design&Manufacturing是東海岸領(lǐng)先的設(shè)計(jì)工程師貿(mào)易展，提供最新的3D打印，自動(dòng)化和CAD / CAM軟件，包括FedEx，GE Appliances，Procter&Gamble以及其他數(shù)百種軟件。

對(duì)這些汽車的要求是如此之大，以至于22輛汽車中只有一半的汽??車在印地完成了比賽，失敗者用吹制的發(fā)動(dòng)機(jī)噴出火焰和煙霧。獲勝者，法拉利車隊(duì)的德國(guó)車手邁克爾·舒馬赫，為車隊(duì)的勝利歸功于他的工程師：“我們?cè)谲嚿嫌?00個(gè)零件，我不知道你能調(diào)整多少，但這就像一個(gè)謎題。”

解決這個(gè)難題意味著整個(gè)17個(gè)賽季的工程師都會(huì)努力工作，因?yàn)樗麄儠?huì)調(diào)整賽車以達(dá)到每個(gè)特定球場(chǎng)的最高速度。

“當(dāng)人們看到賽道上的F1車隊(duì)時(shí)，他們只能看到冰山的可見部分，”法國(guó)Guyancourt的Prost團(tuán)隊(duì)工程經(jīng)理Didier Perrin說。

該團(tuán)隊(duì)雇傭了230名員工，除了發(fā)動(dòng)機(jī)外，還與170名Peugot員工合作，他們提供特制的發(fā)動(dòng)機(jī)。普羅斯特工程師每年開始設(shè)計(jì)一款新車，從9月開始全尺寸CAD模型開始，到1月份完成。

這只是設(shè)計(jì)，工具，制造和裝配的五個(gè)月。簡(jiǎn)而言之，Perrin說，“我們有一個(gè)非常非常非常繁忙的冬天。”

當(dāng)這個(gè)家伙說這是一輛全新的汽車時(shí)，他并不是在開玩笑說：“從一年到另一年，整車上唯一的共同點(diǎn)是鏡子，”佩林說。“看起來很瘋狂，但這是真的。”

加快設(shè)計(jì)周期。只有一種方法可以通過如此緊湊的設(shè)計(jì)周期 - 并行工程。在Prost團(tuán)隊(duì)的案例中，這意味著他們必須在完成零件規(guī)格的定義之前開始設(shè)計(jì)模具和模具。

挑戰(zhàn)始于體育管理機(jī)構(gòu)FIA制定的規(guī)范。例如，盡管駕駛員的重量和265磅的V-10 Peugot發(fā)動(dòng)機(jī)等限制因素，汽車和駕駛員在任何時(shí)候都必須至少重1,323磅。

Perrin說，由于這些嚴(yán)格的限制，減肥的唯一方法是設(shè)計(jì)每個(gè)組件以滿足多個(gè)要求。例如，單殼體底盤主要是結(jié)構(gòu)性的，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)和懸架固定在其上。但是在頂部安裝空氣動(dòng)力學(xué)皮膚會(huì)增加太多重量，因此底盤也必須是空氣動(dòng)力學(xué)的。

CATIA的數(shù)字化制造產(chǎn)品DELMIA研發(fā)執(zhí)行副總裁Pascal Lecland解釋說，當(dāng)你快速移動(dòng)時(shí)，實(shí)際成本就在于生產(chǎn)而非設(shè)計(jì)。

因此對(duì)于Prost團(tuán)隊(duì)來說，另一種加速設(shè)計(jì)的方法是外包生產(chǎn)。除發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱外，該團(tuán)隊(duì)擁有生產(chǎn)內(nèi)部汽車每個(gè)部件的生產(chǎn)能力。但即使每年僅生產(chǎn)8輛汽車，他們也很少這樣做。

“我們內(nèi)部生產(chǎn)的比例僅為40%，而轉(zhuǎn)包的比例為60%，”佩林說。“在內(nèi)部制造機(jī)密和應(yīng)急部件是一種戰(zhàn)略選擇，因?yàn)檫@個(gè)過程太慢了，工廠將不會(huì)在今年剩下的時(shí)間里使用。”

電腦生產(chǎn)力工具。Prost團(tuán)隊(duì)使用44個(gè)CATIA席位處理此計(jì)劃，并使用Dassault的ENOVIA PDM管理單個(gè)通用數(shù)據(jù)庫(kù)中的所有組件 - 這是不同工程師同時(shí)設(shè)計(jì)零件時(shí)的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。

他們還使用CATIA Composite來設(shè)計(jì)車間制造信息，并將CAD模型發(fā)送到MSC.Patran和MSC.NASTRAN FEA。

F1設(shè)計(jì)中使用的其他CAD產(chǎn)品包括SDRC的I-DEAS(由Jordan和Williams團(tuán)隊(duì)使用)，PTC的Pro / ENGINEER(由法拉利車隊(duì)使用)和Unigraphics(由Team Jaguar使用)。

但僅憑酷炫的軟件工具無(wú)法加速F1的設(shè)計(jì)周期 - 團(tuán)隊(duì)也必須改變他們的設(shè)計(jì)流程。

IBM產(chǎn)品生命周期管理解決方案集團(tuán)經(jīng)理Martin Jetter Jr.說：“重要的是不要將開發(fā)周期作為一個(gè)封閉的商店來運(yùn)行，就像從煙囪冒出白煙一樣。”“對(duì)于F1來說，最重要的是在賽車隊(duì)和公司的發(fā)展部門之間建立協(xié)作聯(lián)系，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)在一個(gè)賽季中改變比賽，”杰特說。

總部位于英國(guó)沃金厄姆的邁凱輪車隊(duì)也是如此。

“他們的上市時(shí)間介于比賽之間，因此不到10天，”Sun Microsystems的邁凱輪技術(shù)客戶經(jīng)理Richard Jacklin說。“在賽季結(jié)束時(shí)，百分之七十五的賽車是不同的。”

在設(shè)計(jì)周期的早期使用FEA。對(duì)于任何團(tuán)隊(duì)而言，這個(gè)快速設(shè)計(jì)過程的關(guān)鍵部分是鼓勵(lì)設(shè)計(jì)師進(jìn)行自己的基本壓力分析。

這可能意味著對(duì)工程師進(jìn)行更多培訓(xùn)，但自動(dòng)網(wǎng)格劃分和壓力分析可以使過程變得如此簡(jiǎn)單，可以從下拉菜單中運(yùn)行，他說。仍然需要FEA專家，但僅限于最復(fù)??雜的模擬。

Jetter表示，這些方法也適用于商用汽車制造商。當(dāng)他在1986年開始教授CATIA時(shí)，梅賽德斯S級(jí)轎車的設(shè)計(jì)周期為10年，而今天的周期為28-36個(gè)月。

這很快，但還不到五個(gè)月。前期FEA是實(shí)現(xiàn)這些更快周期的最常見方式之一。

技術(shù)總監(jiān)Mike Coughlan表示，英國(guó)Team Arrows使用在SGI工作站上運(yùn)行的CATIA V4。所有這些計(jì)算能力使他能夠堅(jiān)持要求他的工程師進(jìn)行一些自己的分析。

“F1完全取決于結(jié)構(gòu)的效率，無(wú)論是強(qiáng)度還是剛度。所以這樣，我們的男孩們可以看看它并避免一些禁忌，然后我們會(huì)把它傳遞到壓力辦公室進(jìn)行更復(fù)雜的分析“。

與普羅斯特車隊(duì)一樣，Arrows工程師每年7月至1月期間設(shè)計(jì)一款新車，由該公司位于英國(guó)牛津郡總部的250名員工創(chuàng)建。整個(gè)賽季本身都在循環(huán)。

空氣動(dòng)力學(xué)。一些工程師說空氣動(dòng)力學(xué)是最重要的變量。印第安納波利斯在F1賽道上是獨(dú)一無(wú)二的，因?yàn)锽rickyard的直接賽道很長(zhǎng)，以至于賽車將以全油門運(yùn)行24秒 - 比任何其他路線都要長(zhǎng)。然而，由于空氣動(dòng)力學(xué)占據(jù)了至高無(wú)上的地位，因此這里的汽車速度不會(huì)最快。Indy球場(chǎng)的緊急彎道要求賽車的前后翼有巨大的下降氣流，因此產(chǎn)生過大的直線速度阻力。

“當(dāng)你設(shè)計(jì)其中一輛車時(shí)，它就像一個(gè)魔方，因?yàn)槲覀冇刑嘞嗷ッ艿囊螅?rdquo;瑞士Hinwil的索伯車隊(duì)?wèi)壹軐＜襇att Cranor說。

但是在完成所有這些計(jì)算之后，只有一個(gè)底線 - 比賽結(jié)果。

“比賽周末真的證明了你在測(cè)試時(shí)所發(fā)現(xiàn)的，”他說。“你只是來到這里，窗簾上升，你走了。”

F1成功的公式

價(jià)格標(biāo)簽

在五個(gè)月內(nèi)設(shè)計(jì)一輛汽車的成本比底特律典型的36個(gè)月周期要多得多。Prost Francois Sedan表示，像普羅斯特這樣的中型團(tuán)隊(duì)運(yùn)營(yíng)一年的成本約為1億美元，法拉利和邁凱輪等頂級(jí)車隊(duì)的這一數(shù)字可能會(huì)達(dá)到1.2億美元。是的，八輛車的價(jià)值是1億美元。

所有的錢都去哪兒了?

每輛車將在200英里的比賽中穿過32個(gè)輪胎，如果下雨則會(huì)更多。僅輪胎每個(gè)周末就要10萬(wàn)美元。

每個(gè)團(tuán)隊(duì)每季將使用約210臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，包括賽車和試驗(yàn)車。

每個(gè)方向盤的成本為20,000美元至30,000美元

無(wú)線電遙測(cè)

每個(gè)團(tuán)隊(duì)跟蹤來自發(fā)動(dòng)機(jī)的大約50個(gè)參數(shù)和來自底盤的100個(gè)參數(shù)，監(jiān)控變量，例如懸架臂上的負(fù)載，制動(dòng)器和油溫和壓力，以及換檔時(shí)間。

Prost工程師Francois Sedan表示，Prost團(tuán)隊(duì)通過實(shí)時(shí)編碼的無(wú)線電傳輸監(jiān)控60%的數(shù)據(jù)，然后通過引擎蓋下的第二個(gè)天線收集剩余的40%，每次車輛通過坑時(shí)都會(huì)播放“突發(fā)傳輸”。 。

邁凱輪車隊(duì)每輛車每圈收集大約2 MB的數(shù)據(jù)，將其存儲(chǔ)在車庫(kù)后面的Sun UltraSparc2服務(wù)器上。然后，這些服務(wù)器將最重要的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Java，并通過微波鏈路將其傳輸給賽道上的團(tuán)隊(duì)?wèi)?zhàn)略家。

座位

Dassault子公司Safework的首席執(zhí)行官羅伯特·卡里爾說，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)2000賽季冠軍邁克爾·舒馬赫駕駛艙的工程師在2001賽季以200毫米的準(zhǔn)確度掃描了他的身體，準(zhǔn)確度為正負(fù)1毫米。

“他們?cè)跈C(jī)械方面投入了數(shù)百萬(wàn)美元，但他們從未投資過接口級(jí)別，即座椅設(shè)計(jì)，踏板位置和方向盤設(shè)計(jì)，”他說。

當(dāng)然，按照這種精確度，他們不得不幾乎赤身裸體地掃描他，因此有兩個(gè)版本的數(shù)字舒馬赫 - 在他的內(nèi)衣和他的全套賽車服。每個(gè)版本包括多個(gè)位置，例如當(dāng)他轉(zhuǎn)動(dòng)方向盤時(shí)二頭肌彎曲的方式。結(jié)果是一個(gè)符合人體工程學(xué)優(yōu)化的座椅，從他的視野到最小化他駕駛汽車所需的能量。

齒輪和懸架

每支隊(duì)伍必須計(jì)算最好的一組齒輪，以便發(fā)送到17場(chǎng)比賽中的每場(chǎng)比賽。為此，Team Sauber通過將輪胎特征，預(yù)期最高速度和其他變量輸入到軌道模擬器中，預(yù)先模擬虛擬驅(qū)動(dòng)器中的路線。

該程序預(yù)測(cè)每個(gè)賽道對(duì)懸架的影響。例如，印第安納波利斯的13號(hào)彎是F1車手唯一一次參賽，因此在車輪，軸承和支柱上產(chǎn)生了獨(dú)特的應(yīng)力，索伯隊(duì)的Matt Cranor表示。

方向盤

F1方向盤就像一個(gè)微型星艦企業(yè)，有幾十個(gè)按鈕，LED顯示屏，表盤和儀表。哦，它還有一個(gè)離合器和換檔。為什么?換檔是半自動(dòng)的，通過在安裝在方向盤上的撥片上輕彈拇指來完成。你正在轉(zhuǎn)換七個(gè)前進(jìn)檔(和一個(gè)倒檔)，所以你的拇指可以鍛煉身體。

“這就像一個(gè)Gameboy，”普羅斯特隊(duì)的Francois Sedan說道。當(dāng)你看到駕駛員每次進(jìn)出車時(shí)取下車輪時(shí)，這種比較似乎很合適，拿著價(jià)值20,000美元的椒鹽卷餅形裝置就像一個(gè)視頻游戲控制器。但是當(dāng)你在左轉(zhuǎn)彎時(shí)有四個(gè)彎道，并且每個(gè)賽道有九個(gè)右轉(zhuǎn)彎達(dá)到73圈時(shí)，賭注比在街機(jī)上贏得的要高一些。

鼻錐和翅膀

在比賽中，每輛車都有兩到三個(gè)備件。但是對(duì)于經(jīng)常損壞的部件，例如精致的，空氣動(dòng)力學(xué)的鼻錐和機(jī)翼，可以有多達(dá)七個(gè)備件。