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内燃机设计中的CAD/CAE/CFD技术 |
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作者：高宏阁 朱敬锋 李树花 程晓鸣 |
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一、前言
我国内燃机传统的设计过程中，由于前期设计阶段缺乏试验用的样机，往往参考国外同类型样机，依靠工程设计人员的经验，经过大量试验与测试，进行改进设计，因此很难避免设计中存在潜在的缺陷。这样，有关装配、操作和维护的问题往往只会在设计后期或在最终产品试车过程中，甚至在投入使用一段时间后才能暴露出来，所以产品往往不得不返回到构造设计阶段以进行必要的修改，这样的设计过程不仅效率低，费用还高。
早在二十世纪八十年代，我国就提出了"甩图板"的口号，成为我国制造业信息化建设起步的号角。今天越来越多的企业正在把信息化作为推动本企业发展的重要手段，而在信息化的应用上以CAD/CAE技术最为广泛。
早期的CAD就是单纯的二维绘图，在内燃机行业中最早使用的是AutoCAD、CAXA，它们是真正的电子图板，随着软件业、计算机技术的蓬勃发展，大量三维CAD软件层出不穷，如UG、Pro/E、SolidWorks、CATIA等，它们卓越的参数化设计和基于特征设计功能受到广大内燃机设计工作人员的青睐。
CAE/CFD软件是迅速发展中的计算力学、计算数学与现代计算机科学和技术相结合而形成的一种综合性、知识密集型的信息产品。随着市场竞争日益激烈，更多的企业越来越清楚意识到要想提高工程、产品的设计质量，降低研究开发成本，缩短开发周期，推出优秀的创新产品，从而尽快地占领更多的市场，那么应该把CAE/CFD技术作为实现工程、产品创新的有力工具和重要的支撑技术。而内燃机作为一种十分复杂的热力机械，在它的设计中涉及的运动学、动力学、热、力、噪声等问题，使CAE/CFD得到了广泛应用。
图1 某小型内燃机
二、CAD在内燃机设计中的应用
内燃机中许多零部件的设计，如果采用传统手工设计方法很难满足精度要求，而使用CAD技术，尤其是三维CAD技术能直观表达、设计方便。
在内燃机的计算机辅助设计中，实体造型是其中的重要过程。早期的CAD软件建模结束后导入CAE分析得出结论之后，往往需要修改设计方案，现在由于参数化建模思想和基于特征建模思想的产生，使某一尺寸发生变化需重新建模的尴尬彻底消失，图形的修改变得十分容易，设计效率变得更高。
另外，在给客户提供零部件改进方案或三维效果图时，常常是只有实物而没有任何图纸或CAD数据，特别是样件造型中有曲线、曲面时，很难通过测量获得准确的数据，以至于得不到原件的精确三维图。由工件产生图纸或相关尺寸数据的过程属于逆向工程领域，它可以采用三坐标法获得，而目前三坐标中又引入了CAD功能，使这项工作变得相对简单。例如首先用三坐标测量仪获得工件点云，再利用Imageware等软件处理点云，导入UG等CAD软件对数据进行处理，即可得到精确三维图。
下面列举几个CAD方面的例子：
①三维测绘到CAD建模
图2 某小型冷却风扇三维测绘后实拍图内燃机冷却风扇CAD模型
②内燃机设计中的CAD建模 
图3 某小型内燃机总装三维模型
图4 某摩托车消声器CAD模型
三、CAE在内燃机设计中的应用
目前在国内的内燃机设计中广泛采用了CAE技术，但企业的重视程度却不高，尤其是一些中小发动机生产厂家，这不仅是由于CAE软件价格昂贵且全英文界面，更主要是对软件操作人员知识层次要求很高，企业培养一个自己的科研团队往往是投入大、回报少，因此它并不像CAD那样普及，主要模式是内燃机有关的科研院所和生产企业合作开发新产品，企业提要求，科研院所出方案。
在国外，不论是概念设计阶段还是产品开发阶段，只要是产品设计就必须用CAE。这不仅是观念问题，而是由于国外的竞争完全是白热化的。产品研制周期的延误、公司的承载能力和产品成本等任何问题都会对企业造成非常大的影响，CAE技术是帮助他们提高研发能力最具价值的投入。
伴随着国内行业间竞争的日益激烈，不靠创新来提高产品附加值就很难生存和发展。此时，企业就会迫于市场压力而不断改良产品，CAE在国内的应用也将更为普及与深入。
CAE技术在内燃机设计中的主要应用有：
(1)结构强度分析
结构强度是保证内燃机工作安全性、可靠性的重要指标，因此结构强度分析应用最为广泛。它可以判断结构在工作载荷作用下是否安全，哪些部位发生应力集中，哪些部位强度不足，以此来改进设计。像ANSYS、MSC.NASTRAN等大型CAE软件都提供了极为方便快捷的分析手段。
(2)动力学仿真分析
动力学仿真基于多体动力学理论，可在研究阶段预测内燃机运动机构甚至整车的动力学性能，对这些性能进行优化，以达到提高产品性能的目的。MSC.Adams就是其中一款十分优秀的专业动力学分析软件。
(3)其他分析
结构优化设计、模态分析、疲劳分析、热分析、噪声分析等也都是内燃机设计中经常要进行的仿真内容，绝大多数的大型有限元软件都能做以上分析。
下面列举几个CAE方面的例子：
①内燃机设计中强度校核
图5 某小型发动机飞轮螺栓强度校核
②内燃机设计中的运动机构动力学仿真
图6 某小型内燃机运动机构动力学仿真
图7 相应的气门弹簧受力曲线 图8 相应的凸轮与挺柱间接触力曲线
③内燃机设计中的零部件噪声分析
图9 某小型内燃机冷却风扇3600rpm时由于结构振动而辐射噪声的声压云图
四、CFD在内燃机设计中的应用
随着计算机技术和湍流理论的发展，CFD即计算流体力学在研究和应用方面都取得了长足的进步。对于内燃机而言，它的进气、排气、冷却风扇、气缸等所有和流场密切相关的零部件对发动机性能影响都十分巨大，与试验研究相比，CFD开发时间短，所用的经费少，可以方便灵活地改变初始条件、边界条件以及几何边界条件，对研究对象的外流特性、内流特性，对整体、局部描述都十分清晰，它能使设计人员对流场品质和流动机理有更为深刻的认识，得到一些试验手段所得不到的理解和结论，因此尽管试验的可信度高，但由于试验测试手段的局限，且计算机模拟不受外界干扰等诸多优点的存在，CFD技术在内燃机设计阶段被普遍采用。
近年来，一些新的湍流模型和燃烧模型的提出使CFD在内燃机领域的应用更加深入，而网格技术的不断发展和计算机硬件水平的快速提升使网格数目可以划分的更多，使计算精度也在不断提高。国外在计算汽车外流场时，误差已经控制在5%以下，但国内CFD技术只是在最近五六年内才开始普及，积累经验还很少，还处于摸索阶段。
下面列举几个CFD方面的例子：
①内燃机设计中某小型内燃机冷却风扇内流场分析
图10 某小型内燃机冷却风扇内流场速度云图
②内燃机设计中某小型内燃机进气道内流场分析
图11 某小型内燃机进气道内流场湍流强度云图
③内燃机设计中某小型内燃机消声器内流场分析
图12 某小型内燃机消声器内部声功率级云图
五、内燃机设计中专用软件简介
国外的一些内燃机技术服务公司如美国的Gamma Technologies，英国Ricardo，比利时的LMS，奥地利的AVL都有自己的内燃机设计和仿真/分析软件，主要用于内燃机的动态特性仿真，各种运行情况下的耗油量分析，噪声、振动分析，结构力学性能分析，缸内燃烧特性分析等等。总之无论是新机型设计，原有机型改造还是内燃机系统的集成，都可以从这些软件的使用中得到非常有益的参考结果。
这类软件往往价格昂贵，而目前通用CAD/CAE/CFD软件多数支持二次开发，因此国内的内燃机设计人员在资金不足情况下可以根据自身需要开发出属于自己的设计模块、设计模板，以求进一步缩短产品研发周期，提高工作效率。
六、总结
国内内燃机行业要想不断快速向前发展，就要依托于CAD/CAE/CFD技术，而广大内燃机设计人员要想设计出高性能的内燃机就要掌握这项技术。在同国外同行业竞争中要立于不败之地关键就是创新，而CAD/CAE/CFD软件为我们创新设计提供了很好的工具。这使我们有理由相信，这项技术必然会在内燃机行业中发挥越来越重要的作用，并使内燃机设计迈上一个崭新的台阶。
参考文献
[1] 于建清，CAD在内燃机设计中的应用，山东内燃机，2004.10
[2] 李美芳，CAE技术及其发展趋势，制造业信息化，2005.8.vol(4)
[3] 宋振寰、朱炳哲，计算流体力学在模拟汽车外流场研究方面的发展状况，汽车科技，2002.1
(end)
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(7/14/2007) |
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