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发动机产品的数字化开发 |
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作者：长安汽车工程研究院 詹樟松 来源：AI汽车制造业 |
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在市场竞争趋于白热化的今天，汽车和发动机制造企业的成功取决于能否持续地向市场提供一流的汽车和发动机产品。富有创新的高效产品开发流程则是企业向市场持续提供一流产品的保证。
产品开发流程概述
发动机产品开发是一个庞大的，具体的产品开发管理程序集，其范围涵盖了从项目研究分析到批量生产整个过程，随着信息技术的发展，将数字化的开发成为一种趋势，发动机产品开发流程的数字化就是在PDM等平台上通过计算机和网络来处理、固化和集成整个发动机产品的开发过程见图1。
图1 发动机产品开发流程及其数字化示意图
本文选取发动机开发流程中的设计和验证阶段，以一款发动机从市场概念确定到虚拟样机开发完毕进入样机制作和物理试验开发为止，简单地介绍发动机产品的虚拟开发过程。
本文定义的设计和验证阶段的数字化开发可细分为概念设计阶段、布置设计阶段和详细设计阶段，每个阶段都包含了数字化设计和验证工作的并行和协同：设计工程师按照时间进度提交零部件、装配的子系统及整机的CAD设计数据；验证工程师应用CAE手段对设计部门提交的CAD数据进行包括最基本的尺寸和运动学校核、复杂的动力学分析和功能实现以及最复杂的可靠性分析等进行全方位验证。在整个数字化开发过程中，CAD设计和CAE分析都在PDM系统的统一管理下实现最大化的并行、交互和协同。
概念设计阶段
概念设计阶段是发动机产品开发流程中进入工程化开发过程的第一阶段，也是最重要的阶段。理论上来说，有关所开发产品的所有重大决策性问题都要在这一阶段内解决。概念设计阶段的主要工作有：对前期项目策划阶段完成的市场、法规、竞争对手和竞争机型调查研究的结果进行分析和评估，并转换为概念设计阶段的设计输入；产品设计、工艺设计、生产制造、市场销售和零部件供应商的专家们在概念设计阶段需协同进行可行性研究工作；根据产品的市场定位和企业品牌的内涵，结合当前行业的技术发展水平等因素，确定所开发产品在性能、质量、成本等方面适当的目标水平、具体指标和规格要求；进行整机系统总体布置研究；确定产品的总体技术方案和各子系统的总体技术路线等。
概念设计阶段的数字化开发工作以CAE仿真分析为主，在整机级和各大系统级建立虚拟样机进行CAE分析，根据仿真分析的结果设定各项设计目标和确定总体技术路线。对于发动机产品开发而言，概念设计阶段的主要CAE仿真任务有：
1、 发动机气体交换过程模拟
建立一维的CFD模型，分析发动机经进气系统吸入新鲜空气直至经排气系统排出的整个过程，目的是确定进气系统和排气系统以及气缸盖气道的总体技术方案和主要参数，目标是保证发动机整个气体交换过程顺畅有效。此类分析软件主要有GT-Power和AVL-Boost等。
2、 发动机热动力学分析和整机性能预测
在气体交换的基础上增加发动机缸内燃烧过程的仿真分析，预测发动机的总体性能，如功率、扭矩和燃油消耗率等，然后反过来确定进气系统、排气系统、由缸盖、缸体和活塞组成的燃烧系统等子系统的主要参数和技术方案，如图2所示。
图2 发动机热动力学和整机总体性能预测
3、 发动机冷却系统一维CFD分析
用于确定发动机水套的主体结构使发动机得到有效而适当的冷却，保证发动机热力学性能和可靠性的实现。此类分析软件有GT-Cool等。
4、 发动机润滑系统一维CFD分析
用于确定发动机润滑系统，主要是发动机缸盖、缸体的润滑油道的主体结构和主要参数，使发动机各运动部件，如凸轮配气机构、曲柄连杆机构等得到有效而适当的润滑，保证发动机的可靠性。此类分析软件有FlowMaster等。
5、 装备该发动机的整车的基本性能仿真分析
目的是确定与该发动机匹配的变速器，以及预测装备此动力总成的汽车的动力性和燃料经济性，图3所示的即为整车性能分析CAE模型及其相应的分析结果——新欧洲循环工况下的汽车燃油消耗量和汽车性能指标（反映汽车的动力性）之间的关系。该类分析软件主要有AVL-Cruise和GT-Drive等。 
图3 汽车动力性和燃料经济性能预测和变速器选型分析
布置设计阶段
布置设计阶段主要是确定各主要零部件的尺寸和相互之间的关系及接口，进一步对概念设计阶段确定的技术方案进行细化。布置设计阶段的CAD设计工作主要是根据概念设计阶段的CAE仿真结果建立发动机各大子系统的表面模型，确定和建立各大子系统之间的装配关系和模型，以及明确发动机在所装配的整车发动机舱中的坐标位置等。CAE仿真分析则需要对所有的概念设计阶段的分析模型进行更新，使之更加具体和复杂，仿真的输出结果也更加详细和准确。同时，增加新的一些CAE仿真分析内容和领域，如发动机前端轮系动力学分析，配气机构动力学分析，以及发动机的缸盖、缸体、曲轴、凸轮轴和连杆五大零部件的初步有限元分析等。
1、 发动机的前端轮系和配气机构动力学分析
应用AVL-Tycon或MSC.ADAMS等行业常用的专业软件建立分析模型，首先对前端轮系和配气机构子系统的布置设计结果进行各运动零部件之间的装配和运动学关系进行检查和校核，然后开始动力学分析，主要的分析内容是考察各运动零部件的位移、速度、加速度等运动学和动力学指标以及各零部件在各种状况下的受力情况，分析目的是要求各运动部件的各力学指标在合理范围之内以确保动力学系统的可靠性和良好振动和噪声水平，图4即为发动机配气机构的动力学分析。
图4 发动机配气机构动力学分析
2、 主要零部件的有限元分析
在布置设计阶段部分主要的零部件，如缸盖、缸体、曲轴、凸轮轴和连杆五大件将进行第一轮的有限元计算分析，考察和验证零部件CAD结构设计的合理性，主要计算各零部件的刚强度、模态和疲劳等。在布置设计阶段，有限元分析是静态分析，相对简单，主要考察零部件CAD设计的静态结构参数的合理性。图5和图6分别给出了发动机连杆的强度分析和曲轴的扭振分析，常用的分析软件有HyperWorks、NASTRAN、ABAQUS、AVL-EXCITE等。
图5 发动机连杆强度分析
图6 发动机曲轴扭转振动分析
详细设计阶段
详细设计阶段，数字化开发范围将覆盖所有新设计零部件的全部特性，在详细设计阶段结束时将保证每一个零部件的CAD设计数据（包括三维实体设计数据和二维平面设计数据）将能具体指导工厂的生产制造，因此，CAD设计的工作量急剧增长，成为详细设计阶段的主要工作。同时，在详细设计阶段将应用CAE分析手段对所有新设计零部件的CAD设计进行分析和验证，以确保在数字化开发阶段解决每个新设计的零部件以及从零部件到各子系统、最后到整机的每个层次都不存在问题。
此时，CAE分析的首要任务是对前两个阶段所有的分析模型根据详细设计阶段能够获得的最全面的设计信息进行最后的更新和拓展，进一步更准确地验证各零部件、系统和整机的功能和特性。比如在概念设计和布置设计阶段进行的发动机气体交换一维CFD分析的基础上将进一步拓展和更新到进行一维或三维的进排气噪声分析（见图7），进排气系统和发动机缸内流动的三维CFD分析（见图8）。目的是从三维角度考察发动机的气体交换过程和流体在发动机缸内的流动过程，保证发动机各缸进排气的均匀度和发动机缸内流动的最佳化，以及在保证发动机性能设计指标的前提下尽量降低发动机的进排气噪声。又如在前阶段发动机冷却系统的一维CFD分析在本阶段将更新为最详细的三维CFD分析，以详细考察冷却液在发动机冷却水套中的流动情况，包括冷却液的流动速度、压力损失等参数，要求整个冷却水套没有流动死区或冷却液发生沸腾等，使发动机得到恰当的冷却，从而确保发动机的工作的可靠性。在汽车和发动机产品开发领域，常用的三维CFD分析软件有Fluent、Star_CD和AVL-Fire等。
图7 发动机进排气气动噪声分析
图8 发动机进排气系统和缸内流动三维CFD分析
在此着重介绍发动机缸体缸盖一体化分析（见图9），该CAE分析项目是整个发动机开发流程中最复杂、最困难的、也是最重要的分析项目之一。发动机缸体缸盖一体化分析是一个典型的流固耦合分析，整个分析由发动机缸内燃烧和传热、冷却润滑系统的三维CFD计算分析和缸体缸盖的受热、受力、变形等有限元分析两个过程的交互耦合完成，考察发动机缸盖、缸体、缸套、汽缸垫等在极限或典型运行工况下的温度变化和变形等，尤其是一些关键部位的关键指标必须被验证确认。比如缸盖鼻梁区的最高温度、缸套的最大变形量、汽缸垫的变形量等， 这些部位任何一处设计不当导致温度过高或变形过大都会给发动机带来致命的失效。例如缸盖鼻梁区温度过高会导致材料蠕变失效、开裂等，缸套变形过大会带来拉缸等，这些故障一旦发生将直接导致发动机完全失效而报废。
图9 发动机缸体缸盖一体化分析
在详细设计阶段所有零部件和子系统新的CAD设计都必须经CAE仿真分析验证，确保任何设计问题解决后，开发流程才能进入样机制造和物理试验开发和验证阶段。
结语
本文概述了数字化技术在现代发动机产品开发流程中的应用，从概念设计到详细设计，CAD设计和CAE分析始终在PDM统筹下并行、协同工作，例如PDM系统会规定CAD设计工程师在一定的时间间隔内发布以百分比方式表示的CAD设计成熟度（完成度），负责该零部件的CAE分析工程师则根据CAD设计的不同成熟度建立不同层次的分析模型，进行相应层次CAE校核或验证，并及时把分析结果反馈给CAD设计工程师，以保证其后续设计的正确方向。可见，整个数字化开发过程就是一个CAD设计和CAE验证的“实时”交互和协同过程，该过程使得现代发动机产品的设计质量提高、周期变短并且降低了费用。(end)
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(2/24/2010) |
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