早在二十世紀(jì)八十年代，我國(guó)就提出了"甩圖板"的口號(hào)，成為我國(guó)制造業(yè)信息化建設(shè)起步的號(hào)角。今天越來越多的企業(yè)正在把信息化作為推動(dòng)本企業(yè)發(fā)展的重要手段，而在信息化的應(yīng)用上以CAD/CAE技術(shù)最為廣泛。
我國(guó)內(nèi)燃機(jī)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，由于前期設(shè)計(jì)階段缺乏試驗(yàn)用的樣機(jī)，往往參考國(guó)外同類型樣機(jī)，依靠工程設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過大量試驗(yàn)與測(cè)試，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，因此很難避免設(shè)計(jì)中存在潛在的缺陷。這樣，有關(guān)裝配、操作和維護(hù)的問題往往只會(huì)在設(shè)計(jì)后期或在最終產(chǎn)品試車過程中，甚至在投入使用一段時(shí)間后才能暴露出來，所以產(chǎn)品往往不得不返回到構(gòu)造設(shè)計(jì)階段以進(jìn)行必要的修改，這樣的設(shè)計(jì)過程不僅效率低，費(fèi)用還高。
早期的CAD就是單純的二維繪圖，在內(nèi)燃機(jī)行業(yè)中最早使用的是AutoCAD、CAXA，它們是真正的電子圖板，隨著軟件業(yè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，大量三維CAD軟件層出不窮，如UG、Pro/E、SolidWorks、CATIA等，它們卓越的參數(shù)化設(shè)計(jì)和基于特征設(shè)計(jì)功能受到廣大內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工作人員的青睞。
CAE/CFD軟件是迅速發(fā)展中的計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)科學(xué)和技術(shù)相結(jié)合而形成的一種綜合性、知識(shí)密集型的信息產(chǎn)品。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，更多的企業(yè)越來越清楚意識(shí)到要想提高工程、產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低研究開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，推出優(yōu)秀的創(chuàng)新產(chǎn)品，從而盡快地占領(lǐng)更多的市場(chǎng)，那么應(yīng)該把CAE/CFD技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)工程、產(chǎn)品創(chuàng)新的有力工具和重要的支撐技術(shù)。而內(nèi)燃機(jī)作為一種十分復(fù)雜的熱力機(jī)械，在它的設(shè)計(jì)中涉及的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱、力、噪聲等問題，使CAE/CFD得到了廣泛應(yīng)用。
圖1 某小型內(nèi)燃機(jī)
二、CAD在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
內(nèi)燃機(jī)中許多零部件的設(shè)計(jì)，如果采用傳統(tǒng)手工設(shè)計(jì)方法很難滿足精度要求，而使用CAD技術(shù)，尤其是三維CAD技術(shù)能直觀表達(dá)、設(shè)計(jì)方便。
在內(nèi)燃機(jī)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中，實(shí)體造型是其中的重要過程。早期的CAD軟件建模結(jié)束后導(dǎo)入CAE分析得出結(jié)論之后，往往需要修改設(shè)計(jì)方案，現(xiàn)在由于參數(shù)化建模思想和基于特征建模思想的產(chǎn)生，使某一尺寸發(fā)生變化需重新建模的尷尬徹底消失，圖形的修改變得十分容易，設(shè)計(jì)效率變得更高。
另外，在給客戶提供零部件改進(jìn)方案或三維效果圖時(shí)，常常是只有實(shí)物而沒有任何圖紙或CAD數(shù)據(jù)，特別是樣件造型中有曲線、曲面時(shí)，很難通過測(cè)量獲得準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，以至于得不到原件的精確三維圖。由工件產(chǎn)生圖紙或相關(guān)尺寸數(shù)據(jù)的過程屬于逆向工程領(lǐng)域，它可以采用三坐標(biāo)法獲得，而目前三坐標(biāo)中又引入了CAD功能，使這項(xiàng)工作變得相對(duì)簡(jiǎn)單。例如首先用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x獲得工件點(diǎn)云，再利用Imageware等軟件處理點(diǎn)云，導(dǎo)入UG等CAD軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，即可得到精確三維圖。
下面列舉幾個(gè)CAD方面的例子：
①三維測(cè)繪到CAD建模
圖2 某小型冷卻風(fēng)扇三維測(cè)繪后實(shí)拍圖內(nèi)燃機(jī)冷卻風(fēng)扇CAD模型
②內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的CAD建模
圖3 某小型內(nèi)燃機(jī)總裝三維模型
圖4 某摩托車消聲器CAD模型
三、CAE在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
目前在國(guó)內(nèi)的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中廣泛采用了CAE技術(shù)，但企業(yè)的重視程度卻不高，尤其是一些中小發(fā)動(dòng)機(jī)生產(chǎn)廠家，這不僅是由于CAE軟件價(jià)格昂貴且全英文界面，更主要是對(duì)軟件操作人員知識(shí)層次要求很高，企業(yè)培養(yǎng)一個(gè)自己的科研團(tuán)隊(duì)往往是投入大、回報(bào)少，因此它并不像CAD那樣普及，主要模式是內(nèi)燃機(jī)有關(guān)的科研院所和生產(chǎn)企業(yè)合作開發(fā)新產(chǎn)品，企業(yè)提要求，科研院所出方案。
在國(guó)外，不論是概念設(shè)計(jì)階段還是產(chǎn)品開發(fā)階段，只要是產(chǎn)品設(shè)計(jì)就必須用CAE。這不僅是觀念問題，而是由于國(guó)外的競(jìng)爭(zhēng)完全是白熱化的。產(chǎn)品研制周期的延誤、公司的承載能力和產(chǎn)品成本等任何問題都會(huì)對(duì)企業(yè)造成非常大的影響，CAE技術(shù)是幫助他們提高研發(fā)能力最具價(jià)值的投入。
伴隨著國(guó)內(nèi)行業(yè)間競(jìng)爭(zhēng)的日益激烈，不靠創(chuàng)新來提高產(chǎn)品附加值就很難生存和發(fā)展。此時(shí)，企業(yè)就會(huì)迫于市場(chǎng)壓力而不斷改良產(chǎn)品，CAE在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用也將更為普及與深入。
CAE技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用有：
(1)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析
結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是保證內(nèi)燃機(jī)工作安全性、可靠性的重要指標(biāo)，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析應(yīng)用最為廣泛。它可以判斷結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下是否安全，哪些部位發(fā)生應(yīng)力集中，哪些部位強(qiáng)度不足，以此來改進(jìn)設(shè)計(jì)。像ANSYS、N等大型CAE軟件都提供了極為方便快捷的分析手段。
(2)動(dòng)力學(xué)仿真分析
動(dòng)力學(xué)仿真基于多體動(dòng)力學(xué)理論，可在研究階段預(yù)測(cè)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)甚至整車的動(dòng)力學(xué)性能，對(duì)這些性能進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提高產(chǎn)品性能的目的。就是其中一款十分優(yōu)秀的專業(yè)動(dòng)力學(xué)分析軟件。
(3)其他分析
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、模態(tài)分析、疲勞分析、熱分析、噪聲分析等也都是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中經(jīng)常要進(jìn)行的仿真內(nèi)容，絕大多數(shù)的大型有限元軟件都能做以上分析。
下面列舉幾個(gè)CAE方面的例子：
①內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中強(qiáng)度校核
圖5 某小型發(fā)動(dòng)機(jī)飛輪螺栓強(qiáng)度校核
②內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真
圖6 某小型內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)仿真
圖7 相應(yīng)的氣門彈簧受力曲線 圖8 相應(yīng)的凸輪與挺柱間接觸力曲線
③內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的零部件噪聲分析
圖9 某小型內(nèi)燃機(jī)冷卻風(fēng)扇3600rpm時(shí)由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)而輻射噪聲的聲壓云圖
四、CFD在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和湍流理論的發(fā)展，CFD即計(jì)算流體力學(xué)在研究和應(yīng)用方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)而言，它的進(jìn)氣、排氣、冷卻風(fēng)扇、氣缸等所有和流場(chǎng)密切相關(guān)的零部件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能影響都十分巨大，與試驗(yàn)研究相比，CFD開發(fā)時(shí)間短，所用的經(jīng)費(fèi)少，可以方便靈活地改變初始條件、邊界條件以及幾何邊界條件，對(duì)研究對(duì)象的外流特性、內(nèi)流特性，對(duì)整體、局部描述都十分清晰，它能使設(shè)計(jì)人員對(duì)流場(chǎng)品質(zhì)和流動(dòng)機(jī)理有更為深刻的認(rèn)識(shí)，得到一些試驗(yàn)手段所得不到的理解和結(jié)論，因此盡管試驗(yàn)的可信度高，但由于試驗(yàn)測(cè)試手段的局限，且計(jì)算機(jī)模擬不受外界干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)的存在，CFD技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)階段被普遍采用。
近年來，一些新的湍流模型和燃燒模型的提出使CFD在內(nèi)燃機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用更加深入，而網(wǎng)格技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)硬件水平的快速提升使網(wǎng)格數(shù)目可以劃分的更多，使計(jì)算精度也在不斷提高。國(guó)外在計(jì)算汽車外流場(chǎng)時(shí)，誤差已經(jīng)控制在5%以下，但國(guó)內(nèi)CFD技術(shù)只是在最近五六年內(nèi)才開始普及，積累經(jīng)驗(yàn)還很少，還處于摸索階段。
下面列舉幾個(gè)CFD方面的例子：
①內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中某小型內(nèi)燃機(jī)冷卻風(fēng)扇內(nèi)流場(chǎng)分析
圖10 某小型內(nèi)燃機(jī)冷卻風(fēng)扇內(nèi)流場(chǎng)速度云圖
②內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中某小型內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)流場(chǎng)分析
圖11 某小型內(nèi)燃機(jī)進(jìn)氣道內(nèi)流場(chǎng)湍流強(qiáng)度云圖
③內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中某小型內(nèi)燃機(jī)消聲器內(nèi)流場(chǎng)分析
圖12 某小型內(nèi)燃機(jī)消聲器內(nèi)部聲功率級(jí)云圖
五、內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中專用軟件簡(jiǎn)介
國(guó)外的一些內(nèi)燃機(jī)技術(shù)服務(wù)公司如美國(guó)的Gamma Technologies，英國(guó)Ricardo，比利時(shí)的LMS，奧地利的AVL都有自己的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)和仿真/分析軟件，主要用于內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)態(tài)特性仿真，各種運(yùn)行情況下的耗油量分析，噪聲、振動(dòng)分析，結(jié)構(gòu)力學(xué)性能分析，缸內(nèi)燃燒特性分析等等?？傊疅o論是新機(jī)型設(shè)計(jì)，原有機(jī)型改造還是內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)的集成，都可以從這些軟件的使用中得到非常有益的參考結(jié)果。
這類軟件往往價(jià)格昂貴，而目前通用CAD/CAE/CFD軟件多數(shù)支持二次開發(fā)，因此國(guó)內(nèi)的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)人員在資金不足情況下可以根據(jù)自身需要開發(fā)出屬于自己的設(shè)計(jì)模塊、設(shè)計(jì)模板，以求進(jìn)一步縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高工作效率。
六、總結(jié)
國(guó)內(nèi)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)要想不斷快速向前發(fā)展，就要依托于CAD/CAE/CFD技術(shù)，而廣大內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)人員要想設(shè)計(jì)出高性能的內(nèi)燃機(jī)就要掌握這項(xiàng)技術(shù)。在同國(guó)外同行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)中要立于不敗之地關(guān)鍵就是創(chuàng)新，而CAD/CAE/CFD軟件為我們創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了很好的工具。這使我們有理由相信，這項(xiàng)技術(shù)必然會(huì)在內(nèi)燃機(jī)行業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用，并使內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)邁上一個(gè)嶄新的臺(tái)階。
（轉(zhuǎn)載）
