早在二十世紀八十年代，我國就提出了"甩圖板"的口號，成為我國制造業(yè)信息化建設(shè)起步的號角。今天越來越多的企業(yè)正在把信息化作為推動本企業(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。
我國內(nèi)燃機傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，由于前期設(shè)計階段缺乏試驗用的樣機，往往參考國外同類型樣機，依靠工程設(shè)計人員的經(jīng)驗，經(jīng)過大量試驗與測試，進行改進設(shè)計，因此很難避免設(shè)計中存在潛在的缺陷。這樣，有關(guān)裝配、操作和維護的問題往往只會在設(shè)計后期或在最終產(chǎn)品試車過程中，甚至在投入使用一段時間后才能暴露出來，所以產(chǎn)品往往不得不返回到構(gòu)造設(shè)計階段以進行必要的修改，這樣的設(shè)計過程不僅效率低，費用還高。
早期的CAD就是單純的二維繪圖，在內(nèi)燃機行業(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)、計算機技術(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)計和基于特征設(shè)計功能受到廣大內(nèi)燃機設(shè)計工作人員的青睞。
CAE/CFD軟件是迅速發(fā)展中的計算力學、計算數(shù)學與現(xiàn)代計算機科學和技術(shù)相結(jié)合而形成的一種綜合性、知識密集型的信息產(chǎn)品。隨著市場競爭日益激烈，更多的企業(yè)越來越清楚意識到要想提高工程、產(chǎn)品的設(shè)計質(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，那么應(yīng)該把CAE/CFD技術(shù)作為實現(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)燃機作為一種十分復(fù)雜的熱力機械，在它的設(shè)計中涉及的運動學、動力學、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
二、CAD在內(nèi)燃機設(shè)計中的應(yīng)用
內(nèi)燃機中許多零部件的設(shè)計，如果采用傳統(tǒng)手工設(shè)計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、設(shè)計方便。
在內(nèi)燃機的計算機輔助設(shè)計中，實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)計效率變得更高。
另外，在給客戶提供零部件改進方案或三維效果圖時，常常是只有實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，很難通過測量獲得準確的數(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，它可以采用三坐標法獲得，而目前三坐標中又引入了CAD功能，使這項工作變得相對簡單。例如首先用三坐標測量儀獲得工件點云，再利用Imageware等軟件處理點云，導(dǎo)入UG等CAD軟件對數(shù)據(jù)進行處理，即可得到精確三維圖。
下面列舉幾個CAD方面的例子：
①三維測繪到CAD建模
圖2 某小型冷卻風扇三維測繪后實拍圖內(nèi)燃機冷卻風扇CAD模型
②內(nèi)燃機設(shè)計中的CAD建模
圖3 某小型內(nèi)燃機總裝三維模型
圖4 某摩托車消聲器CAD模型
三、CAE在內(nèi)燃機設(shè)計中的應(yīng)用
目前在國內(nèi)的內(nèi)燃機設(shè)計中廣泛采用了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)動機生產(chǎn)廠家，這不僅是由于CAE軟件價格昂貴且全英文界面，更主要是對軟件操作人員知識層次要求很高，企業(yè)培養(yǎng)一個自己的科研團隊往往是投入大、回報少，因此它并不像CAD那樣普及，主要模式是內(nèi)燃機有關(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。
在國外，不論是概念設(shè)計階段還是產(chǎn)品開發(fā)階段，只要是產(chǎn)品設(shè)計就必須用CAE。這不僅是觀念問題，而是由于國外的競爭完全是白熱化的。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對企業(yè)造成非常大的影響，CAE技術(shù)是幫助他們提高研發(fā)能力最具價值的投入。
伴隨著國內(nèi)行業(yè)間競爭的日益激烈，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，企業(yè)就會迫于市場壓力而不斷改良產(chǎn)品，CAE在國內(nèi)的應(yīng)用也將更為普及與深入。
CAE技術(shù)在內(nèi)燃機設(shè)計中的主要應(yīng)用有：
(1)結(jié)構(gòu)強度分析
結(jié)構(gòu)強度是保證內(nèi)燃機工作安全性、可靠性的重要指標，因此結(jié)構(gòu)強度分析應(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，哪些部位強度不足，以此來改進設(shè)計。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)動力學仿真分析
動力學仿真基于多體動力學理論，可在研究階段預(yù)測內(nèi)燃機運動機構(gòu)甚至整車的動力學性能，對這些性能進行優(yōu)化，以達到提高產(chǎn)品性能的目的。就是其中一款十分優(yōu)秀的專業(yè)動力學分析軟件。
(3)其他分析
結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、模態(tài)分析、疲勞分析、熱分析、噪聲分析等也都是內(nèi)燃機設(shè)計中經(jīng)常要進行的仿真內(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CAE方面的例子：
①內(nèi)燃機設(shè)計中強度校核
圖5 某小型發(fā)動機飛輪螺栓強度校核
②內(nèi)燃機設(shè)計中的運動機構(gòu)動力學仿真
圖6 某小型內(nèi)燃機運動機構(gòu)動力學仿真
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)燃機設(shè)計中的零部件噪聲分析
圖9 某小型內(nèi)燃機冷卻風扇3600rpm時由于結(jié)構(gòu)振動而輻射噪聲的聲壓云圖
四、CFD在內(nèi)燃機設(shè)計中的應(yīng)用
隨著計算機技術(shù)和湍流理論的發(fā)展，CFD即計算流體力學在研究和應(yīng)用方面都取得了長足的進步。對于內(nèi)燃機而言，它的進氣、排氣、冷卻風扇、氣缸等所有和流場密切相關(guān)的零部件對發(fā)動機性能影響都十分巨大，與試驗研究相比，CFD開發(fā)時間短，所用的經(jīng)費少，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，對研究對象的外流特性、內(nèi)流特性，對整體、局部描述都十分清晰，它能使設(shè)計人員對流場品質(zhì)和流動機理有更為深刻的認識，得到一些試驗手段所得不到的理解和結(jié)論，因此盡管試驗的可信度高，但由于試驗測試手段的局限，且計算機模擬不受外界干擾等諸多優(yōu)點的存在，CFD技術(shù)在內(nèi)燃機設(shè)計階段被普遍采用。
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)展和計算機硬件水平的快速提升使網(wǎng)格數(shù)目可以劃分的更多，使計算精度也在不斷提高。國外在計算汽車外流場時，誤差已經(jīng)控制在5%以下，但國內(nèi)CFD技術(shù)只是在最近五六年內(nèi)才開始普及，積累經(jīng)驗還很少，還處于摸索階段。
下面列舉幾個CFD方面的例子：
①內(nèi)燃機設(shè)計中某小型內(nèi)燃機冷卻風扇內(nèi)流場分析
圖10 某小型內(nèi)燃機冷卻風扇內(nèi)流場速度云圖
②內(nèi)燃機設(shè)計中某小型內(nèi)燃機進氣道內(nèi)流場分析
圖11 某小型內(nèi)燃機進氣道內(nèi)流場湍流強度云圖
③內(nèi)燃機設(shè)計中某小型內(nèi)燃機消聲器內(nèi)流場分析
圖12 某小型內(nèi)燃機消聲器內(nèi)部聲功率級云圖
五、內(nèi)燃機設(shè)計中專用軟件簡介
國外的一些內(nèi)燃機技術(shù)服務(wù)公司如美國的Gamma Technologies，英國Ricardo，比利時的LMS，奧地利的AVL都有自己的內(nèi)燃機設(shè)計和仿真/分析軟件，主要用于內(nèi)燃機的動態(tài)特性仿真，各種運行情況下的耗油量分析，噪聲、振動分析，結(jié)構(gòu)力學性能分析，缸內(nèi)燃燒特性分析等等?？傊疅o論是新機型設(shè)計，原有機型改造還是內(nèi)燃機系統(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)，因此國內(nèi)的內(nèi)燃機設(shè)計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)計模塊、設(shè)計模板，以求進一步縮短產(chǎn)品研發(fā)周期，提高工作效率。
六、總結(jié)
國內(nèi)內(nèi)燃機行業(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)燃機設(shè)計人員要想設(shè)計出高性能的內(nèi)燃機就要掌握這項技術(shù)。在同國外同行業(yè)競爭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)計提供了很好的工具。這使我們有理由相信，這項技術(shù)必然會在內(nèi)燃機行業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用，并使內(nèi)燃機設(shè)計邁上一個嶄新的臺階。
（轉(zhuǎn)載）
