CAE在柴油機(jī)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

李樹(shù)生，李林科，楊加成，李 斌，王華磊

（中國(guó)石油集團(tuán) 濟(jì)南柴油機(jī)股份有限公司，山東濟(jì)南250306）

CAE（Computer Aided Engineering）是用計(jì)算機(jī)輔助求解復(fù)雜工程和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化設(shè)計(jì)等問(wèn)題的一種近似數(shù)值分析方法。

內(nèi)燃機(jī)的研制是一項(xiàng)復(fù)雜而艱巨的工作，采用傳統(tǒng)的研究方式已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在新產(chǎn)品的需要，計(jì)算機(jī)輔助工程在內(nèi)燃機(jī)研制中發(fā)揮越來(lái)越顯著的作用。在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中，CAE可以進(jìn)行固體力學(xué)分析和流體力學(xué)分析，可以對(duì)內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)等進(jìn)行模擬計(jì)算，對(duì)機(jī)體、曲軸、氣缸蓋、連桿等進(jìn)行有限元分析。

1 整機(jī)熱力學(xué)計(jì)算

考慮管道內(nèi)的一維氣體動(dòng)力特性，通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作循環(huán)和氣體交換過(guò)程分析，預(yù)測(cè)了發(fā)動(dòng)機(jī)在各負(fù)荷工況下的平均有效壓力、燃油消耗率、氣缸爆發(fā)壓力、過(guò)量空氣系數(shù)等參數(shù)，通過(guò)計(jì)算確定了配氣定時(shí)、增壓匹配方案。

2 燃油噴射系統(tǒng)分析

燃油噴射系統(tǒng)采用高壓共軌，計(jì)算模型包括高壓油泵、連接塊、高壓油管、噴油器等高壓管路（見(jiàn)圖1）。使用單個(gè)噴油器模型對(duì)噴嘴流量進(jìn)行計(jì)算，包括所有高壓管路的模型計(jì)算了各工況下噴油器和噴油器之間燃油供給量偏差，對(duì)規(guī)內(nèi)的壓力振蕩情況進(jìn)行了分析，確定了噴孔數(shù)量、尺寸和各負(fù)荷下需要的規(guī)壓。

3 水套CFD分析

由于采用了氣缸動(dòng)力單元的模塊化設(shè)計(jì)，對(duì)冷卻系統(tǒng)的分析可減少到對(duì)一個(gè)氣缸單元進(jìn)行分析。

對(duì)分水道和回水道分別模擬計(jì)算了兩種不同流向水套內(nèi)的水流流速、壓力和熱傳遞系數(shù)分布（見(jiàn)圖2），對(duì)氣缸蓋和機(jī)體上敏感位置的熱傳遞、通流速度和水套壓力損失進(jìn)行評(píng)價(jià)，通過(guò)與有限元的交互式計(jì)算為氣缸蓋—?dú)飧讐|—機(jī)體組件的分析提供精準(zhǔn)的邊界條件。

4 氣缸內(nèi)氣側(cè)CFD分析

計(jì)算的目的是模擬氣缸內(nèi)氣側(cè)熱傳遞，為氣缸蓋－機(jī)體組件有限元分析提供邊界條件。使用三維CFD軟件在超負(fù)荷下，對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)的瞬態(tài)流量和氣缸內(nèi)氣側(cè)熱傳遞分布進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算出氣缸蓋火力岸、氣門(mén)、氣道、氣缸套、活塞頭的平均熱傳遞系數(shù)和溫度，同時(shí)對(duì)氣缸內(nèi)進(jìn)氣沖程中的氣缸內(nèi)流場(chǎng)、燃油噴射射程和霧化、燃燒和火焰等進(jìn)行了分析。

圖1 燃油噴射系統(tǒng)計(jì)算模型

圖2 水套的熱傳遞分布

5 軸系分析

圖3 軸系計(jì)算模型

計(jì)算模型（見(jiàn)圖3）包括曲軸、活塞、活塞銷(xiāo)、軸承、連桿、飛輪、減振器，在軸系分析中對(duì)曲軸進(jìn)行一維的扭振和軸承分析。在軸承分析中考慮氣缸壓力和慣性力，計(jì)算出了發(fā)動(dòng)機(jī)整個(gè)轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的最大油膜壓力、最小油膜厚度。分別對(duì)正常和一個(gè)氣缸失火情況下單機(jī)和臺(tái)架的軸系進(jìn)行扭振分析，計(jì)算出了單諧次和合成的扭振振幅，以及各轉(zhuǎn)速下的扭振扭矩和應(yīng)力。

6 閥系分析

計(jì)算模型見(jiàn)圖5，采用具有等效動(dòng)態(tài)特性的集中質(zhì)量質(zhì)質(zhì)量系統(tǒng)方法檢驗(yàn)了單閥系的動(dòng)態(tài)特性，配氣定時(shí)系統(tǒng)的模型包括兩個(gè)凸輪軸和所有進(jìn)、排氣單閥系。

進(jìn)行了閥系的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算，對(duì)于凸輪型線、凸線、凸輪和滾輪之間的最大接應(yīng)力進(jìn)行了評(píng)價(jià)。閥系的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析還計(jì)算了氣門(mén)彈簧的殘余力、氣閥和活塞的最小間隙。閥系動(dòng)力學(xué)分析中考慮了作用在單元上的外力和摩擦力，計(jì)算了各種工況下凸輪和滾輪間的動(dòng)態(tài)接觸力和接觸應(yīng)力，以及氣門(mén)落座力和氣門(mén)落座速度。另外還計(jì)算出了齒輪系的嚙合力，這為齒輪系強(qiáng)度計(jì)算提供邊界條件。

圖4 曲軸動(dòng)態(tài)有限元計(jì)算模型

圖5 閥系的配氣定時(shí)系統(tǒng)模型

7 曲軸動(dòng)態(tài)有限元分析

計(jì)算模型（見(jiàn)圖4）包括彈性機(jī)體、曲軸和連桿。加載活塞質(zhì)量到連桿小頭上，對(duì)機(jī)體進(jìn)行動(dòng)態(tài)縮減計(jì)算，曲軸和連桿由具有相似動(dòng)態(tài)模型的質(zhì)點(diǎn)單元來(lái)替代，這樣縮減的零件模型通過(guò)連接單元來(lái)連接，主軸承通過(guò)流體彈性動(dòng)力油膜連接單元（EHD）來(lái)連接，其他的通過(guò)非線性彈簧阻尼連接單元（NONL）來(lái)連接。

考慮到發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中曲軸的扭振和氣缸壓力、慣量載荷，運(yùn)用動(dòng)態(tài)應(yīng)力有限元分析，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)多個(gè)轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的曲軸進(jìn)行高周疲勞分析，計(jì)算出了各曲軸圓角的最小安全系數(shù)。同時(shí)曲軸動(dòng)態(tài)有限元分析計(jì)算出了曲軸的模態(tài)和固有頻率，得到了動(dòng)態(tài)曲軸飛輪端、減振器端和重心的橫向和縱向扭振振幅。另外計(jì)算出了整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速內(nèi)徑向液力軸承的最大軸承力和力矩，為后面的機(jī)體主軸承壁計(jì)算提供邊界條件。

8 連桿有限元分析

連桿有限元分析的目的是考察其在反復(fù)承受交變工作應(yīng)力下的最小安全系數(shù)，分析大、小頭孔的接觸壓力和變形。計(jì)算模型包括連桿體、連桿蓋、連桿軸瓦、連桿小頭襯套以及螺栓。另外，為了模擬真實(shí)工況，模型中增加了活塞銷(xiāo)，銷(xiāo)被定義成一個(gè)剛性面。為了使計(jì)算工作量最小化，所有工況都考慮對(duì)稱加載，這樣只模擬整個(gè)結(jié)構(gòu)的一半即可。

加載的載荷包括連桿螺栓預(yù)緊力、軸瓦和小頭襯套的過(guò)盈、最大氣缸壓力以及最高轉(zhuǎn)速下的慣性力等。

對(duì)各種載荷下的連桿整體變形和應(yīng)力進(jìn)行了分析；分析了在氣缸壓力和慣性力作用下連桿大、小頭孔的接觸壓力和變形，軸瓦和襯套切向和徑向應(yīng)力都在要求范圍內(nèi)。軸瓦的變形通過(guò)與曲柄銷(xiāo)實(shí)際接觸的軸瓦角度來(lái)評(píng)估，這些角度都小于最大允許接觸角；計(jì)算了在最危險(xiǎn)工況，連桿大頭蓋分型線處的最小壓力也是足夠的；對(duì)連桿進(jìn)行了高周疲勞計(jì)算，其最小安全系數(shù)均大于限值。

較纖細(xì)的結(jié)構(gòu)在壓縮力作用的影響下容易發(fā)生彈性彎曲。對(duì)連桿進(jìn)行兩次彎曲分析：一次加載對(duì)稱邊界條件，一次在對(duì)稱面上加載非對(duì)稱邊界條件，這樣可模擬出連桿的所有彎曲變形。通過(guò)計(jì)算連桿的彎曲安全系數(shù)均大于限值（圖6）。

圖6 彎曲疲勞安全系數(shù)

9 主軸承壁有限元分析

此計(jì)算主要對(duì)軸承負(fù)荷最高的主軸承壁的軸承蓋和機(jī)體進(jìn)行強(qiáng)度、變形和接觸摩擦力分析。計(jì)算模型包括曲軸箱、主軸承蓋、主軸瓦、主軸承螺栓、橫拉螺栓、簡(jiǎn)化的氣缸蓋、氣缸蓋螺栓。分析時(shí)對(duì)簡(jiǎn)化氣缸蓋上部進(jìn)行了約束限制，加載的載荷包括主軸承螺栓、橫拉螺栓、氣缸蓋螺栓的預(yù)緊力和主軸瓦過(guò)盈，以及整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)中最?lèi)毫迂?fù)荷下的6個(gè)軸承力和力矩合成較大的曲軸轉(zhuǎn)角位置的動(dòng)態(tài)油膜壓力。

計(jì)算了在預(yù)緊力、軸承過(guò)盈和軸承載荷合成作用下主軸承壁的應(yīng)力和變形（見(jiàn)圖7）；分析了預(yù)緊力、軸瓦過(guò)盈和軸承載荷下主軸承孔的變形，以及軸瓦切向應(yīng)力和背壓；分析了在預(yù)緊力作用下機(jī)體和軸承蓋接觸表面的接觸壓力，以及在發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)過(guò)程中主軸承蓋接觸表面的最大滑動(dòng)量；對(duì)機(jī)體和主軸承蓋進(jìn)行了高周疲勞計(jì)算，對(duì)安全系數(shù)較小區(qū)域進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖7 主軸承壁的應(yīng)力分布

10 氣缸蓋—?dú)飧滋住獧C(jī)體組件有限元分析

由于外部和中間氣缸不同的剛度特性，有限元模型包括兩個(gè)詳細(xì)的和半個(gè)簡(jiǎn)化的氣缸，還包括氣缸蓋、氣門(mén)座、氣門(mén)導(dǎo)管、氣門(mén)、噴油器組件、噴油器壓板、噴油器壓板固定螺栓、噴油器護(hù)套、氣缸蓋螺栓、氣缸蓋墊片、氣缸套、減摩環(huán)、機(jī)體、主軸承螺栓和相關(guān)的主軸承蓋、軸瓦。主軸承蓋的邊界條件代表軸系。

氣缸蓋—?dú)飧滋住獧C(jī)體組件有限元分析包括兩個(gè)主要部分：熱傳遞系數(shù)分析和強(qiáng)度分析。熱傳遞的有限元分析與上面提到的冷卻和氣缸內(nèi)傳熱CFD分析是交互式進(jìn)行的，用于熱傳遞分析的溫度和熱傳遞系數(shù)來(lái)自氣缸水側(cè)和氣側(cè)CFD分析結(jié)果。強(qiáng)度分析的第1步是加載氣缸蓋裝配力，第2步對(duì)來(lái)自熱傳遞系數(shù)的溫度以一種熱負(fù)荷的形式加載，第3步是在模型中依次加載兩個(gè)氣缸最大爆發(fā)壓力負(fù)荷。

在分析時(shí)模型固定在主軸承蓋上，裝配力載荷包括氣缸蓋螺栓、主軸承螺栓和噴油器護(hù)板固定螺栓的預(yù)緊力，以及氣門(mén)座和氣門(mén)導(dǎo)管的裝配過(guò)盈。有限元分析的熱負(fù)荷考慮了燃燒室的熱載荷，以及CFD冷卻液流動(dòng)分析計(jì)算出的冷卻條件，另外還考慮了和熱傳遞相關(guān)的活塞的摩擦。氣缸最大爆發(fā)壓力以恒定值加載在燃燒室和一直向下到第1道活塞環(huán)的減摩環(huán)、氣缸套表面。

熱傳遞進(jìn)行了機(jī)體、氣缸套、火焰環(huán)、活塞環(huán)、氣缸蓋的壁面和水套的溫度分布分析；對(duì)水套的沸騰區(qū)域進(jìn)行了評(píng)估。

圖8 彎曲疲勞安全系數(shù)

強(qiáng)度分析進(jìn)行了如下計(jì)算：各種載荷下發(fā)動(dòng)機(jī)截面的整體變形和機(jī)體火力岸、氣缸套、氣缸蓋的應(yīng)力分布；對(duì)氣缸套各載荷下垂直面和3個(gè)主要水平面的變形進(jìn)行評(píng)估，對(duì)各諧次下氣缸套徑向變形也進(jìn)行了分析；分別分析加載氣缸蓋螺栓預(yù)緊力、熱負(fù)荷、氣缸壓力和這幾種載荷組合狀況下的氣缸蓋墊片的壓力分布；為了預(yù)測(cè)氣缸蓋、氣缸套和機(jī)體的耐久性，對(duì)其在最?lèi)毫虞d荷下高周疲勞安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算（圖8）。

11 結(jié)束語(yǔ)

采用CAE技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中所進(jìn)行的各種分析，能在虛擬的數(shù)字化樣機(jī)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品最佳設(shè)計(jì)方案，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品制造或工程施工前潛在的問(wèn)題，確保設(shè)計(jì)的合理性，提高產(chǎn)品的可靠性，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)，降低樣機(jī)設(shè)計(jì)和制造的成本。

［1］呂繼組，等.CAE在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［C］.中國(guó)內(nèi)燃機(jī)學(xué)會(huì)第七屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2007.

［2］Ahmed Al－Sened，等.ManB＆W RK280型柴油機(jī)從方案設(shè)計(jì)到投產(chǎn)廣泛應(yīng)用工程預(yù)測(cè)法［J］.國(guó)外內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2005，（6）.