內(nèi)燃機(jī)設(shè)計中計算機(jī)輔助技術(shù)的應(yīng)用分析

（武漢大學(xué)動力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072）

摘 要：內(nèi)燃機(jī)具備耐久、高效等特征，該設(shè)備具有較高的熱效率，功率范圍廣，且適應(yīng)性良好，在交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、工業(yè)中均起到了重要的作用，應(yīng)用非常廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對內(nèi)燃機(jī)性能提出了更嚴(yán)格、更高的要求，再加上排放法規(guī)的推出，在設(shè)備生產(chǎn)中，必須注重對產(chǎn)品進(jìn)行完善。內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計比較復(fù)雜，在總體設(shè)計、零部件設(shè)計過程中，均會涉及到較多的計算、分析等工作，計算機(jī)技術(shù)取得飛速發(fā)展后，在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計中取得了較好的應(yīng)用，可充分體現(xiàn)其特性。本文主要分析計算機(jī)輔助技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用價值，為內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：計算機(jī)輔助技術(shù);內(nèi)燃機(jī);應(yīng)用

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，該技術(shù)在很多行業(yè)中均得到較好的應(yīng)用，近幾年，計算機(jī)技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計中取得了較好的應(yīng)用效果。將計算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)設(shè)計中，可轉(zhuǎn)變內(nèi)燃機(jī)設(shè)計模式，無需采用丁字尺、圖板手工繪制圖，可利用三維、二維技術(shù)代替以往手工繪圖[1]。計算機(jī)輔助技術(shù)的使用實際上是機(jī)械設(shè)計行業(yè)的重要改革，在產(chǎn)品制造、設(shè)計中具有重要意義，甚至對人們的設(shè)計理念產(chǎn)生了一定影響。

1 計算機(jī)輔助技術(shù)的含義

計算機(jī)輔助技術(shù)是一種將工程分析、計算機(jī)兩者結(jié)合的新型技術(shù)，它主要利用數(shù)值模擬、數(shù)值計算方法建立模型，并對其進(jìn)行分析與計算。這種技術(shù)涉及的科學(xué)較多，其中包括數(shù)學(xué)仿真技術(shù)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、計算力學(xué)、計算數(shù)學(xué)、工程科學(xué)等，是一門綜合性較強(qiáng)的技術(shù)。

結(jié)構(gòu)有限元分析是計算機(jī)輔助技術(shù)的基礎(chǔ)，一般所指的就是動力學(xué)分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)分析、有限元分析，有限元分析可實現(xiàn)擬靜力、靜力的非線性分析與線性分析，還能夠?qū)崿F(xiàn)磁場、電場、熱場的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析。機(jī)構(gòu)分析可以完成多種計算工作，例如零部件速度、加速度、位移等方面的計算，通過機(jī)構(gòu)分析均可完成?，F(xiàn)階段，計算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展速度非?？?，在計算機(jī)仿真、噪聲分析學(xué)、流體力學(xué)中均得到了較好的應(yīng)用[2]。

工程產(chǎn)品的優(yōu)化、研制可分為四階段，第一階段：分析所設(shè)計產(chǎn)品，或者研究工程的具體內(nèi)容，并將其描述出來，獲取產(chǎn)品的機(jī)械性能、邊界條件、參數(shù)、幾何條件等信息。第二階段：采用計算機(jī)輔助技術(shù)，完成產(chǎn)品的建模，建立計算機(jī)模型。第三階段：利用計算機(jī)，計算軟件建立的模型數(shù)值。第四階段：分析計算出來的結(jié)果，并對設(shè)計方案操作可行性進(jìn)行驗證，針對不合理之處，可及時給予修正，便于為實際應(yīng)用進(jìn)行指導(dǎo)[3]。

計算機(jī)輔助技術(shù)是跨越了多種學(xué)科，被科學(xué)界、工程界所重視，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對復(fù)雜問題的分析，利用計算機(jī)計算相應(yīng)參數(shù)，可為產(chǎn)品實際設(shè)計提供依據(jù)，另外，計算機(jī)輔助技術(shù)的使用可以使復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計過程變得更加簡單。在產(chǎn)品設(shè)計階段，將計算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于其中，有利于使產(chǎn)品設(shè)計有效性、科學(xué)性、可靠性提升，將大量低水平、繁瑣的工作過程避免，提高產(chǎn)品設(shè)計分析的準(zhǔn)確性，可提高工作效率，節(jié)約費(fèi)用。

2 計算機(jī)輔助技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計中的具體應(yīng)用

2.1 計算機(jī)輔助技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)工作、進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

內(nèi)燃機(jī)工作過程非常復(fù)雜，其工作過程主要為缸內(nèi)工作、進(jìn)排氣系統(tǒng)工作過程，涉及內(nèi)容較多，包括有害氣體生成、噴霧、氣體流動等，對內(nèi)燃機(jī)的排放、經(jīng)濟(jì)性、動力性等多方面的性能具有較大影響。

就進(jìn)排氣系統(tǒng)而言，要想使設(shè)計變得更加優(yōu)化，必須明確該系統(tǒng)的流動特性。計算機(jī)軟件能夠?qū)M(jìn)排氣總管尺寸進(jìn)行模擬計算。近幾年，計算機(jī)建模、仿真計算等技術(shù)均得到快速發(fā)展，將上述技術(shù)相結(jié)合，便可形成計算機(jī)輔助技術(shù)，可促使設(shè)計效率與設(shè)計質(zhì)量大大提升，將產(chǎn)品研制周期縮短。

缸內(nèi)工作非常復(fù)雜，涉及到的內(nèi)容較多，其中包括燃油燃燒、霧化、噴射等，通過在組織燃燒過程中有著較好的應(yīng)用，開發(fā)性能較高。缸內(nèi)工作主要采用數(shù)值模擬法、實驗法完成研究，不過實驗法的適應(yīng)性較差、費(fèi)用高，且周期較長，部分信息甚至無法獲取，數(shù)值模擬法則有著較多的優(yōu)勢，可彌補(bǔ)實驗法中的不足，主要有多維模擬、準(zhǔn)維模擬、零維模擬三種模擬方式[4]。

2.2 計算機(jī)輔助技術(shù)在冷卻系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用

內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行過程中，氣缸內(nèi)會出現(xiàn)高壓燃?xì)狻⒏邷氐痊F(xiàn)象，當(dāng)高溫燃?xì)馀c各種零部件（活塞、缸體、缸蓋等）接觸后，會出現(xiàn)強(qiáng)烈沖擊，若未采取冷卻措施，會導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)過熱，降低充氣效率，燃燒過程也會出現(xiàn)異常，機(jī)油會發(fā)生燒損、變質(zhì)現(xiàn)象，會加劇零件的磨損與摩擦，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)耐久性、運(yùn)行可靠性惡化。若冷卻太強(qiáng)，機(jī)油可能會被燃油稀釋。內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行過程中，必須要確保溫度適宜。當(dāng)處于最佳冷卻狀態(tài)時，內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)均無異常。

利用三維技術(shù)，可及時獲取流動信息，計算出冷卻液三維流體動力學(xué)值，對冷卻系統(tǒng)的空間分布、水腔壓力等信息進(jìn)行模擬，為冷卻水腔系統(tǒng)的設(shè)計提供條件。通過獲取試驗數(shù)據(jù)，能夠提高系統(tǒng)設(shè)計的可靠性、準(zhǔn)確性，節(jié)約經(jīng)費(fèi)和設(shè)計時間。在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)，流體潤滑系統(tǒng)具備清潔、防腐、潤滑等功能，經(jīng)潤滑原理，可確保其功能充分發(fā)揮，將摩擦減少，延長內(nèi)燃機(jī)使用壽命，潤滑油還具備冷卻的作用，冷卻方式包括兩種，分別為冷卻油槍、冷卻油速兩種冷卻方式，可利用計算機(jī)輔助計算，模擬冷卻油腔換熱過程[5]。

2.3 計算機(jī)輔助技術(shù)在耦合模擬中的應(yīng)用

在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計過程中，可利用計算機(jī)輔助技術(shù)模擬單個系統(tǒng)與零部件，在計算過程中，可能會發(fā)現(xiàn)難以確定邊界條件等問題，可利用耦合方法完成計算，主要耦合方式有兩種，分別為物理場耦合、部件間耦合。

內(nèi)燃機(jī)零部件均相互關(guān)聯(lián)，并非孤立存在，在計算過程中，需考慮到零部件間的關(guān)聯(lián)，不能夠只單純考慮到某個單部件，需利用部件固-固耦合方式完成計算，利用計算機(jī)輔助技術(shù)，可提升模擬準(zhǔn)確度。利用計算機(jī)輔助技術(shù)可實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)工作過程的模擬，將獲取缸內(nèi)壓力值，明確溫度變化情況，對熱邊界條件也可進(jìn)行模擬，達(dá)到耦合模擬計算的目的。

內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計可能會遇到邊界不精準(zhǔn)等難以解決的問題，將計算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于其中，可獲取各項參數(shù)信息，提高內(nèi)燃機(jī)設(shè)計的精準(zhǔn)度。計算機(jī)輔助技術(shù)可將完成傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、流體力學(xué)等方面的計算，結(jié)合了多種學(xué)科，實現(xiàn)全仿真模擬，將潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、工作過程等多個方面作為一個耦合整體，可簡化內(nèi)燃機(jī)設(shè)計過程，達(dá)到真實模擬的目的。內(nèi)燃機(jī)設(shè)計包含的內(nèi)容較多，涉及到多個學(xué)科，利用計算機(jī)輔助技術(shù)，可降低設(shè)計難度，提高工作效率。

3 結(jié)束語

內(nèi)燃機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，為人

（下轉(zhuǎn)第193頁）

（上接第116頁）

們的生活、生產(chǎn)活動利用了有利條件，不過該設(shè)備的設(shè)計過程比較復(fù)雜，將計算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)設(shè)計中，有利于提高設(shè)計的精準(zhǔn)度。計算機(jī)輔助技術(shù)可實現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)動仿真、工程圖繪制、產(chǎn)品設(shè)計等過程，彌補(bǔ)了以往設(shè)計工作中的不足，可完成虛擬制造，在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計中可充分發(fā)揮作用，提高工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]韓冬.計算機(jī)輔助技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2015（03）：34-35.

[2]呂繼組，白敏麗，邵治家等.計算機(jī)輔助工程（CAE）在內(nèi)燃機(jī)中的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)，2007（06）：18-22.

[3]張春友，侯瑩瑩，生兆洲.基于小波變換和Labview的內(nèi)燃機(jī)振動信號處理[J].中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報，2015（01）：233-237.

[4]劉金武，楊靖，高為國，倪小丹.內(nèi)燃機(jī)燃燒過程多維模型計算機(jī)仿真平臺開發(fā)及應(yīng)用[J].柴油機(jī)設(shè)計與制造，2004（01）：24-27+38.

[5]暴秀超.基于LabVIEW的內(nèi)燃機(jī)燃燒分析與測試系統(tǒng)研究[D].昆明理工大學(xué)，2007.