基于數(shù)字化樣機技術(shù)的柴油機設計探究

張永斌 福建船政交通職業(yè)學院

伴隨著柴油機工業(yè)的發(fā)展，人們對于高可靠性動力產(chǎn)品的需求顯著提高，如何確保柴油機產(chǎn)品的高性能、高可靠性，已經(jīng)成為柴油機設計研發(fā)面臨的核心問題。在此基礎上，數(shù)字化樣機技術(shù)由上而下構(gòu)成總體設計體系，能夠通過頂層規(guī)劃、系統(tǒng)覆蓋、綜合協(xié)調(diào)、折衷權(quán)衡和反復迭代來獲取最佳優(yōu)化方案，不僅可解決技術(shù)設計與工程實現(xiàn)的矛盾，同時也可實現(xiàn)先進技術(shù)對于產(chǎn)品設計的最大化支撐，能夠真正就產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進行改進，并促進產(chǎn)品性能的增強。

一、技術(shù)概述

（一）數(shù)字化樣機技術(shù)

圍繞數(shù)字化樣機技術(shù)，其以CAX/DFX技術(shù)為基礎，融合機械系統(tǒng)運動學、動力學、控制理論學等多領域知識，綜合應用三維圖形處理、造型技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠通過集成產(chǎn)品設計開發(fā)與分析過程，直觀形象得呈現(xiàn)產(chǎn)品設計整個過程。其中，在數(shù)字化樣機技術(shù)應用視角下，產(chǎn)品設計優(yōu)化的流程如圖1 所示。

圖1 基于數(shù)字化樣機技術(shù)的設計優(yōu)化流程

1.運動分析

在運動分析階段，針對曲軸連桿結(jié)構(gòu)、傳動機構(gòu)、配氣機構(gòu)進行研究，檢測其在空間運動過程中物理位置的精確性，并分析各機構(gòu)運動過程中的運動間隙和運動協(xié)調(diào)性，從而掌握產(chǎn)品運行過程中的位移、速度、加速度等數(shù)值信息。

2.性能參數(shù)匹配分析

在性能參數(shù)匹配分析階段，以數(shù)字化分析工具為依托，對樣機工作過程中涉及的各項參數(shù)進行匹配分析，包括排氣、冷卻、潤滑、供油等系統(tǒng)。

3.空間結(jié)構(gòu)分析

對樣機進行空間結(jié)構(gòu)解析，包括間隙檢查、關(guān)鍵截面分析和測量空間分析，能夠使設計人員直觀掌握樣機存在的設計問題，并通過獲取樣機零部件的具體數(shù)據(jù)來改善設計方案。

4.裝配分析

根據(jù)樣機的裝配工藝，模擬產(chǎn)品的裝配過程，檢查樣機零部件裝配過程中是否存有干涉問題。同時，明確裝配順序，規(guī)范技術(shù)要求，建立關(guān)鍵要素及措施的保證手段和檢驗標準，以此確保優(yōu)化設計的可行性。

5.工藝性評估

對數(shù)字化樣機進行工藝性評估，包括面向制造的設計分析、面向裝配的設計分析以及容差分析等。

6.設計優(yōu)化

在考量零部件制造方法與材料屬性基礎上，圍繞剛度分析、流場分析、溫度場分析、疲勞壽命分析等方面對零部件和子系統(tǒng)進行優(yōu)化，包括改善改善裝配順序、優(yōu)化零部件重量、形狀等，能夠提升裝配效率，優(yōu)化產(chǎn)品維修性和測試性。

7.制造分析和數(shù)字化制造

在設計優(yōu)化基礎上，建立數(shù)字化樣機模型，利用CAM 仿真進行零部件制造，從而有效支撐優(yōu)化設計方案在實際生產(chǎn)中的應用。

（二）CAD/CAE 集成技術(shù)

CAD 技術(shù)是基于計算機技術(shù)所產(chǎn)生的一種問題求解技術(shù)，其為多學科方法的綜合性應用提供了支撐。其中，廣義上的CAD 技術(shù)包含CAD、CAE、CAM 等多種技術(shù)，涉及二維繪圖設計、三維幾何造成設計、產(chǎn)品數(shù)字化裝配、有限元分析、優(yōu)化設計、動態(tài)模擬、數(shù)控加工編程、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等內(nèi)容。

（三）優(yōu)化設計技術(shù)

在現(xiàn)階段產(chǎn)品優(yōu)化設計研究中，與產(chǎn)品建模和仿真分析相結(jié)合是方案優(yōu)化和產(chǎn)品設計的關(guān)鍵所在。其中，柴油機產(chǎn)品是復雜的機電系統(tǒng)，涉及多個領域知識，因此可借助多學科設計優(yōu)化理論對柴油機設計過程進行支撐，其通過利用工程系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機制來設計復雜系統(tǒng)，能夠使不同學科之間產(chǎn)生協(xié)同效應，從而有效提升產(chǎn)品的整體最優(yōu)性能。

柴油機多學科優(yōu)化設計過程如圖2 所示。

圖2 柴油機多學科優(yōu)化設計流程

（四）柴油機產(chǎn)品研發(fā)數(shù)字化技術(shù)平臺

利用天舟COMAN 作為柴油機產(chǎn)品研發(fā)數(shù)字化技術(shù)平臺，其能夠為柴油機的關(guān)鍵設計環(huán)節(jié)，如部件原理設計、詳細設計、基于數(shù)字樣機的分析仿真提供管理工具，是一種支持柴油機多學科設計及仿真優(yōu)化的專業(yè)集成設計環(huán)境和自主創(chuàng)新研發(fā)核心能力平臺。

二、基于數(shù)字化樣機技術(shù)的柴油機設計優(yōu)化

柴油機設計參數(shù)CAD/CAE 聯(lián)合優(yōu)化過程如圖3 所示，而在具體優(yōu)化過程中，應按照圖3 所示流程進行，以此提升柴油機產(chǎn)品的自動化水平。

圖3 柴油機設計參數(shù)CAD/CAE聯(lián)合優(yōu)化過程

（一）準備階段

在準備階段，根據(jù)柴油機具體存在問題進行產(chǎn)品方案設計，設定仿真優(yōu)化目標，確立仿真問題類型，搭建基于具體仿真任務的數(shù)字化模型，包含幾何模型、邊界條件、初始條件、計算設置等內(nèi)容。

（二）參數(shù)化建模階段

1.有限元模型建立

利用CAD 軟件搭建實體模型，對采油機系統(tǒng)進行連續(xù)體問題區(qū)域分解，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分為不同有限元模型，并根據(jù)計算能力進行網(wǎng)格劃分和求解規(guī)模限制。

2.材料設置

基于仿真模型要求和結(jié)構(gòu)材料特性，對材料彈性模量和泊松比等參數(shù)進行設置。

3.邊界條件設置

圍繞載荷邊界與約束邊界進行設置，前者包含集中力、表面載荷、體積載荷、慣性載荷以及耦合場載荷，后者涉及位移約束邊界和接觸邊界。

4.求解器設置

基于不同類型的求解問題和計算軟件，設置對應的求解器，選擇合適的接觸摩擦求解類型和疲勞壽命預估算法，以此提高仿真分析和問題求解的效率。

（三）求解階段

在求解階段，利用最優(yōu)化計算方法于計算機上進行參數(shù)化CAD 模型求解，并借助命令流或窗口交互方式對計算過程進行監(jiān)測。

（四）后處理階段

在后處理階段，使用有限元分析軟件的后處理圖形功能對仿真結(jié)果進行分析優(yōu)化，形成針對有限元模型的溫度分布圖、變形圖和應力分布圖，從而計算有限元的最高溫度、最大變形、最大應力和壽命最低區(qū)域，并以圖片或表格形式記錄，形成仿真分析報告。

（五）參數(shù)評價優(yōu)化階段

在參數(shù)評價優(yōu)化階段，利用優(yōu)化處理器對本次仿真分析得出的優(yōu)化參數(shù)進行評估，查看設計變量、約束條件、目標函數(shù)是否均已達到最優(yōu)，若完成最優(yōu)結(jié)果，形成優(yōu)化循環(huán)圈，若未完成最優(yōu)結(jié)果，則基于當前優(yōu)化變量重新修正設計變量，再次進行優(yōu)化循環(huán)。

三、基于數(shù)字化樣機技術(shù)的柴油機設計優(yōu)化仿真研究

（一）剛強度分析

剛強度分析包括線性和非線性分析，主要用于計算靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的應力、位移和變形。例如，可借助剛強度分析研究氣缸蓋在螺栓預緊力、氣門座圈裝配過盈力以及最大燃燒壓力作用下的應力與變形情況，從而實現(xiàn)對于氣缸蓋水腔等部位的強度評估。

（二）模態(tài)分析

模態(tài)分析用于分析結(jié)構(gòu)和零部件的振動特性，包括頻率和振型等。例如，通過分析整體式氣缸蓋的模態(tài)頻率和振型，能夠掌握氣缸蓋的基礎動力學特性，從而為氣缸蓋動力學響應分析和動態(tài)特性優(yōu)化提供支持。

（三）熱分析

熱分析主要涉及溫度場分析等內(nèi)容。其中，借助熱分析研究氣缸蓋在高溫燃氣、冷卻液等條件下的溫度和熱應力分布情況，能夠評估氣缸蓋于溫度載荷和機械載荷共同作用下的結(jié)構(gòu)強度。

（四）疲勞分析

疲勞分析主要涉及疲勞強度檢測和壽命評估等內(nèi)容。其中，借助疲勞分析，研究氣缸蓋在機械載荷作用下疲勞強度與壽命是否合乎設計要求。

四、結(jié)語

綜上，圍繞數(shù)字化樣機技術(shù)，深入剖析了數(shù)字化樣機技術(shù)在柴油機設計優(yōu)化中的應用。其中，通過對柴油機各組分系統(tǒng)進行集成化、模塊化優(yōu)化設計，能夠提高產(chǎn)品的緊湊性和數(shù)字性，有助于實現(xiàn)產(chǎn)品性能的最優(yōu)化，并降低產(chǎn)品的研發(fā)成本和技術(shù)隱患。