逆向建模技術(shù)在柴油機氣道正向開發(fā)中的應(yīng)用

付云貴，呂順，張善永，云峰，王少帥，王寧寧

(內(nèi)燃機可靠性國家重點實驗室，山東濰坊 261061)

0 前言

設(shè)計出既具有高進氣渦流比又具有較低流動阻力的進氣道，是研制直噴式柴油機的關(guān)鍵技術(shù)之一。合理地選取進氣渦流比，能有效改善燃燒，提高直噴式柴油機的綜合性能[1]。排氣道的設(shè)計會受到氣缸蓋邊界的限制。

長期以來，發(fā)動機氣道正向設(shè)計和開發(fā)是一項較為困難且繁瑣的工作，這也導(dǎo)致了很多發(fā)動機生產(chǎn)企業(yè)選擇氣道逆向開發(fā)的方法。但是，隨著柴油機排放法規(guī)的升級及客戶對柴油機性能要求的提升，通過逆向開發(fā)完成的氣道已經(jīng)很難滿足要求。

1 柴油機氣道正向開發(fā)流程

本文結(jié)合柴油機進氣道的開發(fā)實例，介紹一種應(yīng)用增材快速成型和逆向建模技術(shù)的氣道正向開發(fā)方法，該方法能有效縮短氣道開發(fā)周期。圖1為氣道正向開發(fā)流程。

氣道開發(fā)流程中各節(jié)點要求如下。

(1)氣道設(shè)計。氣道設(shè)計是根據(jù)氣道流量系數(shù)和渦流比等性能需求，兼顧氣缸蓋、氣門和搖臂等邊界而進行的氣道三維(3D)設(shè)計。除考慮流量系數(shù)和渦流比外，還需考慮以下幾方面因素：① 對于4氣門氣缸蓋，在缸蓋限制空間內(nèi)盡量保證氣道的流程面積；② 從氣道閥座口到進氣管接合面，氣道幾何形狀要平滑過渡，截面面積逐漸擴大，應(yīng)避免出現(xiàn)截面突變；③ 氣道的鑄造工藝要求較高，氣道砂芯的分型線應(yīng)避免出現(xiàn)在氣道的敏感區(qū)域[2]。

(2)計算流體動力學(xué)(CFD)仿真計算。CFD能夠在氣道設(shè)計階段進行評價，可提高氣道設(shè)計質(zhì)量，降低開發(fā)風(fēng)險。但CFD只能對設(shè)計方案的方向性進行判斷并持續(xù)優(yōu)化，不能代替臺架試驗，尤其是在氣道渦流比預(yù)測方面。此外，CFD仿真分析的準(zhǔn)確性還有待提升。

(3)氣道芯盒的設(shè)計與開發(fā)。氣道芯盒是用來進行氣道吹風(fēng)的工裝，是虛擬的氣缸蓋。芯盒開發(fā)是利用芯盒在氣道吹風(fēng)試驗臺上進行氣道性能的驗證，同時根據(jù)試驗的結(jié)果對芯盒的內(nèi)表面(氣道表面)進行局部優(yōu)化，最終達到氣道開發(fā)目標(biāo)。

(4)逆向建模。逆向建模是通過逆向技術(shù)將設(shè)計的氣道曲面轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型的過程。

(5)驗證用芯盒的制作與驗證。通過使用逆向建模得到的數(shù)字化氣道模型制作驗證用芯盒，并確定氣道開發(fā)的結(jié)果。

本文將結(jié)合實例介紹影響氣道正向開發(fā)的流程，以及開發(fā)結(jié)果的CFD仿真、芯盒制作、芯盒開發(fā)和逆向建模過程。

圖1 氣道開發(fā)流程

2 氣道CFD仿真及芯盒制作

根據(jù)氣缸蓋邊界進行氣道3D設(shè)計，初始模型的設(shè)計決定了整個氣道開發(fā)的最終結(jié)果。進氣道采用切向氣道與螺旋氣道的組合形式，以保證進氣流量，實現(xiàn)較大的渦流比。將氣道模型在Cero軟件中建立仿真計算模型，在計算模型入口處加入半球形穩(wěn)壓腔，提高氣流的收斂性和穩(wěn)定性。計算模型如圖2所示。

圖2 進氣道CFD仿真模型

為更好地評價進氣道的性能，本文計算了進氣道在不同氣門升程時的氣道湍流動能。隨著氣門開度增加，氣流的湍流動能也隨之增加。湍流動能越大，越有利于形成強勁的渦流，但同時會使流量系數(shù)降低[3]。進氣道導(dǎo)管處應(yīng)特別給予關(guān)注，增大此處的截面積，可以提高氣體流通性，避免氣體分流。

計算得到各氣門升程下的流量系數(shù)及渦流比曲線如圖3所示。氣道流量系數(shù)的仿真結(jié)果擬合曲線趨勢符合預(yù)期，可用于后期的快速原型的實物芯盒制作。

圖3 基于CFD仿真結(jié)果曲線

氣道芯盒類似于虛擬氣缸蓋(圖4)，其附件包括進氣座圈、導(dǎo)管和進氣門等。其中，座圈的設(shè)計對氣道性能的影響較大，合適的座圈內(nèi)徑、錐角，以及氣門座圈密封錐面最小直徑等需要配合氣道在開發(fā)過程中進行優(yōu)化。芯盒分為上下兩部分，在氣道開發(fā)過程中可以對其中一部分芯盒內(nèi)腔進行修改，其目的是為了得到需要的進氣渦流比和流量系數(shù)。同時，為了保證氣道開發(fā)精度，關(guān)鍵的配合面應(yīng)采用機加工方式。

圖4 氣道芯盒模型

本文研究的氣道芯盒采用增材快速成型技術(shù)。目前用于氣道芯盒開發(fā)制作的增材快速成型技術(shù)主要有彩色粘接打印(CJP)、立體印刷成型(SLA)和選擇性激光燒結(jié)(SLS)。其中，CJP技術(shù)將復(fù)合材料通過打印頭噴出的黏結(jié)劑進行粘接，SLA技術(shù)則通過紫外激光束的照射將光敏樹脂快速固化。SLS技術(shù)與SLA技術(shù)類似，都需要借助光束將物質(zhì)固化，不同的是SLS技術(shù)使用的是紅外線光束，其材料為尼龍、蠟、陶瓷等粉末材料。

針對氣道開發(fā)對芯盒的要求，需要對比3種技術(shù)的機加工性能、存儲性、芯盒強度、曲面成型精度和修改難易程度等。CJP技術(shù)具有良好的加工性能及曲面精度，且容易修改。因此，本文采用CJP技術(shù)制作氣道芯盒。3種增材快速成型技術(shù)性能比較見表1。

表1 3種增材快速成型技術(shù)性能比較

制作完成的氣道芯盒在氣道吹風(fēng)試驗臺上進行了試驗驗證，如圖5所示。

圖5 氣道芯盒吹風(fēng)驗證

氣道芯盒吹風(fēng)試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的對比如圖6所示。從對比結(jié)果可知，流量系數(shù)計算結(jié)果和芯盒吹風(fēng)結(jié)果趨勢在絕對值上基本一致，流量系數(shù)的一致性較好，但渦流比存在差異。在氣門小升程時，計算結(jié)果與實際吹風(fēng)結(jié)果差異較大；在氣門大升程時相差較小，整體趨勢一致。基于該驗證結(jié)果，可以進行后期的氣道開發(fā)。

圖6 氣道芯盒吹風(fēng)試驗結(jié)果和仿真結(jié)果的對比

3 氣道芯盒優(yōu)化

針對氣道吹風(fēng)試驗結(jié)果，為提升各氣門升程下的氣道渦流比，可通過氣道芯盒的實物修改進行優(yōu)化。由于氣道結(jié)構(gòu)基本定型，進行大幅度改動的可能性較小，因此可以通過兩種思路進行調(diào)整。① 考慮在氣門座圈喉口處提高進氣流速來提高進氣渦流比。初始喉口直徑與氣門座圈密封錐面最小直徑值相等，為了提高流速減小了喉口直徑。② 通過修改芯盒模型，減少或增加氣道型腔材料來提高渦流比。氣道芯盒優(yōu)化前后流量系數(shù)和渦流比情況如圖7所示。

圖7 氣道芯盒優(yōu)化前后流量系數(shù)和渦流比對比

通過對比不同喉口直徑下的氣道渦流比可知，在氣門座圈密封錐面最小直徑的0.95倍處，氣道渦流比提升明顯。此外，通過對氣道芯盒局部的修正，其流通能力也得到了提升。圖7結(jié)果驗證了上述結(jié)論，氣道渦流比在各個升程上都有明顯提升，且沒有犧牲流量系數(shù)，特別是氣門升程較小時，氣道流量系數(shù)提升明顯。

綜上所述，開發(fā)結(jié)果顯示在凸輪軸型線下的氣道綜合渦流比接近設(shè)計目標(biāo)值，且氣道流量系數(shù)提升明顯，因此，可以將該氣道芯盒結(jié)果作為最終的氣道模型并定型固化。

4 氣道模型的逆向建模

4.1 數(shù)據(jù)采集及處理

運用激光掃描儀將圖8所示的氣道模型掃描得到點云數(shù)據(jù)，并將掃描點云模型導(dǎo)入Geomagic Design X軟件中進行逆向建模。

圖8 掃描的氣道原始點云

氣道數(shù)據(jù)采集時應(yīng)關(guān)注：① 去除掃描過程中因異常振動或光學(xué)式測量儀電器誤差等原因?qū)е碌牟蓸狱c云未完全落在原物體上而出現(xiàn)的“疵點”；② 去除冗余的點云，提高計算機運行存儲和操作的效率，縮短生成曲面模型需要的時間，提高重構(gòu)曲面的光整性[4]。處理后的氣道模型如圖9所示。

圖9 處理后的氣道模型

4.2 氣道逆向曲面模型構(gòu)建

基于Geomagic Design X軟件的模型曲面重建是逆向建模的關(guān)鍵步驟。常見的模型重構(gòu)方法有兩種：① 直接對掃描點云數(shù)據(jù)進行曲面片擬合，經(jīng)過對曲面片的過渡、拼接及裁剪等操作完成曲面模型的構(gòu)建；② 先將數(shù)據(jù)點通過逼近擬合成曲線，再利用造型工具將曲線構(gòu)建成曲面[5]。本文采用第1種方法重構(gòu)氣道模型，如圖10所示。該方法造型速度快，精度高。重構(gòu)模型時應(yīng)注意消除原型產(chǎn)品自身的缺陷，符合鑄造工藝性要求。

圖10 基于Geomagic Design X軟件的逆向氣道模型

4.3 偏差對比

建模完成之后，可以將逆向后的模型與原始設(shè)計的3D氣道模型進行對比，目的是檢查逆向建模過程中的偏差累計是否超過一定的限值，并關(guān)注氣道出口位置的偏差是否滿足±0.2 mm的累計公差要求。此外，通過模型對比，可判斷在氣道芯盒開發(fā)過程中氣道哪些部位進行了較大幅度修改。這也是開發(fā)流程節(jié)點控制的重要標(biāo)準(zhǔn)。

5 開發(fā)結(jié)果驗證

氣道開發(fā)結(jié)果既需要通過逆向氣道與原始設(shè)計的3D氣道模型進行結(jié)構(gòu)偏差的對比校核，也需要校核實際偏差。通過將逆向建模后得到的氣道模型可制作快速驗證用芯盒。驗證用芯盒采用SLA技術(shù)制作，并按照定型的喉口尺寸進行加工。

圖11為定型芯盒仿真驗證結(jié)果與芯盒開發(fā)結(jié)果的對比。各氣門升程的流量系數(shù)和渦流比與開發(fā)結(jié)果一致，氣道模型并沒有因為逆向建模和芯盒打印誤差與實體具有較大的偏差。因此，運用逆向工程軟件可以實現(xiàn)氣道從實體到3D模型的精確設(shè)計。

6 結(jié)語

基于某中型柴油機進氣道實例，介紹了逆向建模技術(shù)的氣道正向開發(fā)。通過氣道的3D設(shè)計和仿真計算等確定了初始芯盒模型。通過修改氣道芯盒及減小喉口直徑的方式，的氣道流量系數(shù)和渦流比。

圖11 定型芯盒仿真驗證結(jié)果與芯盒開發(fā)結(jié)果對比

軟件建立了氣道逆向模型。驗證結(jié)果表明，基于逆向建模技術(shù)的氣道正向開發(fā)可以滿足提升氣道性能的開發(fā)要求。