CAE在柴油機設計開發中的應用

李樹生，李林科，楊加成，李 斌，王華磊

（中國石油集團 濟南柴油機股份有限公司，山東濟南250306）

CAE（Computer Aided Engineering）是用計算機輔助求解復雜工程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能優化設計等問題的一種近似數值分析方法。

內燃機的研制是一項復雜而艱巨的工作，采用傳統的研究方式已經不能滿足現在新產品的需要，計算機輔助工程在內燃機研制中發揮越來越顯著的作用。在內燃機設計中，CAE可以進行固體力學分析和流體力學分析，可以對內燃機工作過程、冷卻系統、潤滑系統等進行模擬計算，對機體、曲軸、氣缸蓋、連桿等進行有限元分析。

1 整機熱力學計算

考慮管道內的一維氣體動力特性，通過對發動機工作循環和氣體交換過程分析，預測了發動機在各負荷工況下的平均有效壓力、燃油消耗率、氣缸爆發壓力、過量空氣系數等參數，通過計算確定了配氣定時、增壓匹配方案。

2 燃油噴射系統分析

燃油噴射系統采用高壓共軌，計算模型包括高壓油泵、連接塊、高壓油管、噴油器等高壓管路（見圖1）。使用單個噴油器模型對噴嘴流量進行計算，包括所有高壓管路的模型計算了各工況下噴油器和噴油器之間燃油供給量偏差，對規內的壓力振蕩情況進行了分析，確定了噴孔數量、尺寸和各負荷下需要的規壓。

3 水套CFD分析

由于采用了氣缸動力單元的模塊化設計，對冷卻系統的分析可減少到對一個氣缸單元進行分析。

對分水道和回水道分別模擬計算了兩種不同流向水套內的水流流速、壓力和熱傳遞系數分布（見圖2），對氣缸蓋和機體上敏感位置的熱傳遞、通流速度和水套壓力損失進行評價，通過與有限元的交互式計算為氣缸蓋—氣缸墊—機體組件的分析提供精準的邊界條件。

4 氣缸內氣側CFD分析

計算的目的是模擬氣缸內氣側熱傳遞，為氣缸蓋－機體組件有限元分析提供邊界條件。使用三維CFD軟件在超負荷下，對整個發動機循環的瞬態流量和氣缸內氣側熱傳遞分布進行評估，計算出氣缸蓋火力岸、氣門、氣道、氣缸套、活塞頭的平均熱傳遞系數和溫度，同時對氣缸內進氣沖程中的氣缸內流場、燃油噴射射程和霧化、燃燒和火焰等進行了分析。

圖1 燃油噴射系統計算模型

圖2 水套的熱傳遞分布

5 軸系分析

圖3 軸系計算模型

計算模型（見圖3）包括曲軸、活塞、活塞銷、軸承、連桿、飛輪、減振器，在軸系分析中對曲軸進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，計算出了發動機整個轉速范圍內的最大油膜壓力、最小油膜厚度。分別對正常和一個氣缸失火情況下單機和臺架的軸系進行扭振分析，計算出了單諧次和合成的扭振振幅，以及各轉速下的扭振扭矩和應力。

6 閥系分析

計算模型見圖5，采用具有等效動態特性的集中質量質質量系統方法檢驗了單閥系的動態特性，配氣定時系統的模型包括兩個凸輪軸和所有進、排氣單閥系。

進行了閥系的運動學、動力學計算，對于凸輪型線、凸線、凸輪和滾輪之間的最大接應力進行了評價。閥系的運動學分析還計算了氣門彈簧的殘余力、氣閥和活塞的最小間隙。閥系動力學分析中考慮了作用在單元上的外力和摩擦力，計算了各種工況下凸輪和滾輪間的動態接觸力和接觸應力，以及氣門落座力和氣門落座速度。另外還計算出了齒輪系的嚙合力，這為齒輪系強度計算提供邊界條件。

圖4 曲軸動態有限元計算模型

圖5 閥系的配氣定時系統模型

7 曲軸動態有限元分析

計算模型（見圖4）包括彈性機體、曲軸和連桿。加載活塞質量到連桿小頭上，對機體進行動態縮減計算，曲軸和連桿由具有相似動態模型的質點單元來替代，這樣縮減的零件模型通過連接單元來連接，主軸承通過流體彈性動力油膜連接單元（EHD）來連接，其他的通過非線性彈簧阻尼連接單元（NONL）來連接。

考慮到發動機循環中曲軸的扭振和氣缸壓力、慣量載荷，運用動態應力有限元分析，對發動機多個轉速運動狀態下的曲軸進行高周疲勞分析，計算出了各曲軸圓角的最小安全系數。同時曲軸動態有限元分析計算出了曲軸的模態和固有頻率，得到了動態曲軸飛輪端、減振器端和重心的橫向和縱向扭振振幅。另外計算出了整個發動機轉速內徑向液力軸承的最大軸承力和力矩，為后面的機體主軸承壁計算提供邊界條件。

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承受交變工作應力下的最小安全系數，分析大、小頭孔的接觸壓力和變形。計算模型包括連桿體、連桿蓋、連桿軸瓦、連桿小頭襯套以及螺栓。另外，為了模擬真實工況，模型中增加了活塞銷，銷被定義成一個剛性面。為了使計算工作量最小化，所有工況都考慮對稱加載，這樣只模擬整個結構的一半即可。

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

對各種載荷下的連桿整體變形和應力進行了分析；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力都在要求范圍內。軸瓦的變形通過與曲柄銷實際接觸的軸瓦角度來評估，這些角度都小于最大允許接觸角；計算了在最危險工況，連桿大頭蓋分型線處的最小壓力也是足夠的；對連桿進行了高周疲勞計算，其最小安全系數均大于限值。

較纖細的結構在壓縮力作用的影響下容易發生彈性彎曲。對連桿進行兩次彎曲分析：一次加載對稱邊界條件，一次在對稱面上加載非對稱邊界條件，這樣可模擬出連桿的所有彎曲變形。通過計算連桿的彎曲安全系數均大于限值（圖6）。

圖6 彎曲疲勞安全系數

9 主軸承壁有限元分析

此計算主要對軸承負荷最高的主軸承壁的軸承蓋和機體進行強度、變形和接觸摩擦力分析。計算模型包括曲軸箱、主軸承蓋、主軸瓦、主軸承螺栓、橫拉螺栓、簡化的氣缸蓋、氣缸蓋螺栓。分析時對簡化氣缸蓋上部進行了約束限制，加載的載荷包括主軸承螺栓、橫拉螺栓、氣缸蓋螺栓的預緊力和主軸瓦過盈，以及整個發動機循環中最惡劣負荷下的6個軸承力和力矩合成較大的曲軸轉角位置的動態油膜壓力。

計算了在預緊力、軸承過盈和軸承載荷合成作用下主軸承壁的應力和變形（見圖7）；分析了預緊力、軸瓦過盈和軸承載荷下主軸承孔的變形，以及軸瓦切向應力和背壓；分析了在預緊力作用下機體和軸承蓋接觸表面的接觸壓力，以及在發動機循環過程中主軸承蓋接觸表面的最大滑動量；對機體和主軸承蓋進行了高周疲勞計算，對安全系數較小區域進行了優化設計。

圖7 主軸承壁的應力分布

10 氣缸蓋—氣缸套—機體組件有限元分析

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詳細的和半個簡化的氣缸，還包括氣缸蓋、氣門座、氣門導管、氣門、噴油器組件、噴油器壓板、噴油器壓板固定螺栓、噴油器護套、氣缸蓋螺栓、氣缸蓋墊片、氣缸套、減摩環、機體、主軸承螺栓和相關的主軸承蓋、軸瓦。主軸承蓋的邊界條件代表軸系。

氣缸蓋—氣缸套—機體組件有限元分析包括兩個主要部分：熱傳遞系數分析和強度分析。熱傳遞的有限元分析與上面提到的冷卻和氣缸內傳熱CFD分析是交互式進行的，用于熱傳遞分析的溫度和熱傳遞系數來自氣缸水側和氣側CFD分析結果。強度分析的第1步是加載氣缸蓋裝配力，第2步對來自熱傳遞系數的溫度以一種熱負荷的形式加載，第3步是在模型中依次加載兩個氣缸最大爆發壓力負荷。

在分析時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板固定螺栓的預緊力，以及氣門座和氣門導管的裝配過盈。有限元分析的熱負荷考慮了燃燒室的熱載荷，以及CFD冷卻液流動分析計算出的冷卻條件，另外還考慮了和熱傳遞相關的活塞的摩擦。氣缸最大爆發壓力以恒定值加載在燃燒室和一直向下到第1道活塞環的減摩環、氣缸套表面。

熱傳遞進行了機體、氣缸套、火焰環、活塞環、氣缸蓋的壁面和水套的溫度分布分析；對水套的沸騰區域進行了評估。

圖8 彎曲疲勞安全系數

強度分析進行了如下計算：各種載荷下發動機截面的整體變形和機體火力岸、氣缸套、氣缸蓋的應力分布；對氣缸套各載荷下垂直面和3個主要水平面的變形進行評估，對各諧次下氣缸套徑向變形也進行了分析；分別分析加載氣缸蓋螺栓預緊力、熱負荷、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；為了預測氣缸蓋、氣缸套和機體的耐久性，對其在最惡劣載荷下高周疲勞安全系數進行計算（圖8）。

11 結束語

采用CAE技術在發動機設計中所進行的各種分析，能在虛擬的數字化樣機上進行優化設計，找出產品最佳設計方案，發現產品制造或工程施工前潛在的問題，確保設計的合理性，提高產品的可靠性，減少試驗時間和經費，降低樣機設計和制造的成本。

［1］呂繼組，等.CAE在內燃機設計中的應用［C］.中國內燃機學會第七屆學術年會論文集，2007.

［2］Ahmed Al－Sened，等.ManB＆W RK280型柴油機從方案設計到投產廣泛應用工程預測法［J］.國外內燃機車，2005，（6）.