基于數字化樣機技術的柴油機設計探究

張永斌 福建船政交通職業學院

伴隨著柴油機工業的發展，人們對于高可靠性動力產品的需求顯著提高，如何確保柴油機產品的高性能、高可靠性，已經成為柴油機設計研發面臨的核心問題。在此基礎上，數字化樣機技術由上而下構成總體設計體系，能夠通過頂層規劃、系統覆蓋、綜合協調、折衷權衡和反復迭代來獲取最佳優化方案，不僅可解決技術設計與工程實現的矛盾，同時也可實現先進技術對于產品設計的最大化支撐，能夠真正就產品結構進行改進，并促進產品性能的增強。

一、技術概述

（一）數字化樣機技術

圍繞數字化樣機技術，其以CAX/DFX技術為基礎，融合機械系統運動學、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、仿真技術和虛擬現實技術，能夠通過集成產品設計開發與分析過程，直觀形象得呈現產品設計整個過程。其中，在數字化樣機技術應用視角下，產品設計優化的流程如圖1 所示。

圖1 基于數字化樣機技術的設計優化流程

1.運動分析

在運動分析階段，針對曲軸連桿結構、傳動機構、配氣機構進行研究，檢測其在空間運動過程中物理位置的精確性，并分析各機構運動過程中的運動間隙和運動協調性，從而掌握產品運行過程中的位移、速度、加速度等數值信息。

2.性能參數匹配分析

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

3.空間結構分析

對樣機進行空間結構解析，包括間隙檢查、關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據來改善設計方案。

4.裝配分析

根據樣機的裝配工藝，模擬產品的裝配過程，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，規范技術要求，建立關鍵要素及措施的保證手段和檢驗標準，以此確保優化設計的可行性。

5.工藝性評估

對數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進行優化，包括改善改善裝配順序、優化零部件重量、形狀等，能夠提升裝配效率，優化產品維修性和測試性。

7.制造分析和數字化制造

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

（二）CAD/CAE 集成技術

CAD 技術是基于計算機技術所產生的一種問題求解技術，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 技術包含CAD、CAE、CAM 等多種技術，涉及二維繪圖設計、三維幾何造成設計、產品數字化裝配、有限元分析、優化設計、動態模擬、數控加工編程、產品數據管理等內容。

（三）優化設計技術

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

柴油機多學科優化設計過程如圖2 所示。

圖2 柴油機多學科優化設計流程

（四）柴油機產品研發數字化技術平臺

利用天舟COMAN 作為柴油機產品研發數字化技術平臺，其能夠為柴油機的關鍵設計環節，如部件原理設計、詳細設計、基于數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化的專業集成設計環境和自主創新研發核心能力平臺。

二、基于數字化樣機技術的柴油機設計優化

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

圖3 柴油機設計參數CAD/CAE聯合優化過程

（一）準備階段

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

（二）參數化建模階段

1.有限元模型建立

利用CAD 軟件搭建實體模型，對采油機系統進行連續體問題區域分解，將產品結構劃分為不同有限元模型，并根據計算能力進行網格劃分和求解規模限制。

2.材料設置

基于仿真模型要求和結構材料特性，對材料彈性模量和泊松比等參數進行設置。

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，利用最優化計算方法于計算機上進行參數化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果進行分析優化，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域，并以圖片或表格形式記錄，形成仿真分析報告。

（五）參數評價優化階段

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

三、基于數字化樣機技術的柴油機設計優化仿真研究

（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構的應力、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，從而實現對于氣缸蓋水腔等部位的強度評估。

（二）模態分析

模態分析用于分析結構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特性優化提供支持。

（三）熱分析

熱分析主要涉及溫度場分析等內容。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構強度。

（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、結語

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