發(fā)動機研發(fā)中計算機輔助工程及優(yōu)化技術(shù)的運用

萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)國外內(nèi)燃機 2014年第3期國外內(nèi)燃機 2014年第3期發(fā)動機研發(fā)中計算機輔助工程及優(yōu)化技術(shù)的運用【日】後藤哲男速藤一摘要：計算機輔助工程(CAE)找和選取最佳的參數(shù)值。利用優(yōu)化軟件中快速而精準的CAE模型及其計算結(jié)果進行可視化操作，以達到優(yōu)化設(shè)計的目的。關(guān)鍵詞：計算機輔助工程計算機輔助設(shè)計模擬模型設(shè)計優(yōu)化有限元應力分析網(wǎng)格計算0 前言 間和成本。另外，在開發(fā)過程中，各階段所使用的CAE模型因其參數(shù)范圍及種類的不同也各有差異近年來，在面臨全球變暖、大氣污染等問題的形同時，根據(jù)開發(fā)進度，必須分別使用具有不同詳細度勢下，以及在以新興國家為中心汽車市場急劇增長的模型。的背景下，汽車研發(fā)人員面臨諸多有待解決的課題。當前，研究人員不僅單純追求將新的環(huán)保技術(shù)更快、更切實地應用到產(chǎn)品中，還必須在因汽車用戶 概念設(shè)訓一口 量『快速全球化導致用戶需求多樣化的趨勢下，同時追 ■i 塑蘭鼉豪睡一百量|萋|■一；|雷一一求產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格和產(chǎn)地、銷售地多樣化，以及降低成cAE的確定概念設(shè)汁詳細分莨效分析 乍輛數(shù)燃料特性所作的改進，為適應全球化市場所導致的力。目前為止，車用發(fā)動機的研發(fā)步驟主要是“設(shè)計 目的 識別模型測試結(jié)果對策據(jù)驗證一試制樣機一試驗一數(shù)據(jù)分析一設(shè)計改善一試制樣 校準饃型機一試驗”的循環(huán)過程。在試制樣機的基礎(chǔ)上，運用餐：筍mi《3鍬毛』黎熱u({}特殊)(控制模模型面模型三維模型 。。一維模型所謂“戴明循環(huán)”的品質(zhì)管理循環(huán)進行開發(fā)，但這一 (+i維模型)方法已很難滿足當今的全球形勢和課題要求。因 圖1開發(fā)過程中CAE的定位此，一直以來主要用于控制系統(tǒng)研發(fā)領(lǐng)域的“基于模型的開發(fā)思路”被用于發(fā)動機硬件(結(jié)構(gòu)設(shè)計、機構(gòu) 從對確定產(chǎn)品技術(shù)規(guī)格的貢獻度來看，CAE設(shè)計)開發(fā)領(lǐng)域，使用計算機輔助工程(CAE)模型， 型在首次試制樣機前的概念設(shè)計階段，在確定基本加快研發(fā)速度。 的式樣規(guī)格參數(shù)后，如何準確、快速地預測這些參數(shù)本文將介紹發(fā)動機研發(fā)過程中CAE工作的重 條件下完成品的性能及功能是非常重要的。反過來點，以及實際開發(fā)中優(yōu)化技術(shù)的應用實例。 說，在試制樣機(實機)之后，利用樣機進行試驗的發(fā)手段無論在研發(fā)周期方面，還是精度方面，其效率1 應用CAE的發(fā)動機研發(fā)過程都更高。換言之，越是進入整個開發(fā)過程的后期，不僅限于車用發(fā)動機的開發(fā)，將應用CAE及實 CAE模型(虛擬)對開發(fā)的貢獻度就越低。機試驗的開發(fā)過程概念化，并按時間節(jié)點示于圖1。 綜上所述，從“適用新技術(shù)，快速開發(fā)多樣化的必須注意的是，如果在最初的概念設(shè)計階段確定零產(chǎn)品”這一設(shè)計要求來考慮，CAE模型最重要的作部件及系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)時就判斷失誤，那么在之后的用應該是在開發(fā)過程最初的概念設(shè)計階段，廣泛應詳細設(shè)計及設(shè)計變更階段，無論怎樣嘗試彌補，一般用新技術(shù)進行參數(shù)研究，并從中合理地選擇最佳的都很難挽回最初的失誤，并且會極大地浪費開發(fā)時產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)值。萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)2014年第3期 國外內(nèi)燃機 2014年第3期 國外內(nèi)燃機 17通常，在介紹利用CAE模型進行優(yōu)化設(shè)計的實量之間存在互為矛盾的關(guān)系，并且就汽車的活塞及例時，一般會關(guān)注各種形狀的微調(diào)方法，并且重點說曲軸而言，決定其設(shè)計負荷的運行條件不止1個，明這一點，本文就是以這樣的視角，介紹發(fā)動機主運如，為了提高節(jié)氣門全開時的抗壓安全性，活塞的質(zhì)動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計實例。在這里需要說明的是，本量就必須更大，但較重的活塞在節(jié)氣門全關(guān)時承文所闡述的內(nèi)容并不是要否定計算時間相對較長，慣性負荷的安全性會變差。另外，零部件中存在多精度更高且更為詳細的CAE模型的重要性，而是要處弱勢部位，這些弱勢部位之間在形狀變化上又強調(diào)，這樣的模型從產(chǎn)品設(shè)計階段開始就應該被用在較為復雜的對立關(guān)系，因此很難找到最佳的解于現(xiàn)象闡釋，以及新技術(shù)的創(chuàng)造領(lǐng)域。 方案。舉例來說，就對活塞強度產(chǎn)生較大影響的62構(gòu)思的起點 尺寸參數(shù)而言，在減輕活塞質(zhì)量時，3處弱勢部位“將功能零件設(shè)計成最佳的形狀和規(guī)格”是每個應力變化如圖2所示。圖中，灰色箭頭線表示應設(shè)計人員共同的想法。站在設(shè)計人員的立場來看，增加，黑色箭頭線表示應力降低；另外，箭頭線的粗最希望采用的方法莫過于是能設(shè)計上千個方案，再細表示應力變化程度，箭頭線越粗，就表示應力變分別將其制作成樣機，并對每臺樣機進行評價試驗，越大，箭頭線越細，表示應力變化越小。一般來說，最后從評價結(jié)果中篩選出最佳的設(shè)計方案。更有甚為減輕質(zhì)量而改變零件尺寸會使各部位的應力呈上者，如允許反復循環(huán)上述步驟，某種程度上擁有一定升趨勢，但在縮小壓縮高度以減輕質(zhì)量后，銷孔上方技能的設(shè)計人員將能零失誤地獲得幾近完美的設(shè)計的應力反而會減弱。這種關(guān)系也體現(xiàn)在其他方面，方案。但在實際開發(fā)中，無論從時間，還是從試驗設(shè)并且即使應力增大，其影響力也并非呈線性變化備等方面來看，這都是不可能的。 勢。以此為例，說明通過多目的的優(yōu)化方法謀求構(gòu)建基于CAE模型(虛擬)的設(shè)計系統(tǒng)，以代替塞的形狀優(yōu)化并不是容易的事。試制樣機(實機)，可解決上述問題，并且在多個功能設(shè)計領(lǐng)域中實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。下文將以發(fā)動機往復系 3個危險部位的應力變化統(tǒng)零部件的設(shè)計為例，進行相關(guān)內(nèi)容的介紹。 頁部l}|央 ②加強筋R ③銷孔I：方．—．惡化3發(fā)動機往復系統(tǒng)零部件的功能和設(shè)計要素對于眾多汽車制造商來說，發(fā)動機的往復系統(tǒng)零部件屬于所謂“功能開發(fā)零件”，可以委托國內(nèi)外的大型供應商開發(fā)并生產(chǎn)。但本田公司的產(chǎn)品以自主研發(fā)為主，力求能開發(fā)出適用于多種機型的高效率零部件。往復系統(tǒng)零部件的功能是將燃燒產(chǎn)生的圖2活塞輕量化與主要危險部位應力變化的關(guān)系氣體壓力轉(zhuǎn)換成曲軸的旋轉(zhuǎn)做功，其設(shè)計要素如下： 多目的優(yōu)化有2種求解方法，即連續(xù)近似優(yōu)(1)無損壞，即安全性高；(2)質(zhì)量輕；(3)摩擦??；(4) 法和全局優(yōu)化法。前者在某種程度上要反復計算，低振動、低噪聲等。 從目標函數(shù)的反應中掌握其性質(zhì)，逐漸提高反應曲其中，在評估指標明確并易于模擬的前提下，對 面的精度，從而逐步獲得最佳解；后者是為了與局提高商品價值及降低成本有較大作用的是前兩項要 部最佳解分散于各處的多模態(tài)函數(shù)相平衡，在相素，因此，本田公司將其作為主要的目標函數(shù)，構(gòu)建較大的范圍中尋找最佳值?；谏鲜隼碚?，如要了能夠提供最輕量規(guī)格參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)。當變所設(shè)計零件的形狀，就必須遵循高級運算法則，然，考慮到商品開發(fā)的目的，也不允許為了輕量化而運行能使三維模型變形的程序，但由于形狀參數(shù)犧牲其商品價值，所以上述要素(3)和要素(4)的性數(shù)量極大，所以從建模所需時間來考慮是不現(xiàn)能不低于現(xiàn)有機型亦是此次設(shè)計的必要條件。 煦、。4往復系統(tǒng)零部件優(yōu)化設(shè)計中的課題 因此，從確定活塞基本結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計階段始，將需要評估的規(guī)格參數(shù)制成CAE模型，并選擇在往復系統(tǒng)零部件的優(yōu)化設(shè)計中，“多目的的優(yōu) 計算方法，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計。可將優(yōu)化過程中的課化”是必不可少的。一般來說，提高可靠性和減輕質(zhì) 歸納為以下4點：(1)形狀變形自由度高，可構(gòu)建用一18 國外內(nèi)燃機 一18 國外內(nèi)燃機 2014年第3期于多參數(shù)研究的CAE模型；(2)設(shè)定閾值，在參數(shù)研關(guān)系的公式。將這種包含了公式的尺寸矩陣稱為究范圍內(nèi)具有充分的計算精度，可對規(guī)格參數(shù)進行“尺寸系統(tǒng)圖”。正確的評估；(3)可快速對多個參數(shù)進行計算；(4)基 圖4為活塞的尺寸系統(tǒng)圖。用于表征活塞形于計算結(jié)果，選擇合理的設(shè)計參數(shù)。 的尺寸大概有200個以上，這些尺寸參數(shù)可以分對此，如在計算設(shè)備、軟件權(quán)限及人力資源等方 兩大類：可以任意變化的尺寸，即獨立尺寸；受其他面有巨大投入，可以解決上述某些課題。但從成本尺寸變化影響而被動變化的尺寸，即從屬尺寸。效益的觀點來看是不現(xiàn)實的，因此，嘗試在最大限度外，設(shè)計人員只要指定參數(shù)的范圍及基準數(shù)，就可利用現(xiàn)有資源的前提下解決上述課題。 在極短時間內(nèi)由軟件自動生成數(shù)千個尺寸系統(tǒng)圖4．1制作用于多參數(shù)研究的CAE模型 組合，這使多參數(shù)研究變得更為簡單類似CatiaVS那樣用于日常設(shè)計業(yè)務的、基于參數(shù)化特征的計算機輔助設(shè)計(CAD)尺寸參數(shù)值，就能夠改變?nèi)S模型的形狀。而且，Catia軟件中編人了從Excel文件讀入數(shù)據(jù)的功能，只需事先在Excel表中作好矩陣圖，輸入想要改寫的尺寸參數(shù)，catia軟件就會讀取這些數(shù)據(jù)，制作并導出變形后的模型。若是省略了詳細形狀的曲軸或活塞簡易模型，可在20～30s內(nèi)完成CAE模型的制作。這樣，可以通過改寫尺寸參數(shù)值來改變形狀的三維模型被稱為“參數(shù)化模型”。但是，為了能夠有效地進行參數(shù)研究，也為了避免出現(xiàn)模型形狀不成立的問題，必須從模型制作階段就具備高超的建模 在參數(shù)化模型制作中，為了確保覆蓋大范圍尺技巧。 寸參數(shù)的變形自由度，由于很難表現(xiàn)與制作產(chǎn)品的作為參數(shù)研究的方法之一，引進了所謂“尺寸系 CAD模型相同的詳細形狀，所以必須簡化形狀，但統(tǒng)圖”的概念。下文以改變活塞銷直徑和長度為例 必須注意的是，在選定規(guī)格參數(shù)時，必須確保充分的加以說明。如要縮小銷的孔徑，設(shè)計人員為了加長計算精度。大排量發(fā)動機和小排量發(fā)動機均采用同連桿的長度，需將銷孔的中心坐標向上移動，但這樣樣的參數(shù)化模型，只須改寫尺寸值，就能生成相應的做的話，如果閥槽形狀是以銷孔中心為基準被限定產(chǎn)品制造CAD模型(圖5)。這只是初期的參數(shù)化模的，那么，一旦銷孔中心移動，整個形狀也會發(fā)生變型，其差異非常小，然后再通過進一步的改良，就能動，這就無法實現(xiàn)設(shè)計人員想要完成的參數(shù)變化。更接近實際產(chǎn)品的形狀。另外，為了維持活塞銷凸臺部位的壁厚，必須縮小凸臺外徑。一般說來，當外徑減小，而又要維持活塞銷 Ⅻ譽，燃翼，—，●▲1—一的情況下，設(shè)計人員就需要減少銷端面兩側(cè)的壁厚 95辯聞≮羅贏窄豳的壁厚，其內(nèi)徑也要相應縮小。接著，在縮短銷長度(圖3)。 豁l罷費，●1—嫦小銷直徑和長度匏實例l蕈籍‰64 群蓼圈≮爹鲞斌一雩霧兩崮j參數(shù)比模坐與滔基J’‘品制造三維模型H0J眵狀比較4．2計算精度和評估規(guī)格的閾值應用CAE并對其進行試驗，所以如果模型的計算精度不高，那就只能是紙上談兵，因此確保計算精度是最重要的。如上所述，零件尺寸參數(shù)大多存在密切的關(guān)聯(lián)，在實際構(gòu)建優(yōu)化系統(tǒng)的過程中，80％為了有效地進行參數(shù)研究，在控制參數(shù)化模型變形的Excel表中。必須要包含表征上述參數(shù)之間幾何以往量產(chǎn)機型及開發(fā)機型的實測數(shù)據(jù)和實例，并用萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)2014年第3期 國外內(nèi)燃機 2014年第3期 國外內(nèi)燃機 19一CAE模型對收集到的各種數(shù)據(jù)進行計算，從而確認 解析等其他軟件的情況下，必須在優(yōu)化工作的初期，其精度，并改善模型。 選定最佳的規(guī)格參數(shù)，以反映出相對基礎(chǔ)模型僅1在不同模型及不同運行條件下，以提高精度為 組計算結(jié)果的評估閾值，并通過再次確認分析，確保目的的方法都不盡相同，因此這里就不再列舉具體這一規(guī)格參數(shù)值的合理性。的實例。但作為模擬結(jié)果，會出現(xiàn)計算結(jié)果與實測4．4計算結(jié)果可視化和設(shè)計參數(shù)的選擇結(jié)果一致或不一致的情況，不管是哪種情況，都必須 以活塞的優(yōu)化設(shè)計為例，相對參數(shù)研究范圍內(nèi)弄清問題的原因，如導致結(jié)果不一致的原因，以及每數(shù)百至數(shù)千個計算模型，將其各自15處應力和2種情況各自的特征等，只有這樣，才能正確理解實際變形量(剛性)輸出到最高燃燒室壓力和最大慣性力現(xiàn)象，并將獲得的知識反饋為模型邊界條件，生成網(wǎng)這兩個條件中。在包括活塞質(zhì)量在內(nèi)的30多個計格。從而提高模擬精度。當然，雖然目前還無法將所算結(jié)果中，包含了多種互為矛盾的關(guān)系，僅靠人力很有的模型精度都提高至期望值，但因為正確了解了難找出最佳參數(shù)，并且其效率也極低，因此引進優(yōu)化模型精度的相關(guān)情況，從而能設(shè)定評估最佳設(shè)計所軟件modeFRONTIER。使用優(yōu)化軟件的插補功能，必需的閾值。另外，通過弄清每個零件應予以重視比如按活塞直徑17mm、20mm和23mm這樣相當?shù)奈ｋU部位，為實際開發(fā)優(yōu)化系統(tǒng)積累了大量經(jīng)驗。粗略的3個基準，計算參數(shù)研究結(jié)果，就可以從中非4．3快速的多參數(shù)計算 常準確地推斷出最佳值。舉例而言，如模型有5個尺寸參數(shù)，分別為其設(shè) 這一優(yōu)化系統(tǒng)首次被運用于2012年秋季上市定上限值、中間值和下限值3個基準，運用有限元應 的Accord插電式混合動力車(配裝排量為2．oL的力分析法(FEA)對所有參數(shù)進行計算，需計算的參 阿特金森循環(huán)發(fā)動機)的活塞與活塞銷設(shè)計。在初數(shù)就有243(3j)組，假設(shè)每組的計算時間為1h，那么 期確定規(guī)格參數(shù)時，曾在錯誤試行幾種參數(shù)后實施用1臺工程工作站至少需要10天才能完成計算，這 優(yōu)化計算，其最終結(jié)果示于圖7。圖7表示的是往復在追求速度的實際開發(fā)過程中是不被接受的。 系統(tǒng)設(shè)計中影響最大的5個尺寸參數(shù)的研究結(jié)果，5因此，研究人員構(gòu)建了并行計算處理(網(wǎng)格計 個分圖的橫軸均表示各尺寸參數(shù)，豎軸均表示活塞算)系統(tǒng)，系統(tǒng)使用運行本田公司標準CAD程序和活塞銷的合計質(zhì)量。針對需要評估的十幾處應力CatiaV5的工作站，以及編入Catia程序的FEA軟值和變形量預先設(shè)定閾值，圖7中的點群代表能滿件。該系統(tǒng)從尺寸系統(tǒng)圖中讀取形狀參數(shù)，是一種足閾值要求的CAE模型，而超出閾值范圍的模型則可將優(yōu)化設(shè)計所需的一系列功能實現(xiàn)無縫處理的工沒有標示在圖中。另外，接近于直線狀的點群是實作流程系統(tǒng)，其一系列功能包括啟動Catia程序后自際制成三維模型并進行過計算的值；背景大片的點動制作多個CAE模型，為網(wǎng)格系統(tǒng)中的工作站增加群則是利用優(yōu)化軟件插補推定的值。最終選定的規(guī)計算任務，從各工作站的計算結(jié)果中獲取必要的應格參數(shù)用“★”符號表示。觀察右下角分圖中活塞銷力和變形量進行統(tǒng)計等。使用這一系統(tǒng)。不僅縮短直徑的邊沿虛線可知，對輕量化最有影響的是活塞了參數(shù)研究的計算時間，而且大幅簡化了預處理和銷直徑，因此選用輕量化效果最為飽和的18mm作后續(xù)處理工作，實現(xiàn)了自動化(圖6)。 為活塞銷的直徑。應用上述研究結(jié)果，與基礎(chǔ)車型的發(fā)動機相比，活塞及活塞銷的合計質(zhì)量從最初的試制階段起就能實現(xiàn)每缸減輕87g的目標，而且在可靠性、噪聲及摩擦方面沒有出現(xiàn)任何性能惡化，因此初期的設(shè)計方案幾乎未經(jīng)修改就可進入商品化階段。5 結(jié)語的設(shè)計為起點，在包括賽車用發(fā)動機的后續(xù)機型開圖6 使大量數(shù)據(jù)的自動化處理成為可能的功能系統(tǒng)群 發(fā)中，被延伸至曲軸及連桿的設(shè)計，甚至被運用于包括機體在內(nèi)的發(fā)動機基本結(jié)構(gòu)設(shè)計。目前為止所在上述系統(tǒng)中，由于能夠進行多參數(shù)計算的軟 計的規(guī)格參數(shù)值均達到同級別最輕量的水平，并件只有標準配備Catia程序的FEA，所以在需要熱 未出現(xiàn)設(shè)計上的瑕疵，證明了該系統(tǒng)的有效性，今后萬方數(shù)據(jù)萬方數(shù)據(jù)國外內(nèi)燃機 2014年第3期國外內(nèi)燃機 2014年第3期圖7 活塞與活塞銷的參數(shù)優(yōu)化實例計劃將進一步擴大其適用領(lǐng)域。屆時還將引入試驗設(shè)計方法，嘗試利用更多的參數(shù)進行優(yōu)化。再者，作 田芳萍譯自 自勤卓技衍，2013，67(6)為開發(fā)過程而言，本文所介紹的設(shè)計手法不僅限于 朱曉蓉校發(fā)動機設(shè)計，基本說來可以應用于所有機械零件的 朱曉蓉編輯設(shè)計，故有望適用于更多的技術(shù)領(lǐng)域。 (收稿日期：2014一02—11)儼‰島劫劫匈向劫≮‰向％島島向南場劫劫≮島≮≮向≮島物≮島≮≮勻‰島≮島島匈島≮≮‰勘島劫≮島匈嘞≮隸 穗 歡迎訂閱《2013年中國內(nèi)燃機工業(yè)年鑒》 筏蔫 洚《中國內(nèi)燃機工業(yè)年鑒》是中國內(nèi)燃機協(xié)會主管刊物，自1993年創(chuàng)刊至今已有21年。作為我國內(nèi)燃機工業(yè)及其相關(guān)拶行業(yè)發(fā)展脈絡(luò)的記錄者，《中國內(nèi)燃機工業(yè)年鑒》以翔實的內(nèi)容、豐富的數(shù)據(jù)，以及資料的高度可靠性得到了全行業(yè)廣大讀’者的歡迎和支持，是行業(yè)中不可多得的工具書和資料庫，可滿足不同層次讀者的需求。 蘇蔣《2013年中國內(nèi)燃機工業(yè)年鑒》主要