发动机研发中计算机辅助工程及优化技术的运用

万方数据万方数据国外内燃机 2014年第3期国外内燃机 2014年第3期发动机研发中计算机辅助工程及优化技术的运用【日】後藤哲男速藤一摘要：计算机辅助工程(CAE)找和选取最佳的参数值。利用优化软件中快速而精准的CAE模型及其计算结果进行可视化操作，以达到优化设计的目的。关键词：计算机辅助工程计算机辅助设计模拟模型设计优化有限元应力分析网格计算0 前言 间和成本。另外，在开发过程中，各阶段所使用的CAE模型因其参数范围及种类的不同也各有差异近年来，在面临全球变暖、大气污染等问题的形同时，根据开发进度，必须分别使用具有不同详细度势下，以及在以新兴国家为中心汽车市场急剧增长的模型。的背景下，汽车研发人员面临诸多有待解决的课题。当前，研究人员不仅单纯追求将新的环保技术更快、更切实地应用到产品中，还必须在因汽车用户 概念设训一口 量『快速全球化导致用户需求多样化的趋势下，同时追 ■i 塑兰鼍豪睡一百量|萋|■一；|雷一一求产品技术规格和产地、销售地多样化，以及降低成cAE的确定概念设汁详细分莨效分析 乍辆数燃料特性所作的改进，为适应全球化市场所导致的力。目前为止，车用发动机的研发步骤主要是“设计 目的 识别模型测试结果对策据验证一试制样机一试验一数据分析一设计改善一试制样 校准馍型机一试验”的循环过程。在试制样机的基础上，运用餐：笋mi《3锹毛』黎热u({}特殊)(控制模模型面模型三维模型 。。一维模型所谓“戴明循环”的品质管理循环进行开发，但这一 (+i维模型)方法已很难满足当今的全球形势和课题要求。因 图1开发过程中CAE的定位此，一直以来主要用于控制系统研发领域的“基于模型的开发思路”被用于发动机硬件(结构设计、机构 从对确定产品技术规格的贡献度来看，CAE设计)开发领域，使用计算机辅助工程(CAE)模型， 型在首次试制样机前的概念设计阶段，在确定基本加快研发速度。 的式样规格参数后，如何准确、快速地预测这些参数本文将介绍发动机研发过程中CAE工作的重 条件下完成品的性能及功能是非常重要的。反过来点，以及实际开发中优化技术的应用实例。 说，在试制样机(实机)之后，利用样机进行试验的发手段无论在研发周期方面，还是精度方面，其效率1 应用CAE的发动机研发过程都更高。换言之，越是进入整个开发过程的后期，不仅限于车用发动机的开发，将应用CAE及实 CAE模型(虚拟)对开发的贡献度就越低。机试验的开发过程概念化，并按时间节点示于图1。 综上所述，从“适用新技术，快速开发多样化的必须注意的是，如果在最初的概念设计阶段确定零产品”这一设计要求来考虑，CAE模型最重要的作部件及系统基本结构时就判断失误，那么在之后的用应该是在开发过程最初的概念设计阶段，广泛应详细设计及设计变更阶段，无论怎样尝试弥补，一般用新技术进行参数研究，并从中合理地选择最佳的都很难挽回最初的失误，并且会极大地浪费开发时产品规格参数值。万方数据万方数据2014年第3期 国外内燃机 2014年第3期 国外内燃机 17通常，在介绍利用CAE模型进行优化设计的实量之间存在互为矛盾的关系，并且就汽车的活塞及例时，一般会关注各种形状的微调方法，并且重点说曲轴而言，决定其设计负荷的运行条件不止1个，明这一点，本文就是以这样的视角，介绍发动机主运如，为了提高节气门全开时的抗压安全性，活塞的质动系统的优化设计实例。在这里需要说明的是，本量就必须更大，但较重的活塞在节气门全关时承文所阐述的内容并不是要否定计算时间相对较长，惯性负荷的安全性会变差。另外，零部件中存在多精度更高且更为详细的CAE模型的重要性，而是要处弱势部位，这些弱势部位之间在形状变化上又强调，这样的模型从产品设计阶段开始就应该被用在较为复杂的对立关系，因此很难找到最佳的解于现象阐释，以及新技术的创造领域。 方案。举例来说，就对活塞强度产生较大影响的62构思的起点 尺寸参数而言，在减轻活塞质量时，3处弱势部位“将功能零件设计成最佳的形状和规格”是每个应力变化如图2所示。图中，灰色箭头线表示应设计人员共同的想法。站在设计人员的立场来看，增加，黑色箭头线表示应力降低；另外，箭头线的粗最希望采用的方法莫过于是能设计上千个方案，再细表示应力变化程度，箭头线越粗，就表示应力变分别将其制作成样机，并对每台样机进行评价试验，越大，箭头线越细，表示应力变化越小。一般来说，最后从评价结果中筛选出最佳的设计方案。更有甚为减轻质量而改变零件尺寸会使各部位的应力呈上者，如允许反复循环上述步骤，某种程度上拥有一定升趋势，但在缩小压缩高度以减轻质量后，销孔上方技能的设计人员将能零失误地获得几近完美的设计的应力反而会减弱。这种关系也体现在其他方面，方案。但在实际开发中，无论从时间，还是从试验设并且即使应力增大，其影响力也并非呈线性变化备等方面来看，这都是不可能的。 势。以此为例，说明通过多目的的优化方法谋求构建基于CAE模型(虚拟)的设计系统，以代替塞的形状优化并不是容易的事。试制样机(实机)，可解决上述问题，并且在多个功能设计领域中实现优化设计。下文将以发动机往复系 3个危险部位的应力变化统零部件的设计为例，进行相关内容的介绍。 页部l}|央 ②加强筋R ③销孔I：方．—．恶化3发动机往复系统零部件的功能和设计要素对于众多汽车制造商来说，发动机的往复系统零部件属于所谓“功能开发零件”，可以委托国内外的大型供应商开发并生产。但本田公司的产品以自主研发为主，力求能开发出适用于多种机型的高效率零部件。往复系统零部件的功能是将燃烧产生的图2活塞轻量化与主要危险部位应力变化的关系气体压力转换成曲轴的旋转做功，其设计要素如下： 多目的优化有2种求解方法，即连续近似优(1)无损坏，即安全性高；(2)质量轻；(3)摩擦小；(4) 法和全局优化法。前者在某种程度上要反复计算，低振动、低噪声等。 从目标函数的反应中掌握其性质，逐渐提高反应曲其中，在评估指标明确并易于模拟的前提下，对 面的精度，从而逐步获得最佳解；后者是为了与局提高商品价值及降低成本有较大作用的是前两项要 部最佳解分散于各处的多模态函数相平衡，在相素，因此，本田公司将其作为主要的目标函数，构建较大的范围中寻找最佳值。基于上述理论，如要了能够提供最轻量规格参数的优化设计系统。当变所设计零件的形状，就必须遵循高级运算法则，然，考虑到商品开发的目的，也不允许为了轻量化而运行能使三维模型变形的程序，但由于形状参数牺牲其商品价值，所以上述要素(3)和要素(4)的性数量极大，所以从建模所需时间来考虑是不现能不低于现有机型亦是此次设计的必要条件。 煦、。4往复系统零部件优化设计中的课题 因此，从确定活塞基本结构的概念设计阶段始，将需要评估的规格参数制成CAE模型，并选择在往复系统零部件的优化设计中，“多目的的优 计算方法，实现优化设计。可将优化过程中的课化”是必不可少的。一般来说，提高可靠性和减轻质 归纳为以下4点：(1)形状变形自由度高，可构建用一18 国外内燃机 一18 国外内燃机 2014年第3期于多参数研究的CAE模型；(2)设定阈值，在参数研关系的公式。将这种包含了公式的尺寸矩阵称为究范围内具有充分的计算精度，可对规格参数进行“尺寸系统图”。正确的评估；(3)可快速对多个参数进行计算；(4)基 图4为活塞的尺寸系统图。用于表征活塞形于计算结果，选择合理的设计参数。 的尺寸大概有200个以上，这些尺寸参数可以分对此，如在计算设备、软件权限及人力资源等方 两大类：可以任意变化的尺寸，即独立尺寸；受其他面有巨大投入，可以解决上述某些课题。但从成本尺寸变化影响而被动变化的尺寸，即从属尺寸。效益的观点来看是不现实的，因此，尝试在最大限度外，设计人员只要指定参数的范围及基准数，就可利用现有资源的前提下解决上述课题。 在极短时间内由软件自动生成数千个尺寸系统图4．1制作用于多参数研究的CAE模型 组合，这使多参数研究变得更为简单类似CatiaVS那样用于日常设计业务的、基于参数化特征的计算机辅助设计(CAD)尺寸参数值，就能够改变三维模型的形状。而且，Catia软件中编人了从Excel文件读入数据的功能，只需事先在Excel表中作好矩阵图，输入想要改写的尺寸参数，catia软件就会读取这些数据，制作并导出变形后的模型。若是省略了详细形状的曲轴或活塞简易模型，可在20～30s内完成CAE模型的制作。这样，可以通过改写尺寸参数值来改变形状的三维模型被称为“参数化模型”。但是，为了能够有效地进行参数研究，也为了避免出现模型形状不成立的问题，必须从模型制作阶段就具备高超的建模 在参数化模型制作中，为了确保覆盖大范围尺技巧。 寸参数的变形自由度，由于很难表现与制作产品的作为参数研究的方法之一，引进了所谓“尺寸系 CAD模型相同的详细形状，所以必须简化形状，但统图”的概念。下文以改变活塞销直径和长度为例 必须注意的是，在选定规格参数时，必须确保充分的加以说明。如要缩小销的孔径，设计人员为了加长计算精度。大排量发动机和小排量发动机均采用同连杆的长度，需将销孔的中心坐标向上移动，但这样样的参数化模型，只须改写尺寸值，就能生成相应的做的话，如果阀槽形状是以销孔中心为基准被限定产品制造CAD模型(图5)。这只是初期的参数化模的，那么，一旦销孔中心移动，整个形状也会发生变型，其差异非常小，然后再通过进一步的改良，就能动，这就无法实现设计人员想要完成的参数变化。更接近实际产品的形状。另外，为了维持活塞销凸台部位的壁厚，必须缩小凸台外径。一般说来，当外径减小，而又要维持活塞销 Ⅻ誉，燃翼，—，●▲1—一的情况下，设计人员就需要减少销端面两侧的壁厚 95辩闻≮罗赢窄豳的壁厚，其内径也要相应缩小。接着，在缩短销长度(图3)。 豁l罢费，●1—嫦小销直径和长度匏实例l蕈籍‰64 群蓼圈≮爹鲞斌一雩雾两崮j参数比模坐与滔基J’‘品制造三维模型H0J眵状比较4．2计算精度和评估规格的阈值应用CAE并对其进行试验，所以如果模型的计算精度不高，那就只能是纸上谈兵，因此确保计算精度是最重要的。如上所述，零件尺寸参数大多存在密切的关联，在实际构建优化系统的过程中，80％为了有效地进行参数研究，在控制参数化模型变形的Excel表中。必须要包含表征上述参数之间几何以往量产机型及开发机型的实测数据和实例，并用万方数据万方数据2014年第3期 国外内燃机 2014年第3期 国外内燃机 19一CAE模型对收集到的各种数据进行计算，从而确认 解析等其他软件的情况下，必须在优化工作的初期，其精度，并改善模型。 选定最佳的规格参数，以反映出相对基础模型仅1在不同模型及不同运行条件下，以提高精度为 组计算结果的评估阈值，并通过再次确认分析，确保目的的方法都不尽相同，因此这里就不再列举具体这一规格参数值的合理性。的实例。但作为模拟结果，会出现计算结果与实测4．4计算结果可视化和设计参数的选择结果一致或不一致的情况，不管是哪种情况，都必须 以活塞的优化设计为例，相对参数研究范围内弄清问题的原因，如导致结果不一致的原因，以及每数百至数千个计算模型，将其各自15处应力和2种情况各自的特征等，只有这样，才能正确理解实际变形量(刚性)输出到最高燃烧室压力和最大惯性力现象，并将获得的知识反馈为模型边界条件，生成网这两个条件中。在包括活塞质量在内的30多个计格。从而提高模拟精度。当然，虽然目前还无法将所算结果中，包含了多种互为矛盾的关系，仅靠人力很有的模型精度都提高至期望值，但因为正确了解了难找出最佳参数，并且其效率也极低，因此引进优化模型精度的相关情况，从而能设定评估最佳设计所软件modeFRONTIER。使用优化软件的插补功能，必需的阈值。另外，通过弄清每个零件应予以重视比如按活塞直径17mm、20mm和23mm这样相当的危险部位，为实际开发优化系统积累了大量经验。粗略的3个基准，计算参数研究结果，就可以从中非4．3快速的多参数计算 常准确地推断出最佳值。举例而言，如模型有5个尺寸参数，分别为其设 这一优化系统首次被运用于2012年秋季上市定上限值、中间值和下限值3个基准，运用有限元应 的Accord插电式混合动力车(配装排量为2．oL的力分析法(FEA)对所有参数进行计算，需计算的参 阿特金森循环发动机)的活塞与活塞销设计。在初数就有243(3j)组，假设每组的计算时间为1h，那么 期确定规格参数时，曾在错误试行几种参数后实施用1台工程工作站至少需要10天才能完成计算，这 优化计算，其最终结果示于图7。图7表示的是往复在追求速度的实际开发过程中是不被接受的。 系统设计中影响最大的5个尺寸参数的研究结果，5因此，研究人员构建了并行计算处理(网格计 个分图的横轴均表示各尺寸参数，竖轴均表示活塞算)系统，系统使用运行本田公司标准CAD程序和活塞销的合计质量。针对需要评估的十几处应力CatiaV5的工作站，以及编入Catia程序的FEA软值和变形量预先设定阈值，图7中的点群代表能满件。该系统从尺寸系统图中读取形状参数，是一种足阈值要求的CAE模型，而超出阈值范围的模型则可将优化设计所需的一系列功能实现无缝处理的工没有标示在图中。另外，接近于直线状的点群是实作流程系统，其一系列功能包括启动Catia程序后自际制成三维模型并进行过计算的值；背景大片的点动制作多个CAE模型，为网格系统中的工作站增加群则是利用优化软件插补推定的值。最终选定的规计算任务，从各工作站的计算结果中获取必要的应格参数用“★”符号表示。观察右下角分图中活塞销力和变形量进行统计等。使用这一系统。不仅缩短直径的边沿虚线可知，对轻量化最有影响的是活塞了参数研究的计算时间，而且大幅简化了预处理和销直径，因此选用轻量化效果最为饱和的18mm作后续处理工作，实现了自动化(图6)。 为活塞销的直径。应用上述研究结果，与基础车型的发动机相比，活塞及活塞销的合计质量从最初的试制阶段起就能实现每缸减轻87g的目标，而且在可靠性、噪声及摩擦方面没有出现任何性能恶化，因此初期的设计方案几乎未经修改就可进入商品化阶段。5 结语的设计为起点，在包括赛车用发动机的后续机型开图6 使大量数据的自动化处理成为可能的功能系统群 发中，被延伸至曲轴及连杆的设计，甚至被运用于包括机体在内的发动机基本结构设计。目前为止所在上述系统中，由于能够进行多参数计算的软 计的规格参数值均达到同级别最轻量的水平，并件只有标准配备Catia程序的FEA，所以在需要热 未出现设计上的瑕疵，证明了该系统的有效性，今后万方数据万方数据国外内燃机 2014年第3期国外内燃机 2014年第3期图7 活塞与活塞销的参数优化实例计划将进一步扩大其适用领域。届时还将引入试验设计方法，尝试利用更多的参数进行优化。再者，作 田芳萍译自 自勤卓技衍，2013，67(6)为开发过程而言，本文所介绍的设计手法不仅限于 朱晓蓉校发动机设计，基本说来可以应用于所有机械零件的 朱晓蓉编辑设计，故有望适用于更多的技术领域。 (收稿日期：2014一02—11)俨‰岛劫劫匈向劫≮‰向％岛岛向南场劫劫≮岛≮≮向≮岛物≮岛≮≮匀‰岛≮岛岛匈岛≮≮‰勘岛劫≮岛匈嘞≮隶 穗 欢迎订阅《2013年中国内燃机工业年鉴》 筏蔫 洚《中国内燃机工业年鉴》是中国内燃机协会主管刊物，自1993年创刊至今已有21年。作为我国内燃机工业及其相关拶行业发展脉络的记录者，《中国内燃机工业年鉴》以翔实的内容、丰富的数据，以及资料的高度可靠性得到了全行业广大读’者的欢迎和支持，是行业中不可多得的工具书和资料库，可满足不同层次读者的需求。 苏蒋《2013年中国内燃机工业年鉴》主要