基于數字樣機技術的柴油機設計優化

楊維峰

一、引言

隨著車用動力強化水平的提高和裝備對高可靠性動力產品的需求，高性能、高緊湊和高可靠之間的矛盾越來越突出。運用總體設計理論與方法（包括集成方法、仿真模擬方法和綜合比較方法等），將柴油機作為若干分系統有機結合的整體來設計，頂層規劃、系統覆蓋、綜合協調、折衷權衡和反復迭代，以求得總體最優方案。總體設計過程集中體現在解決先進技術應用與工程實現的矛盾，采用先進方法及其支撐技術，改進產品結構、增加對產品性能的了解，使得其產品獲得最短的開發周期、最低的成本和最高的性能。數字樣機的創建是一個自上而下全相關的總體設計。

柴油機使用以知識工程為依托、CAD/ CAE集成技術為基礎、多種學科技術為手段的基于數字樣機技術的現代產品設計方法，制定完善的現代流程和規范方法，進行柴油機曲軸、連桿、凸輪軸、機體和氣缸蓋等關鍵件的結構優化設計以及進排氣、冷卻和潤滑等系統的優化匹配，在建立物理樣機前通過對數字模型進行仿真、分析和產品優化，提前進行產品性能的預測和評估，減少物理樣機階段的研究工作，節省了研制時間和費用，提高了柴油機產品的質量和可靠性，完成了從依靠個人“經驗設計”到基于企業核心能力“預測設計”的轉變，使車用動力的研發逐步向“一次成功”方向發展。

二、數字樣機技術

數字樣機技術是以 CAX（以計算機為輔助手段的各種技術）/DFX（面向產品生命周期各環節的設計）技術為基礎，以機械系統運動學、動力學和控制理論為核心，融合三維圖形處理和造型技術、多領域仿真技術以及虛擬現實技術，將產品設計開發和分析過程集成在一起，使產品的設計者、制造者和使用者在產品的早期可以直觀形象地對數字化產品原型進行設計優化、性能測試、制造仿真和使用仿真，為產品的研發提供全新的數字化設計方法。

數字樣機技術的研究核心是利用計算機輔助分析技術進行機械系統的動力學和運動學分析，運動學著重于分析產品機構的可動性和運動軌跡，通過動力學分析獲得產品機構在運動過程中各運動副的動反力是強度分析的基礎。完整的柴油機數字樣機是最終產品的真實數字仿真，可進行工程分析、優化，確定最佳設計結構和參數值，獲得最佳綜合性能。

（1）運動分析。驗證曲軸連桿機構、傳動機構和配氣機構在空間運動過程中物理位置的準確性，分析各機構運動過程中的運動間隙，運動協調性等，對運動過程中幾何元素或運動質點的位移、速度和加速度等進行數值分析。

（2）性能參數匹配分析。結合試驗數據，利用數字化分析工具，開展柴油機工作過程中各性能參數的匹配分析，進行進排氣、冷卻、潤滑和供油等子系統的參數匹配。

（3）空間結構分析。實施干涉檢查、間隙檢查、關鍵截面分析和測量空間分析，使設計者能夠直觀地了解到樣機中存在的問題，如通過設定柴油機各零部件的熱物理參數，計算柴油機不同狀態下的間隙變化。

（4）裝配分析。按照物理樣機的裝配工藝、工裝，模擬其裝配過程，動態檢測零件及其裝配工裝在裝配和拆檢過程中是否干涉，并分析裝配間隙；分析柴油機整機的結構及其在裝配過程中的空間要求，驗證裝配順序、裝配路徑，為定義、預測和分析零件加工公差、技術要求提供數據支撐；確認部件、組裝過程中各零件的裝配順序和位置保證的優先級等，并提出關鍵要素和措施的保證手段和檢驗準則；模擬柴油機部件級整機安裝及拆卸過程，減少因設計考慮欠缺造成的改進或返工；按照物理樣機維護、測試要求，模擬其維修、測試過程。

（5）工藝性評估。評估數字樣機構建工藝性，包括樣機在臺架的協調、面向制造的設計（Design forManufacturing，DFM）、面向裝配的設計（Design forAssembly，DFA）和容差分析等。

（6）設計優化。考慮零部件制造方法、材料屬性，進行以下幾方面的設計優化：通過剛強度分析、流場分析、溫度場分析、疲勞壽命分析等對零部件、子系統的內部結構、重量和外形進行優化；通過運動學、動力學分析對運動機構運動行為進行分析，優化運動件的重量、形狀及負荷；在裝配分析的基礎上給出優化的裝配順序、裝配路徑，提高裝配效率和人機有效性，改善維修性和測試性。

（7）制造分析和數字化制造。按照相關規范建立柴油機零部件模型，使模型包含完整的、與實物零部件一致的制造過程信息，支持以下幾方面的制造分析和制造：零部件模型在數字化制造過程中的直接使用，如幾何形狀、形位公差檢查、模具制造和加工尺寸提取等；零部件制造 CAM仿真及制造過程優化、工藝 CAPP編制及優化。

三、CAD/CAE集成技術

CAD是人與計算機緊密配合的問題求解技術，各自發揮所長使其工作優于每一方，為應用多學科方法的綜合性協作提供了可能。廣義的 CAD是指 CAD/CAE/CAM的高度集成，包括二維繪圖設計、三維幾何造型設計、產品數字化裝配、有限元分析（FEA）及優化設計、動態模擬、數控加工編程（NCP）及產品數據管理（PDM）等內容。

現代復雜產品的設計是一個跨越多學科的高度迭代的過程，涉及到多專業信息的集成、多學科團隊的協同設計，涉及到多個不同子系統。子系統之間的互操作包括數據互操作和功能互操作，是指異構環境中兩個或兩個以上的子系統，盡管它們實現的功能、執行的環境和所基于的數據模型不同，各子系統之間有交互耦合作用，但可以進行相互通信和協作，共同組成完整的功能系統，完成某一特定的產品開發活動。數據互操作主要是傳統意義上的幾何數據交換，可以通過標準格式的轉換形式傳輸數據文件，比如 IGES和 STEP等標準化的結構幾何模型數據文件或者 CAD系統的專用文件格式（如 AutoCAD的 dxf或 dwg文件、Pro/ENGINEER的 prt等）；而功能互操作是指系統的某些功能可以被其它系統所共享和直接調用，能夠實現更加緊密的異構系統功能集成。基于應用系統間的、完全的且可以實現雙向數據傳遞的集成方式是集成技術未來的發展趨勢。

參數化的 CAD/CAE集成和參數化動態 CAE建模和分析技術，可以將參數化的造型技術引入到結構有限元分析或者優化設計中，CAE系統可以直接調用三維 CAD系統的參數化造型功能，分析的結果會對原有部件自動進行修改，從而實現反復迭代的設計優化過程。在設計階段早期快速地對不同方案和設計變動進行數字化仿真、分析與驗證，適應現代產品設計的動態特性，如系列化設計、模型修改與重分析的要求，為快速響應設計提供有力的技術工具。

目前，ANSYS、NASTRAN和 MARC等大多數有限元分析軟件已經實現了 CAD/CAE的集成。ANSYS可以進行結構靜力學分析和結構動力學分析，能與多數計算機輔助設計軟件接口，實現數據的共享和交換。多物理場耦合ANSYS Workbench的分析功能較為全面，通過 ANSYSFatigue Module模塊進行疲勞分析，ANSYS Design Explorer進行多目標快速優化。利用 ANSYS CFX流場計算分析軟件進行 CFD流場計算，獲得零件表面動態的壓力場、溫度場分布；在復雜空間流固耦合分析軟件（集成CFD流場和結構強度耦合計算）把各個場分布動態載荷施加到計算零件上，然后用 ANSYS結構分析軟件進行強度計算和可靠性分析，并可以通過 Workbench將結構受力變形結果直接施加到 ANSYS CFX中，以得到結構變形對流體結果的影響。在同一環境下同時實現結構、熱、流體分析及結構-熱-流體多物理場耦合分析，把流場計算、溫度場計算、結構強度分析以及三者結合的流固、溫度應力耦合分析等仿真分析技術應用于產品的研發過程中。

復雜產品的建模與仿真正朝著多領域統一建模與協同仿真的方向發展。數字樣機多學科建模仿真是將機械、控制等多個不同學科領域的模型相互耦合成為一個更大的模型，通過將不同學科但相互關聯的仿真分析軟件集成起來，規范多學科設計優化模型和算法的接口標準，各個不同領域仿真軟件之間以中間文件的形式或利用 SDK進行二次開發的方式，進行整體的仿真和分析。典型的數據格式，如用于控制機構一體化仿真以及其它仿真的動態鏈接庫文件（dll），該文件中包含采用變量表示的函數信息；用于剛彈耦合分析的模態中性文件（mnf）中包含采用 [M]、[K]、[X]和振型矩陣表示的彈性體信息。

四、優化設計技術

產品建模與仿真分析的最終目的是實現產品的優化設計，優化設計技術與數值仿真的結合是該領域的重要趨勢。優化設計（Optimal Design）是在滿足設計要求的眾多設計方案中選出最佳設計方案的設計方法。優化設計的基本思想是以數學中的最優化（Design Optimization）理論為基礎，把設計人員的判斷決策能力與計算機程序依據某種最優化算法自動尋找最優設計的功能相結合，根據已知的給定參數，在可行設計域進行搜索，求出滿足全部約束條件并使目標函數取最小值的設計變量的解，使產品的指標或性能達到最期望的目標。

柴油機設計是典型的復雜機電系統設計，設計過程涉及結構、流體、燃燒、熱和電控等多個學科領域，大多是多物理場、多學科耦合過程，計算分析內容較多，需要引入多學科設計優化的思想方法。多學科設計優化（MultidisciplinaryDesign Optimization，MDO）是一種通過充分探索和利用工程系統中相互作用的協同機制來設計復雜系統和子系統的方法論。其主要思想是在復雜工程系統的整個設計過程中，利用各個學科（子系統）之間的相互作用所產生的協同效應，從整個系統的角度優化設計復雜的產品系統，實現整體最優性能。美國國家航空航天局（National Aeronauticsand Space Administration，NASA）美籍波蘭裔科學家J·Sobieszczanski-Sobieski在大型結構優化問題求解中首次提出多學科設計優化這一設想。MDO有以下幾項研究和實施的內容。

（1）設計表達與分解。包括系統需求和功能方案的確定、問題的定義與設計問題的目標函數描述、參數化幾何模型的建模技術、子系統的劃分和組織優化技術等。復雜產品設計問題首先經過問題描述，建立問題的數學優化模型，再經過系統分解，將復雜系統分解為多個學科級子問題。

（2）分析能力與近似方法。包括設計的廣度和深度要求、逼真度的分析和試驗有效集成、近似與修正的方法、面向設計的分析和靈敏度的計算能力等。每一個學科的子優化模型，應用各自的分析工具（如仿真工具）對問題進行學科分析。學科分析所用分析模型是比較精確的，要反復進行。在整個的系統優化過程中，往往使用近似模型替代學科分析中較精確模型，采用有效的近似方法來處理多領域學科間的耦合關系。對于一些連續變量的特殊問題，可以使用靈敏度分析來協調求解系統優化。

（3）信息管理與處理。包括 MDO框架與體系結構、數據庫、計算需求、人機接口界面及集成環境等。大多采用多級優化框架來求解系統優化問題。不管是系統級還是學科級優化求解策略，使用各種優化算法在設計空間中搜索優化解，進行結果分析。

（4）MDO的管理與文化實施。柴油機多學科優化設計過程如圖 1所示。

五、柴油機產品研發數字化技術平臺

天舟COMAN是國內用于復雜產品開發的自動化平臺，可以為復雜產品生命周期中的關鍵設計環節（如總體方案設計、部件原理設計、詳細設計、基于數字樣機的分析仿真等）提供管理工具。2008年，研究人員以天舟COMAN為基礎，封裝集成數十種柴油機設計、仿真和計算工具軟件，嵌入上百種多學科專業設計 /仿真流程，容納數十種專業設計規范等設計知識，融合、繼承專業產品的設計方法和設計理念，構造出支持柴油機多學科設計 /仿真的專業集成設計環境和自主創新研發核心能力平臺。

在柴油機產品研發技術平臺中，數字化仿真技術的應用分為關鍵零件快速設計分析系統和復雜系統多場耦合分析系統。關鍵零件快速設計分析系統主要應用于柴油機概念設計階段，可以同時完成最多 10個設計方案的快速仿真，實現多方案擇優。計算完成后自動生成計算結果及分析報告，提交到仿真數據庫中。復雜系統多場耦合分析系統求解是把一個復雜的系統問題分解為多個子問題，使用不同的軟件對這些子問題進行分析和計算，而且封裝成可重用的組件通過網絡發布，使用系統客戶端從服務器中訪問這些組件，并通過圖形界面連接，建立起各個組件之間的數據關聯，使其裝配成一個能解決復雜系統問題的工作流，利用數據在各個組件間的自動傳遞，實現復雜問題的自動仿真過程。

CAE作為產品開發和優化的標準手段應該與工程經驗數據庫集成。仿真過程中產生的仿真模板、仿真參數、仿真模型和仿真結果等數據，應根據制定的模板和相應的技術要求進行管理。仿真模板指從成熟仿真流程和任務中提取出來的規范化仿真實施流程，是具體仿真任務的知識積累。針對特定的仿真模板，給出具體任務的幾何模型和邊界條件，可生成任務的仿真模型，并依據規范化的流程獲得仿真結果。通過模板管理實現流程管理和知識重用，可以方便快捷地擴充快速仿真和復雜仿真功能，而不需要對軟件進行源代碼開發。因此，仿真模板是為開展流程化快速仿真和復雜仿真開發的腳本，以文件形式存在；仿真參數是仿真模型中涉及的幾何模型信息、材料性能、載荷和約束信息等相關參數，以文本或數據的形式存在；仿真模型是進行仿真分析建立的物理模型、數學模型及軟件模型，以文本或文件的形式存在；仿真結果是仿真計算分析的結果文件、分析報告等，均以文件形式存在。

六、柴油機優化設計流程

優化設計一般包括總體方案優化和設計參數優化。總體方案優化（總體布局、結構或系統模型的優化）的主要任務是建立和處理知識模型，進行基于專家系統的復雜機械產品設計方案非數值知識的優化處理，通過人工智能、專家系統、模糊評判和決策等方法進行推理獲得合理的設計；設計參數優化（產品零件結構、工藝參數的優化等）的主要任務是建立正確的優化數學模型，設法求得最優值。柴油機的設計參數 CAD/CAE聯合優化過程如圖 2所示，通常需要經過以下步驟來完成，而且自動化程度越來越高。

1.準備階段

根據實際問題近似確立產品結構方案。應根據仿真任務目標，確定仿真問題類型、仿真模型簡化程度、仿真模型載荷和約束條件等。仿真模型是根據具體仿真任務建立的數字化模型，包括幾何模型、邊界條件、初始條件和計算設置等內容。幾何模型指與柴油機結構相關的 CAD模型，可以是一維、二維或三維模型，可以采用多種CAD建模工具創建。幾何模型為仿真模型指定具體的計算區域和邊界位置。

2.參數化建模

將機械設計實際問題抽象成為優化設計的數學模型，把將要參與優化的數據（設計變量）定義為模型參數，為以后軟件修正模型提供可能。應根據仿真任務要求，進行建立數學模型、確定計算域和邊界條件以及設置計算參數等工作。

（1）建立有限元模型。導入通過 CAD軟件造型功能建立的實體模型，也可以直接在有限元分析軟件中建模。初始的幾何模型需要遵守仿真對模型的技術要求，突出主要問題，忽略次要附屬件。對整個復雜的工程結構連續體問題區域進行分解，每個子區域都成為通過指定節點相互連接的簡單部分（有限元），習慣上稱單元剖分為有限元網格劃分。建立有限元模型時對單元類型選取和網格劃分應統一考慮，開展網格收斂性分析，網格的劃分密度要保障幾何體形狀不致太過失真，依據計算能力和水平進行網格劃分和求解規模限制。通常在模型加密到一定程度時，計算結果的變化范圍已經小于一定的百分比（如 5%），此時繼續對模型進行加密并不能帶來計算精度的進一步提升，此時的網格尺寸就是合理的。

（2）材料設置。依據仿真模型要求和結構材料特性進行設置，如結構靜力分析設置材料彈性模量和泊松比。

（3）設置邊界條件。結構分析主要包括載荷邊界和約束邊界條件。約束邊界條件包括位移約束邊界條件（有位移約束，對稱約束等）和接觸邊界條件。結構承受載荷應依據模型實際工作條件和簡化方法進行設置：①集中力，施加于模型節點的集中載荷；②表面載荷，施加于某個表面上的分布載荷；③體積載荷，體積的或場載荷；④慣性載荷，由物體慣性引起的載荷，如重力加速度，角速度和角加速度；⑤耦合場載荷，以上載荷的一種特殊情況，從一種分析得到的結果用作另一分析的載荷。

（4）設置求解器。實現數字樣機運動學動力學性能分析的關鍵，在于運動學動力學仿真計算和高效求解器的實現。根據不同類型的求解問題和計算軟件，選擇對應的求解器。設定不同的接觸摩擦求解類型，疲勞壽命預估算法以及根據結果后處理需求設定仿真輸出參量和形式。

3.求解

應用最優化計算方法的程序在計算機上求解參數化CAD模型。針對具體任務，以命令流或文件方式提交分析軟件進行計算求解，并以命令流或窗口交互方式對計算過程進行監控。

4.后處理

對仿真結果進行處理和分析，利用有限元分析軟件后處理的圖形功能，顯示溫度分布圖、變形圖和應力分布圖，從中找出最高溫度，最大變形、最大應力以及壽命最低區域，根據相應的評價準則進行評估，以圖片或表格形式匯總，并依據應用要求提供仿真分析報告。

5.優化參數評價

優化處理器根據本次循環提供的優化參數（設計變量、約束條件及目標函數等）與上次循環提供的優化參數作比較之后確定該次循環目標函數是否達到了最小，或者結構是否達到最優，如果達到最優，則完成迭代，推出優化循環圈。否則，根據已完成的優化循環和當前優化變量的狀態修正設計變量，重新投入循環。

七、柴油機多學科仿真分析

基于數字樣機技術的柴油機研發，需要進行概念設計階段的柴油機熱力學分析、曲柄連桿機構運動學分析、動力學分析等，方案設計階段的柴油機剛度分析、振動噪聲分析、性能分析和可靠性分析等，還要進行內部冷卻液體及外部循環分析、潤滑液體流場分析以及進排氣系統空氣流場分析等。柴油機結構仿真是指利用柴油機整體或零部件物理、數學模型，通過數值計算方法獲得柴油機工作狀態下位移、應力、應變等的過程。柴油機關鍵件（以氣缸蓋為例）結構仿真一般分為剛強度分析、模態分析、熱分析和疲勞分析。

（1）剛強度分析（也稱靜力學分析）包括線性和非線性分析，用于求解靜力載荷（或準靜態載荷）作用下結構的應力、位移和變形等。

比如，分析氣缸蓋在螺栓預緊力、氣門座圈裝配過盈力和最大燃燒壓力作用下的應力和變形情況，對氣缸蓋水腔、氣道壁和鼻梁區等關鍵位置的強度進行評估，并對氣缸蓋底板和氣門座圈變形進行剛度評估。

（2）模態分析用于確定結構或零部件的內稟振動特性，即結構的固有頻率和振型，同時，也可以作為其它動力學分析問題的起點，包括瞬態動力學分析、諧響應分析和譜分析等。

對于整體式氣缸蓋，要分析其自由模態頻率和振型等基礎動力學特性，為氣缸蓋動力學響應分析和動態特性優化設計提供基礎數據。

（3）熱分析主要是指根據流場計算給定的換熱邊界條件或經驗公式換熱邊界條件，對機體和氣缸蓋的溫度場進行分析，為其它的結構仿真分析提供熱邊界條件。

要分析氣缸蓋在高溫燃氣、冷卻液及外界環境影響下的溫度和熱應力分布，評估氣缸蓋在機械載荷和溫度載荷共同作用下的結構強度，并可為疲勞仿真提供溫度場和應力場。

（4）疲勞分析是指對結構件在交變載荷作用下的疲勞強度和壽命進行分析和預估，可根據材料疲勞破壞前所經歷的循環次數 Nf不同，分為高周疲勞（Nf> 1×105）和低周疲勞（Nf< 1×104～105）；或根據載荷工況和工作環境的不同分為機械疲勞、熱疲勞和熱 -機耦合疲勞等。

首先對氣缸蓋進行機械疲勞仿真，評估氣缸蓋在單純機械載荷作用下的疲勞強度和壽命是否滿足設計要求；然后開展熱 -機耦合疲勞仿真，重點評估氣缸蓋火力面鼻梁區抵抗熱 -機耦合疲勞破壞的能力。

八、幾點體會

在柴油機的數字化設計過程中，無論是數字樣機的自頂向下模塊化設計，FEA的有限元離散法，還是 MDO的系統分解，都體現著“集成 /分解”的理念。用先進的優化方法和算法搜索、選擇最優設計方案，用基于 CAD/CAE的集成技術，結合柴油機數字樣機進行多學科設計優化，不僅提高了柴油機設計水平，還可以優化設計流程和設計環境。

（1）通過數字樣機自動化設計流程，設計過程系統化，采用多目標機制平衡學科間影響，探索整體最優解，使所有設計參與人員都了解到其它學科的約束要求和優化目標，在設計初始樹立全局觀點。學科協同和并行設計能夠將單學科（領域）的分析優化與整個系統中相互耦合的學科分析優化結合起來，采用優化策略對多學科設計空間進行搜索和整體權衡考慮，集成地進行多學科分析，減少了計算復雜性。并行協同地設計優化數字樣機，可以方便地實現上下游并行設計和多專家協同設計，有效地降低了設計組織復雜性，保證了數字樣機的模擬仿真精度。

（2）通過引入網絡化、信息化技術，建立柴油機研發信息網絡、數據管理系統，實現柴油機在 CAD/CAE之間的數據統一標準和數據共享，進行完整產品定義數據的快速交換，避免了產品描述等重復性工作，有效地解決了柴油機行業中的資源重復配置和信息孤島問題，為在計算機網絡環境下實施遠程異地設計制造提供有效的技術支持，有利于應對大數據時代帶來的新挑戰。

（3）學科（子系統）集成既可以把可靠性、維修性、保障性、安全性、測試性以及環境適應性貫穿到整個系統設計過程中，又能有效地組織和管理整個優化過程，是一種很有潛力的系統綜合設計技術。

九、結語

現代設計和優化技術有力地推動了系統集成和匹配研究的深入開展，大幅度提高了動力裝置的功率密度和系統總成之間的優化匹配。高功率密度柴油機是在高功率的基礎上進行高緊湊的總體結構設計，采用高應力材料進行整體式系統集成設計，減少無效空間，實現了功率最大、體積最小、質量最輕、成本最低。通過對柴油機各組成分系統進行集成化、系列化、模塊化的優化設計，達到整個裝備的高緊湊性、高機動性的要求，使柴油機的單位體積功率、單位排量功率達到最高水平，加快了產品研發周期，降低了研發成本和技術風險，提高了市場競爭能力。