CAD技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用探析

吳翠楊

摘要：隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的不斷增長(zhǎng)，科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，CAD技術(shù)被廣泛應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域中，創(chuàng)造出了眾多現(xiàn)實(shí)價(jià)值。在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)設(shè)備設(shè)計(jì)中CAD技術(shù)的科學(xué)高效應(yīng)用至關(guān)重要，其能夠幫助設(shè)計(jì)人員有效提高內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工作質(zhì)量和效率，還可以充分保障內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)制造性能。因此，內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)人員要樹(shù)立起先進(jìn)的工作理念，結(jié)合內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)要求和性質(zhì)特點(diǎn)，合理運(yùn)用好CAD技術(shù)，確保能夠有效發(fā)揮出CAD技術(shù)的價(jià)值作用，幫助自身減少設(shè)計(jì)工作任務(wù)量，并促使在最低成本下創(chuàng)造出最大的經(jīng)濟(jì)效益。本文將進(jìn)一步對(duì)CAD技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用展開(kāi)分析與探討。

關(guān)鍵詞：CAD技術(shù);內(nèi)燃機(jī);設(shè)計(jì)應(yīng)用

Abstract： With the continuous growth of the national economy and the continuous innovation of science and technology， CAD technology has been widely used in various industries and created many practical values. The scientific and efficient application of CAD technology in the design of modern internal combustion engine equipment is very important. It can help designers effectively improve the quality and efficiency of internal combustion engine design work， and can also fully guarantee the design and manufacturing performance of internal combustion engines. Therefore， internal combustion engine designers must establish advanced work concepts， combine the design requirements and characteristics of internal combustion engines， and make reasonable use of CAD technology to ensure that the value of CAD technology can be effectively utilized， to help themselves reduce the amount of design tasks， and to promote the lowest Create the greatest economic benefit under the cost. This article will further analyze and discuss the application of CAD technology in internal combustion engine design.

Key words： CAD technology;internal combustion engine;design application

0? 引言

CAD技術(shù)實(shí)質(zhì)是指通過(guò)創(chuàng)新運(yùn)用計(jì)算機(jī)專(zhuān)業(yè)軟件制作模擬實(shí)物設(shè)計(jì)，最終全方位呈現(xiàn)出新開(kāi)發(fā)商品的外觀、質(zhì)感、結(jié)構(gòu)等特色的過(guò)程。該項(xiàng)技術(shù)最早是被應(yīng)用在汽車(chē)制造、電子工業(yè)生產(chǎn)、航空制造等領(lǐng)域中，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷完善發(fā)展，CAD技術(shù)的應(yīng)用不再局限于傳統(tǒng)繪圖和顯示，而是進(jìn)入到設(shè)計(jì)人員專(zhuān)業(yè)知識(shí)中更為智能的部分，眾多行業(yè)領(lǐng)域工作人員開(kāi)始利用CAD技術(shù)展開(kāi)立體繪圖設(shè)計(jì)。通過(guò)將CAD技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中，能夠有效起到良好的輔助作用，促使內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)符合各項(xiàng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，并且還可以全面提升內(nèi)燃機(jī)的綜合使用性能，推動(dòng)我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)建設(shè)和諧穩(wěn)定的發(fā)展。

1? CAD技術(shù)在內(nèi)燃設(shè)計(jì)中應(yīng)用的重要意義

在機(jī)械設(shè)備中內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用是一項(xiàng)重要內(nèi)容，其是保障各類(lèi)型機(jī)械設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵部分。因此，設(shè)計(jì)人員在對(duì)內(nèi)燃機(jī)展開(kāi)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作時(shí)，必須主動(dòng)強(qiáng)化對(duì)內(nèi)燃機(jī)的科學(xué)精確性設(shè)計(jì)，確保能夠最大程度提升內(nèi)燃機(jī)的整體性能質(zhì)量，發(fā)揮出其在機(jī)械設(shè)備的價(jià)值作用。現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)人員通過(guò)將先進(jìn)CAD技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中，能夠有效提高內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。CAD技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要是以CAD技術(shù)作為核心技術(shù)，并以三維模型作為重要基礎(chǔ)，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)產(chǎn)品的三維建模設(shè)計(jì)和仿真設(shè)計(jì)等。設(shè)計(jì)人員要主動(dòng)創(chuàng)新研究應(yīng)用CAD技術(shù)，確保能夠有效滿足內(nèi)燃機(jī)的各種外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能基礎(chǔ)要求，促使內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)成品能夠達(dá)到最佳的運(yùn)行工作狀態(tài)[1]。當(dāng)前CAD技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在以下幾方面內(nèi)容：①實(shí)現(xiàn)變量化、參數(shù)化的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)。內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)人員通過(guò)將CAD技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中，能夠有效實(shí)現(xiàn)在變量化、參數(shù)化上的設(shè)計(jì)目標(biāo)。基于CAD技術(shù)應(yīng)用輔助下，設(shè)計(jì)人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)各項(xiàng)變量參數(shù)問(wèn)題，并根據(jù)現(xiàn)實(shí)原因優(yōu)化調(diào)整內(nèi)燃機(jī)設(shè)備的各項(xiàng)參數(shù)。而在內(nèi)燃機(jī)外觀結(jié)構(gòu)尺寸方面則可以結(jié)合實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求，有效改進(jìn)具體尺寸大小，這樣不僅能夠大大提高對(duì)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)修改的工作效率，還可以有效降低設(shè)計(jì)人員的工作強(qiáng)度，方便設(shè)計(jì)人員的日常操作;②實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的直觀形象化目標(biāo)。CAD技術(shù)又被稱(chēng)作為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，其通過(guò)應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同產(chǎn)品外觀、結(jié)構(gòu)以及色彩質(zhì)感的仿真設(shè)計(jì)。因此，內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)人員應(yīng)用該項(xiàng)技術(shù)能夠有效實(shí)現(xiàn)對(duì)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的直觀形象化工作目標(biāo)，促使設(shè)計(jì)人員對(duì)內(nèi)燃機(jī)的整體設(shè)計(jì)有著更為直觀清晰的觀察了解，這樣無(wú)疑就能夠?yàn)閮?nèi)燃機(jī)的整體優(yōu)化設(shè)計(jì)打下扎實(shí)的工作基礎(chǔ)。CAD技術(shù)的應(yīng)用輔助下，設(shè)計(jì)人員能夠針對(duì)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)要求仿真設(shè)計(jì)出對(duì)應(yīng)的三維模型，方便設(shè)計(jì)人員實(shí)時(shí)去觀察自身不同細(xì)節(jié)之處的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)內(nèi)容，做好內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的全方位檢查工作，為后續(xù)的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)、模擬裝配等工作提供了極大的便利之處。

2? CAD技術(shù)發(fā)展及其應(yīng)用升級(jí)

在機(jī)械設(shè)計(jì)中CAD技術(shù)的應(yīng)用主要是為了滿足設(shè)計(jì)人員繪制中所需要的圖紙，將各種參數(shù)融入應(yīng)用在軟件建模中，以直觀形象的模型呈現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員面前。在我國(guó)內(nèi)燃機(jī)行業(yè)發(fā)展最早被使用的CAD專(zhuān)業(yè)軟件是Au2 to CAD CAXA，它一種基于二維的繪圖軟件，不具備現(xiàn)在三維CAD技術(shù)軟件那強(qiáng)大而豐富的繪圖建模功能。后來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷創(chuàng)新完善，越來(lái)越多的專(zhuān)業(yè)CAD軟件出現(xiàn)在人們視野面前，能夠滿足設(shè)計(jì)人員對(duì)內(nèi)燃機(jī)不同的設(shè)計(jì)要求，尤其是體現(xiàn)在三維功能設(shè)計(jì)內(nèi)容上。與傳統(tǒng)二維CAD軟件技術(shù)相比較，三維CAD軟件技術(shù)不僅能夠安全儲(chǔ)存大量的產(chǎn)品模型信息[2]，還可以與工廠數(shù)控設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的有效交換，實(shí)現(xiàn)CAM的直接應(yīng)用。在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)設(shè)備結(jié)構(gòu)不斷復(fù)雜化情況下，內(nèi)燃機(jī)對(duì)于設(shè)計(jì)工作提出了更高的要求，傳統(tǒng)二維平面繪圖制作軟件已經(jīng)無(wú)法有效滿足設(shè)計(jì)人員的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求。因此，更為先進(jìn)的三維CAD技術(shù)將會(huì)取代傳統(tǒng)繪圖軟件，該項(xiàng)技術(shù)三維建模在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面內(nèi)容：①分析內(nèi)燃機(jī)各個(gè)零部件的關(guān)鍵物理特性參數(shù)，比如內(nèi)燃機(jī)零部件質(zhì)量、離型力以及慣性矩等;②內(nèi)燃機(jī)零部件的三維有限元分析，基于運(yùn)用三維CAD技術(shù)能夠幫助設(shè)計(jì)人員科學(xué)有效分析出曲軸的受理情況，并準(zhǔn)確掌握到內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部活塞的熱應(yīng)力、熱負(fù)荷等數(shù)據(jù)信息;③有效明確到內(nèi)燃機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的空間幾何關(guān)系，就比如內(nèi)燃機(jī)的啟進(jìn)排氣管、起道等內(nèi)部空間情況;④利用三維CAD技術(shù)完成對(duì)內(nèi)燃機(jī)氣體流動(dòng)部分的仿真模擬計(jì)算等，根據(jù)實(shí)際結(jié)果優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)，確保能夠提升內(nèi)燃機(jī)的整體運(yùn)行性能。

3? CAD技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的實(shí)踐應(yīng)用

3.1 CAD技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)曲軸層面的設(shè)計(jì)應(yīng)用

現(xiàn)代設(shè)計(jì)人員通過(guò)將先進(jìn)的三維CAD技術(shù)實(shí)踐應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的直觀全面性和便捷性，還可以充分發(fā)揮出設(shè)計(jì)人員的思維創(chuàng)新創(chuàng)造性，完成內(nèi)燃機(jī)概念性的設(shè)計(jì)操作目標(biāo)，最大程度提升內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。比如，在內(nèi)燃機(jī)曲軸層面的設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員必須高度重視對(duì)內(nèi)燃機(jī)曲軸平衡計(jì)算的妥善實(shí)施，曲軸作為內(nèi)燃機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的核心運(yùn)動(dòng)零部件，起到了穩(wěn)定安全高速定軸運(yùn)動(dòng)的重要作用，倘若曲軸質(zhì)量軸線和回轉(zhuǎn)軸線沒(méi)有進(jìn)行重合，發(fā)生了偏心位移情況，那么就容易導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)出現(xiàn)噪聲與不良振動(dòng)現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了機(jī)械設(shè)備的正常穩(wěn)定運(yùn)行[3]。針對(duì)于此，設(shè)計(jì)人員可以通過(guò)利用CAD技術(shù)去加強(qiáng)對(duì)曲軸的平衡試驗(yàn)結(jié)果的反復(fù)科學(xué)計(jì)算，結(jié)合試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果去優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)的曲軸結(jié)構(gòu)，以此來(lái)達(dá)到最大化減小曲軸質(zhì)量軸線和回轉(zhuǎn)軸線偏心發(fā)生的概率。內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)中曲軸零部件的構(gòu)成主要包括了三個(gè)部分，分別是兩端軸頭、主軸頸、缸曲柄，在不平衡的質(zhì)量層面通常也是由曲柄產(chǎn)生的，所以曲軸形狀設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)人員需要發(fā)揮出三維CAD技術(shù)的作用，將曲軸各項(xiàng)參數(shù)正確輸入到專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)軟件中，結(jié)合實(shí)際情況達(dá)到各項(xiàng)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求。設(shè)計(jì)人員可以利用專(zhuān)業(yè)CAD軟件展開(kāi)對(duì)目標(biāo)曲軸設(shè)計(jì)產(chǎn)品的三維實(shí)體造型，基于軟件輔助應(yīng)用下分析獲得曲軸的各項(xiàng)主要結(jié)合參數(shù)，比如曲軸的形心、慣性矩、旋轉(zhuǎn)半徑以及體積等重要參數(shù)，這樣就能夠?yàn)樵O(shè)計(jì)人員后續(xù)進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算實(shí)驗(yàn)打下扎實(shí)的工作基礎(chǔ)。

3.2 CAD技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)螺旋類(lèi)零部件上的設(shè)計(jì)應(yīng)用

螺旋類(lèi)零部件在機(jī)械設(shè)備結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用極為廣泛，比如數(shù)控機(jī)床的絲杠是用螺旋類(lèi)零部件進(jìn)行傳動(dòng)的，機(jī)械設(shè)備和結(jié)構(gòu)上的各種螺栓和螺釘也是用螺旋進(jìn)行鎖緊的。在內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中螺旋類(lèi)的零部件設(shè)計(jì)應(yīng)用也占據(jù)了較大的比例，特別是彈簧類(lèi)的零部件和散熱器螺旋翅片管，這些都是采用了螺旋線的設(shè)計(jì)應(yīng)用。如果設(shè)計(jì)人員采用傳統(tǒng)二維CAD技術(shù)將無(wú)法繪制出來(lái)螺旋類(lèi)零部件的空間結(jié)構(gòu)圖形，而利用三維CAD軟件技術(shù)則能夠有效繪制出來(lái)。如螺旋翅片管內(nèi)燃機(jī)中螺旋翅片管幾何造型是設(shè)計(jì)人員利用三維CAD軟件技術(shù)所繪制出來(lái)的，其是標(biāo)準(zhǔn)的螺旋線[4]。當(dāng)設(shè)計(jì)人員成功繪制出來(lái)螺旋翅片管幾何模型后，就可以接著使用Phoenics軟件中科學(xué)準(zhǔn)確求解它的換熱情況，從而優(yōu)化其結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化改善換熱情況的目的，確保該零部件能夠滿足內(nèi)燃機(jī)的換熱標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3 CAD技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)活塞上的設(shè)計(jì)應(yīng)用

活塞作為內(nèi)燃機(jī)的核心受熱件，其最為顯著的特征就是熱負(fù)荷大、散熱條件偏差等特點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員需要加強(qiáng)對(duì)活塞的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效提升其散熱性能。內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)人員可以采用CAD軟件技術(shù)構(gòu)建出內(nèi)燃機(jī)活塞的幾何模型，其次使用專(zhuān)業(yè)的有限元分析軟件展開(kāi)對(duì)活塞內(nèi)部溫度場(chǎng)的科學(xué)分析計(jì)算作業(yè)，最終獲取到關(guān)于活塞的三維溫度場(chǎng)具體分布情況。溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確計(jì)算結(jié)果能夠充分反映出活塞溫度場(chǎng)的分布情況，同時(shí)還為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)活塞整體結(jié)構(gòu)提供了可靠依據(jù)。設(shè)計(jì)人員可以采用ProIE軟件去構(gòu)建三維模型，接著再使用有限元分析軟件呈現(xiàn)出仿真模擬的內(nèi)燃機(jī)活塞幾何模型空間結(jié)構(gòu)，這樣就能夠?yàn)榻酉聛?lái)的有限元分析工作順利開(kāi)展打下良好的基礎(chǔ)條件。設(shè)計(jì)人員通過(guò)采用ProIE軟件構(gòu)建內(nèi)燃機(jī)活塞幾何模型的優(yōu)勢(shì)在于便于對(duì)活塞進(jìn)行幾何尺寸上的優(yōu)化設(shè)計(jì)和空間結(jié)構(gòu)上的及時(shí)調(diào)整，全面提升內(nèi)燃機(jī)活塞的設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。

4? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)代設(shè)計(jì)人員在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工作中要及時(shí)轉(zhuǎn)變自身的工作理念，正確認(rèn)識(shí)到科學(xué)引進(jìn)應(yīng)用先進(jìn)三維CAD技術(shù)的重要性。設(shè)計(jì)人員要將該項(xiàng)技術(shù)科學(xué)有效融入到內(nèi)燃機(jī)各個(gè)零部件設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)以及性能優(yōu)化調(diào)整等內(nèi)容中，確保能夠提高內(nèi)燃機(jī)整體設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率的同時(shí)，幫助自身降低工作任務(wù)量，創(chuàng)造出更多的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。CAD技術(shù)的輔助應(yīng)用不僅能夠幫助設(shè)計(jì)人員高效解決內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)和工程圖繪制問(wèn)題，還可以實(shí)現(xiàn)相關(guān)產(chǎn)品的模擬仿真設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的傳遞共享。

參考文獻(xiàn)：

[1]周爽.三維 CAD /CAE 技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2014（3）：76-78.

[2]鄧文強(qiáng).三維 CAD 技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].技術(shù)研發(fā)，2017（08）：31-34.

[3]韓同群.CAD/CAE 集成技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].湖北汽車(chē)工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（1）：32-35.

[4]張劍，宋希庚，薛冬新.三維 CAD 技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].小型內(nèi)燃機(jī)與摩托車(chē)，2018（03）：55-57.