基于數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)的柴油機(jī)設(shè)計(jì)探究

張永斌 福建船政交通職業(yè)學(xué)院

伴隨著柴油機(jī)工業(yè)的發(fā)展，人們對(duì)于高可靠性動(dòng)力產(chǎn)品的需求顯著提高，如何確保柴油機(jī)產(chǎn)品的高性能、高可靠性，已經(jīng)成為柴油機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)面臨的核心問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)由上而下構(gòu)成總體設(shè)計(jì)體系，能夠通過(guò)頂層規(guī)劃、系統(tǒng)覆蓋、綜合協(xié)調(diào)、折衷權(quán)衡和反復(fù)迭代來(lái)獲取最佳優(yōu)化方案，不僅可解決技術(shù)設(shè)計(jì)與工程實(shí)現(xiàn)的矛盾，同時(shí)也可實(shí)現(xiàn)先進(jìn)技術(shù)對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最大化支撐，能夠真正就產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，并促進(jìn)產(chǎn)品性能的增強(qiáng)。

一、技術(shù)概述

（一）數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)

圍繞數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)，其以CAX/DFX技術(shù)為基礎(chǔ)，融合機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、控制理論學(xué)等多領(lǐng)域知識(shí)，綜合應(yīng)用三維圖形處理、造型技術(shù)、仿真技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠通過(guò)集成產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)與分析過(guò)程，直觀形象得呈現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)整個(gè)過(guò)程。其中，在數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用視角下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化的流程如圖1 所示。

圖1 基于數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化流程

1.運(yùn)動(dòng)分析

在運(yùn)動(dòng)分析階段，針對(duì)曲軸連桿結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、配氣機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究，檢測(cè)其在空間運(yùn)動(dòng)過(guò)程中物理位置的精確性，并分析各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)間隙和運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性，從而掌握產(chǎn)品運(yùn)行過(guò)程中的位移、速度、加速度等數(shù)值信息。

2.性能參數(shù)匹配分析

在性能參數(shù)匹配分析階段，以數(shù)字化分析工具為依托，對(duì)樣機(jī)工作過(guò)程中涉及的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行匹配分析，包括排氣、冷卻、潤(rùn)滑、供油等系統(tǒng)。

3.空間結(jié)構(gòu)分析

對(duì)樣機(jī)進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)解析，包括間隙檢查、關(guān)鍵截面分析和測(cè)量空間分析，能夠使設(shè)計(jì)人員直觀掌握樣機(jī)存在的設(shè)計(jì)問(wèn)題，并通過(guò)獲取樣機(jī)零部件的具體數(shù)據(jù)來(lái)改善設(shè)計(jì)方案。

4.裝配分析

根據(jù)樣機(jī)的裝配工藝，模擬產(chǎn)品的裝配過(guò)程，檢查樣機(jī)零部件裝配過(guò)程中是否存有干涉問(wèn)題。同時(shí)，明確裝配順序，規(guī)范技術(shù)要求，建立關(guān)鍵要素及措施的保證手段和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，以此確保優(yōu)化設(shè)計(jì)的可行性。

5.工藝性評(píng)估

對(duì)數(shù)字化樣機(jī)進(jìn)行工藝性評(píng)估，包括面向制造的設(shè)計(jì)分析、面向裝配的設(shè)計(jì)分析以及容差分析等。

6.設(shè)計(jì)優(yōu)化

在考量零部件制造方法與材料屬性基礎(chǔ)上，圍繞剛度分析、流場(chǎng)分析、溫度場(chǎng)分析、疲勞壽命分析等方面對(duì)零部件和子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，包括改善改善裝配順序、優(yōu)化零部件重量、形狀等，能夠提升裝配效率，優(yōu)化產(chǎn)品維修性和測(cè)試性。

7.制造分析和數(shù)字化制造

在設(shè)計(jì)優(yōu)化基礎(chǔ)上，建立數(shù)字化樣機(jī)模型，利用CAM 仿真進(jìn)行零部件制造，從而有效支撐優(yōu)化設(shè)計(jì)方案在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

（二）CAD/CAE 集成技術(shù)

CAD 技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)所產(chǎn)生的一種問(wèn)題求解技術(shù)，其為多學(xué)科方法的綜合性應(yīng)用提供了支撐。其中，廣義上的CAD 技術(shù)包含CAD、CAE、CAM 等多種技術(shù)，涉及二維繪圖設(shè)計(jì)、三維幾何造成設(shè)計(jì)、產(chǎn)品數(shù)字化裝配、有限元分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)模擬、數(shù)控加工編程、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等內(nèi)容。

（三）優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

在現(xiàn)階段產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)研究中，與產(chǎn)品建模和仿真分析相結(jié)合是方案優(yōu)化和產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。其中，柴油機(jī)產(chǎn)品是復(fù)雜的機(jī)電系統(tǒng)，涉及多個(gè)領(lǐng)域知識(shí)，因此可借助多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化理論對(duì)柴油機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行支撐，其通過(guò)利用工程系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)，能夠使不同學(xué)科之間產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng)，從而有效提升產(chǎn)品的整體最優(yōu)性能。

柴油機(jī)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程如圖2 所示。

圖2 柴油機(jī)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

（四）柴油機(jī)產(chǎn)品研發(fā)數(shù)字化技術(shù)平臺(tái)

利用天舟COMAN 作為柴油機(jī)產(chǎn)品研發(fā)數(shù)字化技術(shù)平臺(tái)，其能夠?yàn)椴裼蜋C(jī)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，如部件原理設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、基于數(shù)字樣機(jī)的分析仿真提供管理工具，是一種支持柴油機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化的專業(yè)集成設(shè)計(jì)環(huán)境和自主創(chuàng)新研發(fā)核心能力平臺(tái)。

二、基于數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)的柴油機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化

柴油機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)CAD/CAE 聯(lián)合優(yōu)化過(guò)程如圖3 所示，而在具體優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)按照?qǐng)D3 所示流程進(jìn)行，以此提升柴油機(jī)產(chǎn)品的自動(dòng)化水平。

圖3 柴油機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)CAD/CAE聯(lián)合優(yōu)化過(guò)程

（一）準(zhǔn)備階段

在準(zhǔn)備階段，根據(jù)柴油機(jī)具體存在問(wèn)題進(jìn)行產(chǎn)品方案設(shè)計(jì)，設(shè)定仿真優(yōu)化目標(biāo)，確立仿真問(wèn)題類型，搭建基于具體仿真任務(wù)的數(shù)字化模型，包含幾何模型、邊界條件、初始條件、計(jì)算設(shè)置等內(nèi)容。

（二）參數(shù)化建模階段

1.有限元模型建立

利用CAD 軟件搭建實(shí)體模型，對(duì)采油機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)體問(wèn)題區(qū)域分解，將產(chǎn)品結(jié)構(gòu)劃分為不同有限元模型，并根據(jù)計(jì)算能力進(jìn)行網(wǎng)格劃分和求解規(guī)模限制。

2.材料設(shè)置

基于仿真模型要求和結(jié)構(gòu)材料特性，對(duì)材料彈性模量和泊松比等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

3.邊界條件設(shè)置

圍繞載荷邊界與約束邊界進(jìn)行設(shè)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(chǎng)載荷，后者涉及位移約束邊界和接觸邊界。

4.求解器設(shè)置

基于不同類型的求解問(wèn)題和計(jì)算軟件，設(shè)置對(duì)應(yīng)的求解器，選擇合適的接觸摩擦求解類型和疲勞壽命預(yù)估算法，以此提高仿真分析和問(wèn)題求解的效率。

（三）求解階段

在求解階段，利用最優(yōu)化計(jì)算方法于計(jì)算機(jī)上進(jìn)行參數(shù)化CAD 模型求解，并借助命令流或窗口交互方式對(duì)計(jì)算過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（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(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析優(yōu)化，形成針對(duì)有限元模型的溫度分布圖、變形圖和應(yīng)力分布圖，從而計(jì)算有限元的最高溫度、最大變形、最大應(yīng)力和壽命最低區(qū)域，并以圖片或表格形式記錄，形成仿真分析報(bào)告。

（五）參數(shù)評(píng)價(jià)優(yōu)化階段

在參數(shù)評(píng)價(jià)優(yōu)化階段，利用優(yōu)化處理器對(duì)本次仿真分析得出的優(yōu)化參數(shù)進(jìn)行評(píng)估，查看設(shè)計(jì)變量、約束條件、目標(biāo)函數(shù)是否均已達(dá)到最優(yōu)，若完成最優(yōu)結(jié)果，形成優(yōu)化循環(huán)圈，若未完成最優(yōu)結(jié)果，則基于當(dāng)前優(yōu)化變量重新修正設(shè)計(jì)變量，再次進(jìn)行優(yōu)化循環(huán)。

三、基于數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)的柴油機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化仿真研究

（一）剛強(qiáng)度分析

剛強(qiáng)度分析包括線性和非線性分析，主要用于計(jì)算靜力載荷作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移和變形。例如，可借助剛強(qiáng)度分析研究氣缸蓋在螺栓預(yù)緊力、氣門座圈裝配過(guò)盈力以及最大燃燒壓力作用下的應(yīng)力與變形情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)于氣缸蓋水腔等部位的強(qiáng)度評(píng)估。

（二）模態(tài)分析

模態(tài)分析用于分析結(jié)構(gòu)和零部件的振動(dòng)特性，包括頻率和振型等。例如，通過(guò)分析整體式氣缸蓋的模態(tài)頻率和振型，能夠掌握氣缸蓋的基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)特性，從而為氣缸蓋動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化提供支持。

（三）熱分析

熱分析主要涉及溫度場(chǎng)分析等內(nèi)容。其中，借助熱分析研究氣缸蓋在高溫燃?xì)狻⒗鋮s液等條件下的溫度和熱應(yīng)力分布情況，能夠評(píng)估氣缸蓋于溫度載荷和機(jī)械載荷共同作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

（四）疲勞分析

疲勞分析主要涉及疲勞強(qiáng)度檢測(cè)和壽命評(píng)估等內(nèi)容。其中，借助疲勞分析，研究氣缸蓋在機(jī)械載荷作用下疲勞強(qiáng)度與壽命是否合乎設(shè)計(jì)要求。

四、結(jié)語(yǔ)

綜上，圍繞數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)，深入剖析了數(shù)字化樣機(jī)技術(shù)在柴油機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化中的應(yīng)用。其中，通過(guò)對(duì)柴油機(jī)各組分系統(tǒng)進(jìn)行集成化、模塊化優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠提高產(chǎn)品的緊湊性和數(shù)字性，有助于實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能的最優(yōu)化，并降低產(chǎn)品的研發(fā)成本和技術(shù)隱患。