内燃机优化设计研究现状与展望new

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1、内燃机优化设计研究现状与展望摘要：综述了内燃机优化设计理论的研究和应用现状、进展。着重讨论内燃机主要零部件、工作过程以及内燃机动力学、摩擦学等方面的优化设计研究工作，展望了内燃机优化设计理论和应用的发展动向及若干重要问题。关键词：内燃机；优化设计；复杂系统；基本参数；模糊优化长期以来，内燃机的设计方法，同许多工程设计中其他传统方法一样通常采用凑试法，即在设计时参考一些成熟设计，凭借经验和判断进行初步设计（包括总体布置、材料、结构、尺寸、工艺等的选择）；然后进行校核计算，检验其是否符合设计要求，如

2、果不符合设计要求，则进行修改并调整设计参数；经再校核、再调整，如此反复几次一直达到满足设计要求为止。这种传统的设计方法，虽然在过去设计工作中起了一定的作用，但所得的仅仅是符合设计要求的可行方案，而不一定是最优方案。把计算机和优化计算方法相结合的优化设计方法，为寻找最优方案提供了一个有效的方法。其数学模型可归结为：求设计变量X=[x1,x2,…,xn]使目标函数F(X)=F(x1,x2,…,xn)为最小（或最大）；并满足约束条件：由于内燃机设计的复杂性，涉及到热力学、传热学、机械强度、动力学、流体

3、力学和摩擦学等众多学科，各学科之间存在相互联系、影响和耦合，给内燃机优化设计数学模型的建立和求解带来很大困难，许多问题目前尚在研究探索之中。以下就内燃机优化设计的研究现状进行讨论，并对今后的研究方向提出展望。1内燃机优化设计研究现状1.1内燃机主要零部件结构优化设计采用优化设计的方法确定零部件的结构、形状和尺寸，一直是机械优化设计关注的热点。相对于内燃机优化设计的其它领域，内燃机主要零部件优化设计起步相对较早。内燃机的曲轴、连杆、活塞、机体等这些零件由于具有较复杂的结构和受到较大的工作载荷，采用

4、有限元或边界元分析计算是优化设计必须面临的问题。优化问题可分为两类，一类是以零部件的主要结构参数为设计变量的优化问题，另一类以离散化的边界点位置为设计变量，经多项式、圆弧或B-样条等拟合出模型的边界的形状优化设计问题。目标函数一般为质量最小或应力集中系数（或最大应力）最小。其较典型的算法如图1。优化设计在内燃机主要零部件的设计中取得了显著的效果，如冯慧华等对某四缸柴油机连杆的结构和主要尺寸参数进行了以质量为目标函数的优化计算。在保证结构具有足够强度和刚度的前提下，实现了连杆质量下降约15%。文献

5、:罗朋，邹文胜，左正兴，等,考虑热负荷的活塞形状优化设计,同时考虑机械应力和热应力，以活塞质量或最高温度为目标，对内燃机活塞进行结构优化设计，验证了原设计方案的合理性。配气机构国内有采用遗传算法以凸轮型线丰满系数为目标函数，在凸轮最小曲率半径和加速度等约束条件下的凸轮型线优化设计，较传统的优化计算方法有比较好的优化结果；有以结构尺寸为目标函数，将配气机构看成弹性系统，建立多质量振动模型，在接触应力、油膜厚度和机械效率约束条件下的综合优化设计。内燃机主要零部件结构优化设计是内燃机优化设计中应用最多

6、、发展最快、较成熟的领域。图1，结构优化设计典型算法1-2内燃机动力学优化设计内燃机的高速发展趋势使内燃机的振动、噪声以及运转平稳性等动力学问题更加突出。对内燃机的主运动系统的动力学分析和惯性力的平衡，曲轴的振动分析与减振设计，机体的振动分析以及内燃机的减振与隔振等问题国内外学者已经作了大量的工作。主要措施有2种，一个是采用平衡配重消除内燃机主运动系统的不平衡惯性力以消除或减小振动，一个是采用避开共振频率的办法减小振动，该法需对振动系统进行模态分析，另一个是采用加装动力减振器的办法以减少振动。近

7、年来已有人开始研究考虑内燃机动力学问题的优化设计问题，如文献［卢月蛾，扬述光，扬大平,内燃机凸轮配气机构线型的动力学优化设计］研究了考虑动力学性能的内燃机配气凸轮机构线型的优化设计问题，但仅仅考虑了动力学因素，其优化的目标函数仍然是凸轮机构的丰满系数。文献蔡家明.内燃机轴系扭转振动响应的优化设计解决了内燃机轴系扭振减振器的优化设计问题，其优化的目标为曲轴的扭转角位移的响应值，以减振器的刚度和阻尼系数为设计变量，并运用传递矩阵与最优化技术相结合方法对G6135柴油机轴系扭振减振器进行了优化计算，明

8、显地改善轴系的扭振特性。但由于内燃机动力学优化问题是一个非常复杂的问题，涉及到反复多次进行机械系统和复杂结构的动力学分析计算，因此解决变参数（设计变量）条件下机械系统和复杂结构的动力学快速计算问题，是内燃机动力学综合优化面临的主要问题。1.3内燃机摩擦学优化设计20世纪80年代以来，摩擦学设计受到广泛的重视，当前摩擦学设计已经从面向摩擦副和面向现象的设计阶段发展到摩擦学系统设计阶段。摩擦学系统所拥有的系统依赖性、时间依赖性和多学科、跨学科特性决定了摩擦学问题的求解非常困难，必须用系统工程的理论和