基于数字样机技术的柴油机设计优化

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1、基于数字样机技术的柴油机设计优化撰文/中国北方发动机研究所杨维峰一、引言随着车用动力强化水平的提高和装备对高可靠性动力产品的需求，高性能、高紧凑和高可靠之间的矛盾越来越突出。运用总体设计理论与方法（包括集成方法、仿真模拟方法和综合比较方法等），将柴油机作为若干分系统有机结合的整体来设计，顶层规划、系统覆盖、综合协调、折衷权衡和反复迭代，以求得总体最优方案。总体设计过程集中体现在解决先进技术应用与工程实现的矛盾，采用先进方法及其支撑技术，改进产品结构、增加对产品性能的了解，使得其产品获得最短的开发周期、最低的成本和最高的性能。数字样机的创建是一个

2、自上而下全相关的总体设计。柴油机使用以知识工程为依托、CAD／CAE集成技术为基础、多种学科技术为手段的基于数字样机技术的现代产品设计方法，制定完善的现代流程和规范方法，进行柴油机曲轴、连杆、凸轮轴、机体和气缸盖等关键件的结构优化设计以及进排气、冷却和润滑等系统的优化匹配，在建立物理样机前通过对数字模型进行仿真、分析和产品优化，提前进行产品性能的预测和评估，减少物理样机阶段的研究工作，节省了研制时间和费用，提高了柴油机产品的质量和可靠性，完成了从依靠个人“经验设计”到基于企业核心能力“预测设计”的转变，使车用动力的研发逐步向“一次成功”方向发展

3、。二、数字样机技术数字样机技术是以CAX（以计算机为辅助手段的各种技术）/DFX（面向产品生命周期各环节的设计）技术为基础，以机械系统运动学、动力学和控制理论为核心，融合三维图形处理和造型技术、多领域仿真技术以及虚拟现实技术，将产品设计开发和分析过程集成在一起，使产品的设计者、制造者和使用者在产品的早期可以直观形象地对数字化产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，为产品的研发提供全新的数字化设计方法。数字样机技术的研究核心是利用计算机辅助分析技术进行机械系统的动力学和运动学分析，运动学着重于分析产品机构的可动性和运动轨迹，通过动力学

4、分析获得产品机构在运动过程中各运动副的动反力是强度分析的基础。完整的柴油机数字样机是最终产品的真实数字仿真，可进行工程分析、优化，确定最佳设计结构和参数值，获得最佳综合性能。（1）运动分析。验证曲轴连杆机构、传动机构和配气机构在空间运动过程中物理位置的准确性，分析各机构运动过程中的运动间隙，运动协调性等，对运动过程中几何元素或运动质点的位移、速度和加速度等进行数值分析。（2）性能参数匹配分析。结合试验数据，利用数字化分析工具，开展柴油机工作过程中各性能参数的匹配分析，进行进排气、冷却、润滑和供油等子系统的参数匹配。（3）空间结构分析。实施干涉检

5、查、间隙检查、关键截面分析和测量空间分析，使设计者能够直观地了解到样机中存在的问题，如通过设定柴油机各零部件的热物理参数，计算柴油机不同状态下的间隙变化。（4）装配分析。按照物理样机的装配工艺、工装，模拟其装配过程，动态检测零件及其装配工装在装配和拆检过程中是否干涉，并分析装配间隙；分析柴油机整机的结构及其在装配过程中的空间要求，验证装配顺序、装配路径，为定义、预测和分析零件加工公差、技术要求提供数据支撑；确认部件、组装过程中各零件的装配顺序和位置保证的优先级等，并提出关键要素和措施的保证手段和检验准则；模拟柴油机部件级整机安装及拆卸过程，减少

6、因设计考虑欠缺造成的改进或返工；按照物理样机维护、测试要求，模拟其维修、测试过程。（5）工艺性评估。评估数字样机构建工艺性，包括样机在台架的协调、面向制造的设计（DesignforManufacturing，DFM）、面向装配的设计（DesignforAssembly，DFA）和容差分析等。（6）设计优化。考虑零部件制造方法、材料属性，进行以下几方面的设计优化：通过刚强度分析、流场分析、温度场分析、疲劳寿命分析等对零部件、子系统的内部结构、重量和外形进行优化；通过运动学、动力学分析对运动机构运动行为进行分析，优化运动件的重量、形状及负荷；在装配

7、分析的基础上给出优化的装配顺序、装配路径，提高装配效率和人机有效性，改善维修性和测试性。（7）制造分析和数字化制造。按照相关规范建立柴油机零部件模型，使模型包含完整的、与实物零部件一致的制造过程信息，支持以下几方面的制造分析和制造：零部件模型在数字化制造过程中的直接使用，如几何形状、形位公差检查、模具制造和加工尺寸提取等；零部件制造CAM仿真及制造过程优化、工艺CAPP编制及优化。三、CAD/CAE集成技术CAD是人与计算机紧密配合的问题求解技术，各自发挥所长使其工作优于每一方，为应用多学科方法的综合性协作提供了可能。广义的CAD是指CAD/C

8、AE/CAM的高度集成，包括二维绘图设计、三维几何造型设计、产品数字化装配、有限元分析（FEA）及优化设计、动态模拟、数控加工编程（NCP）及产品数据