计算机辅助工程(CAE)在内燃机中的应用

0 前言 

内燃机作为一种高效、耐久的动力装置,由于其热效率高,适应性好,功率范围广,已在工业、农业、交通运输等领域中得到广泛应用。为满足各行业对内燃机性能不断提高的要求,以及越来越激烈的市场竞争和各种排放法规,各生产厂家必须不断推出新产品和完善现有产品以占领市场,这就要加快内燃机的研发工作。而内燃机的研制是一项复杂且艰巨的工作,从总体设计、方案论证选择到零部件设计都需要进行大量的分析、计算、研究工作。采用传统的研究方式,已经不能满足现实的需要,而且随着计算机技术及计算算法的飞速发展,计算机辅助工程(CAE)在内燃机的研制过程中将发挥越来越显著的作用。采用CAE技术能够显著提高内燃机研制的科学性,减少盲目性,提高研制效率。 

1 计算机辅助工程(CAE)概述 

CAE(ComputerAided Engineering)技术是计算机技术和工程分析相结合而形成的一种新兴技术,采用数值计算和数值模拟方法,对计算机建立的实体或模型进行计算分析;是迅速发展中的计算力学、计算流体力学、计算数学、结构动力学、数学仿真技术、以及相关的工程科学和现代计算机技术相结合而形成的一种综合性、知识密集型的信息产品;是计算机辅助测试(CAT)、计算机辅助设计(CAD)等技术的综合和高级应用形式。其主要特点是以工程实际和科学问题为背景,建立计算模型并进行计算机仿真模拟分析。 

CAE的基础是结构有限元分析。通常指的是有限元分析、机构的运动学及动力学分析。有限元分析能完成静力和拟静力的线性和非线性分析,线性和非线性动力分析,热场、电场、磁场等场分析和结构优化等;机构分析可以完成机构内零部件的速度、位移、加速度和力的计算,机构的运动模拟及机构参数的优化。目前,随着计算机软硬件及计算算法的飞速发展,其应用范围已经扩展到流体力学、噪声分析及计算机仿真等领域。其在工程产品研制或优化过程一般分为四个阶段:

a·对所要研究的工程问题或设计的产品进行详细描述,从中获取材料的物性参数、机械性能、几何条件、边界条件等。 

b·利用CAE软件的参数化建模功能,对所要开发或优化的工程产品建立计算机计算模型。 

c·利用计算机采用相应的计算软件及计算算法对建立的模型进行数值模拟计算。 

d·对计算结果进行分析,验证方案的可行性,并确立设计修改方案,指导实际设计。

作为一项跨学科的数值模拟分析技术,CAE技术越来越得到工程界和科学界的重视,主要原因是:采用CAE技术一方面可以使过去受条件限制无法分析的复杂问题,通过计算机数值模拟得到满意的解答;另一方面,采用CAE技术可以使大量繁杂的工程分析和科学研究问题简单化,使复杂的过程层次化。CEA技术的主要优点是:在产品设计中,采用CAE技术可以使产品设计指标得到保证,能有效地提高设计产品的可靠性,同时可以避免大量低水平重复的工作,使分析更加准确,从而节省大量研制时间及经费。 

2 CAE在内燃机研究设计开发中的应用 

内燃机设计中,CAE分析大致可以分为两大类:固体力学分析和流体力学分析。通过CAE分析方法可以对内燃机性能进行计算机估计,燃烧过程计算机模拟,进排气系统的流动计算分析,冷却系统的CFD分析,传热的FEM分析,刚体结构的FEM强度分析等。CAE技术不但对内燃机整体、大型部件结构进行宏观控制发挥作用,对于解决局部强度、流动、传热问题也很有效。 

2.1 工作过程

内燃机整个工作过程主要包括复杂的进排气系统和缸内工作过程,涉及到极其复杂的气体流动、喷雾、燃烧及有害废气生成等,直接影响到内燃机的动力性、经济性、可靠性、燃烧噪声及排放性能等,是内燃机研究者关注的焦点。 

对进排气系统来说主要涉及复杂的三维非稳态流动问题,是影响整个发动机性能的首要因素。为了对进排气系统进行优化设计,需要详细地了解其流动特性。现有的大型通用CFD软件如STAR-CD,Fire,Fluent等,通过三维CFD模拟计算可以较为准确地优化进排气岐管布置、进排气总管尺寸等。特别是近年将仿真计算、计算机建模、快速原型制造技术和实验测试技术紧密结合起来而形成的计算机辅助集成技术,对于开发新型电控谐振进气系统,可提高设计的质量和一次成功率,缩短产品研制周期。 

对缸内工作过程而言,其不但涉及复杂的三维非稳态流动,还可能涉及燃油的喷射、雾化及燃烧等。对其进行深入研究,用于组织良好的燃烧过程,开发具有高性能、低污染的发动机具有十分重要的意义。缸内工作过程的研究一般使用实验法和数值模拟法。采用试验方法对工作过程进行研究,不但周期长、费用高、适应性差,而且往往不能得到有关的详细信息。数值模拟方法能排除试验方法的缺点。数值模拟研究一般分为零维模拟、准维模拟和多维模拟。

零维模拟是把整个气缸处理为均匀场,进行整体分析计算,主要分析整体性能。准维模拟是将缸内分区进行计算,这样将空间非均匀性引入计算,使缸内计算更准确。采用零维、准维模拟方法进行模拟的软件主要有GT-POWER,KIVA, Boost等,通过计算可以对气门升程曲线和正时进行设计和优化;可以对内燃机现有燃油消耗率进行评估,并进一步提出优化方案;对发动机整体燃烧、排放性能进行评估;对EGR进行分析;对内燃机气缸部件的热分析提供边界条件;最终可以对发动机整体性能进行优化。