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内燃机设计中的CAD/CAE/CFD技术

2006/11/15    来源:e-works    作者:高宏阁  朱敬锋  李树花  程晓鸣      
关键字:内燃机设计  CAD  CAE  CFD  
本文旨在介绍内燃机设计中CAD/CAE/CFD软件使用的历史和现状,并列举一些实际工作中的应用案例。这项技术的显著优点就是使设计人员摆脱繁重的手工绘图、测绘和试验,提高工作效率,尤其缩短产品设计周期,节约成本,但CAE/CFD软件价格昂贵、对设计人员知识层次要求高也使它的推广受到阻碍,然而国内内燃机企业要想走出去发展这项技术就是必行之路。

    一、前言
   
    我国内燃机传统的设计过程中,由于前期设计阶段缺乏试验用的样机,往往参考国外同类型样机,依靠工程设计人员的经验,经过大量试验与测试,进行改进设计,因此很难避免设计中存在潜在的缺陷。这样,有关装配、操作和维护的问题往往只会在设计后期或在最终产品试车过程中,甚至在投入使用一段时间后才能暴露出来,所以产品往往不得不返回到构造设计阶段以进行必要的修改,这样的设计过程不仅效率低,费用还高。
   
    早在二十世纪八十年代,我国就提出了"甩图板"的口号,成为我国制造业信息化建设起步的号角。今天越来越多的企业正在把信息化作为推动本企业发展的重要手段,而在信息化的应用上以CAD/CAE技术最为广泛。
   
    早期的CAD就是单纯的二维绘图,在内燃机行业中最早使用的是AutoCAD、CAXA,它们是真正的电子图板,随着软件业、计算机技术的蓬勃发展,大量三维CAD软件层出不穷,如UG、Pro/E、SolidWorks、CATIA等,它们卓越的参数化设计和基于特征设计功能受到广大内燃机设计工作人员的青睐。
   
    CAE/CFD软件是迅速发展中的计算力学、计算数学与现代计算机科学和技术相结合而形成的一种综合性、知识密集型的信息产品。随着市场竞争日益激烈,更多的企业越来越清楚意识到要想提高工程、产品的设计质量,降低研究开发成本,缩短开发周期,推出优秀的创新产品,从而尽快地占领更多的市场,那么应该把CAE/CFD技术作为实现工程、产品创新的有力工具和重要的支撑技术。而内燃机作为一种十分复杂的热力机械,在它的设计中涉及的运动学、动力学、热、力、噪声等问题,使CAE/CFD得到了广泛应用。
   
    二、CAD在内燃机设计中的应用
   
    内燃机中许多零部件的设计,如果采用传统手工设计方法很难满足精度要求,而使用CAD技术,尤其是三维CAD技术能直观表达、设计方便。
   
    在内燃机的计算机辅助设计中,实体造型是其中的重要过程。早期的CAD软件建模结束后导入CAE分析得出结论之后,往往需要修改设计方案,现在由于参数化建模思想和基于特征建模思想的产生,使某一尺寸发生变化需重新建模的尴尬彻底消失,图形的修改变得十分容易,设计效率变得更高。
   
    另外,在给客户提供零部件改进方案或三维效果图时,常常是只有实物而没有任何图纸或CAD数据,特别是样件造型中有曲线、曲面时,很难通过测量获得准确的数据,以至于得不到原件的精确三维图。由工件产生图纸或相关尺寸数据的过程属于逆向工程领域,它可以采用三坐标法获得,而目前三坐标中又引入了CAD功能,使这项工作变得相对简单。例如首先用三坐标测量仪获得工件点云,再利用Imageware等软件处理点云,导入UG等CAD软件对数据进行处理,即可得到精确三维图。
   
    下面列举几个CAD方面的例子:
   
    ①三维测绘到CAD建模

              
    图1 某小型内燃机

    图2 某小型冷却风扇三维测绘后实拍图内燃机冷却风扇CAD模型
   
    ②内燃机设计中的CAD建模
 
    图3 某小型内燃机总装三维模型(a)   (b)


 
 
    图4 某摩托车消声器CAD模型

责任编辑:孙文婕
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