虚拟样机技术在内燃机设计里面地运用研究

    本文以内燃机为对象，将虚拟样机技术在动力机械设计中进行了初步实践。文中对其主体进行了参数化样机设计，使用模拟工具进行了动态仿真试验，如压缩过程的流体计算，活塞有限元分析和主运动系的动力学仿真等。

一、引言

    在动力机械（如内燃机）的传统设计过程中，由于在前期设计阶段缺乏试验用的样机，因此不可能取得足够的实际经验以避免设计中潜在的缺陷。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地修改，这样的设计过程不仅效率低，费用还高。

    随着现代计算机仿真和网络通信技术的发展，虚拟设计（Virtual Design，VD）技术的兴起将为解决这些问题提供新的方法。在设计初期，可直接在虚拟环境（计算机环境）中创建产品模型，即虚拟样机（Virtual Prototyping，VP），并将其置于虚拟环境中进行试验。这样不仅可以使产品的结构和功能得到模拟，而人机交互性能也能得到测试，使产品缺陷在最初的设计阶段就能被及时发现并加以改进，从而可以作出前瞻性的决策和优化实施方案。

    现选取四冲程汽油机的主体运动件为研究对象，运用虚拟样机技术对其进行设计和试验，以寻求一种高效的设计方法。

二、内燃机的主体样机设计

1.零件设计

    借助基于特征的三维参数化建模工具Pro/ENGINEER进行内燃机主体部分的几何设计，包括活塞组件、连杆、曲轴、气缸盖、气缸体、凸轮及凸轮轴和气阀，如图1所示。

图1  内燃机主体装配图

    首先需要为所设计的内燃机选型（确定基本的几何结构和尺寸），对其设计有个整体规划，然后将整个内燃机系统划分为若干子系统，即上面所述的各个组件。根据实践中的条件、功能要求及经验准则，对这些组件分别进行构型设计并加入材料（即设置各个零件的物理性质），将每个零件的主要几何结构及尺寸参数化，并通过这些参数在各个零件之间建立关联（Relation）约束，使各个子系统构成一个内在的整体。

2.虚拟装配

    利用Pro/ENGINEER的Layout（布局）功能，定义装配件中每个零件相关尺寸关系与组合关系，并与建立的零件模型相关联。如果要修改零件，也只需修改所绘制的Layout2D规划图，就能自动将变更加至组件文件中，从而大大地提高了装配的效率与可维护性。在保证可以代表整机结构状态下，Layout图可以用最简单的线条绘制，并在图中定义全局几何基准（Global Datum）和全局尺寸参数（Global Dimension）。然后，在相关零件模型中声明（Declare）该Layout文件，并将相关零件模型中的对应几何基准和尺寸参数与Layout文件中的全局几何基准和全局尺寸参数相关联。最后，得到的主体的装配模型，如图1所示。

三、主体件的动态仿真试验

1.缸内流动分析

    在Pro/ENGINEER建立的内燃机气缸盖模型中，提取燃烧室流体分析的几何区域，并导入数值流体力学分析的前处理器（这里使用Gambit），这样可以充分利用三维建模环境下产生的几何信息。在缸内工作过程中，本文首先分析内燃机的压缩冲程。当活塞处于下死点时，建立气缸工质流体区域模型，由于该过程进、排气阀都紧闭，所以可以忽略气阀结构的影响，流体分析区域是一个封闭的几何体，在建立合适的面、体后得到的三维流体区域模型和划分的动态网格，如图2所示。

图2 建立缸内流体分析区域（左图）和划分网

    利用数值流体分析工具进行气缸内工质的动态分析，这里用Fluent软件。对模型进行迭代计算，可以得到压缩过程各种热力参数的仿真结果，如上死点流速、温度、压强分布以及平均压力和温度的变化过程等，如图3、图4所示。

图3 上死点时缸内流速（上图）和压强分布

图4 压缩过程缸内工质的压强变化

2.活塞有限元分析

(1)应力分析

    这里采用与Pro/ENGINEER无缝结合的有限元分析工具Pro/MECHANICA。将活塞的1/4模型移至Pro/MECHANICA环境下，可以完全利用在Pro/ENGINEER中建立的几何信息。首先选取热力分析模式（Thermal），设置模型材质（Model Materials），这里选取铝合金AL2014，并加入（Assign）活塞模型中。

    根据缸内流体动力学仿真分析得到的结果，可以计算出内燃机一个工作循环内活塞顶面平均温度（这里得到的平均温度为1167K），平均压力（这里将其设为4.5MPa，高于得到的平均压力以提高可靠性），作为表面热力和压力负荷（Surface Load）加入活塞模型的上表面。

    设置表面换热边界条件（Surface Convection Condition），并在负荷约束设置中包括指示温度（Prescribed Temperatures）和模型的轴对称（Cyclic Symmetry），至此形成一个完整的有限元热力仿真模型。分析得到的活塞应力分布，如图5所示。

图5 活塞热力和压力耦合总应力分布

(2)疲劳寿命分析

    设置活塞的疲劳寿命极限（Fatigue Life）的期望值（Desired Endurance）为109（即希望内燃机在10亿次循环中不产生疲劳失效）。在上述的负荷下进行有限元分析，经系统计算后将1×1020作为活塞的疲劳寿命，远大于所设的期望值。疲劳寿命的分布，如图6所示，

图6 活塞压力疲劳极限对数分布

    可见，活塞构型中疲劳寿命最小的、即最“脆弱”部分的疲劳寿命值为109.854，也大于期望值，说明设计的活塞结构完全满足工作需要。

    同时，可以看出这种活塞结构中最易产生疲劳失效的部位出现在活塞销座的上表面且靠近连杆小头部分，为改进活塞的结构设计提供了参考。

3.主运动系的仿真分析

    将在Pro/ENIGNEER中装配好的发动机装配模型导入多体动力学仿真工具ADAMS环境下，在这个过程中发动机各个零件之间的装配关系是保持不变的。

(1)创建零件材料及约束副

    创建活塞零件材料为铝合金，设置密度和弹性模量，同样给连杆、曲轴、气阀和凸轮轴设置材料属性。使用约束库在两两零件之间创建约束副。

(2)创建对活塞的压力

    根据气缸内流体动力学数值仿真结果，利用一个工作循环内的缸内压强数据（因为本文只模拟了压缩过程的气流情况，所以其他冲程的热力参数可参考该类型内燃机的物理试验数据），得到活塞的压力数据。将该组数据建立一条数据曲线（Data Spline），其中，自变量X表示时间（单位为ns），因变量Y表示气缸内气体压强（单位为105pa），利用建立函数（Building Function）的形式定义对活塞的压力，AKISPL函数由前面建立的曲线数据返回其插值数据，形成连续的压力曲线。

(3)建立测量

由内燃机一个气缸所发出的指示转矩，如公式(1)所示。
(1)

其中，F——作用于活塞上的合力，即气体压力与往复惯性力的代数和；
R——曲轴旋转半径；
φ——曲轴转角；β——连杆摆角。

(4)动态仿真

    对模型进行动态仿真，通过测试整个模型或模型的一部分以验证其运动的正确性。在对模型进行仿真的过程中，各种动力学特性随曲轴转角的变化规律，如图7所示。

图7 活塞组动力学仿真曲线

四、结论

    本文从内燃机的样机设计到虚拟试验，完全是在三维可视化数字环境下进行的。在选定设计条件后利用参数化模型设计软件进行了零件设计和整机装配。虚拟试验包括了流体试验、结构试验、热力试验以及机械试验。其中，结构试验和热力试验部分利用有限元仿真工具对内燃机的某些部件（如活塞）进行了分析，得到了零件应力和疲劳强度的分布规律。流体试验部分利用了计算流体动力学分析工具进行了缸内过程（压缩过程）的流体力学仿真，得到了缸内流场、压力场等的分布和变化规律。而机械系统试验部分通过多体动力学分析工具对内燃机的主运动系进行了动态仿真试验，得到了所有动力学参数在内燃机工作时的变化过程。