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发动机CAE分析

[日期:2012-05-31]   来源:admin  作者:admin   阅读:4556次[字体: ]
1.1     简介
发动机CAE(计算机辅助工程)技术是以现代计算力学和传热学为基础,以计算机仿真为手段的工程分析技术,主要内容包括有限元分析、计算流体力学分析、声学分析、机构动力学分析和发动机整机性能分析。CAE技术能够提高产品的开发速度、节约开发成本、提高开发质量,是现代发动机开发的必备手段之一。
工程院能够开展多方向的发动机CAE工程服务,服务领域包括校验分析、优化设计以及全程分析。通过对已完成设计的产品性能进行CAE分析和评估,可以在费用及时间成本高的样机试验阶段之前验证设计是否满足要求。对于现有的产品的改进,CAE技术可以根据优化目标对产品进行优化分析与设计,并提出改进的方法和措施。
1.2     发展综述
发动机作为复杂的机械产品,其设计开发工作涉及多个工程领域,需要消耗大量的人力、物力和时间。传统的发动机设计开发步骤包括构思、草图绘制、方案比较、设计计算、绘工程图、样件加工、性能试验、设计改进、重新试验等。一个流程下来不但费时费钱,而且往往需要经过多次反复修改后产品才能定型
随着发动机开发设计目标要求和难度越来越高,对产品性能和可靠性指标要求愈来愈高,产品开发需要考虑的变量不断增加,系统复杂性加大,同时又要求缩短产品开发周期、降低产品开发成本和风险,因此现代发动机的研发,必须对传统以经验+试验的设计方法进行改进,功能强大的CAE技术是非常有效的手段。在国际先进研发机构,CAE技术在发动机开发中得到了越来越广泛的应用,已成为与传统试验相平行的开发手段。
发动机设计开发过程中,CAE分析主要分成固体力学分析和流体力学分析两类,分析的对象主要包括工作过程、冷却、润滑和固体部件等。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。采用CAE技术,可以在设计阶段,对发动机各项指标进行模拟评估,对发动机复杂零部件进行刚度、强度、疲劳、模态、温度、刚体运动、弹性振动分析,达到不经试验即可进行优化设计,从而大大提高"首次设计成功"的概率,缩短设计周期。
尽管目前CAE技术在发动机设计开发领域的应用已经达到了比较高的水平,也涌现了数目众多的CAE分析商用工具,但其仍有待进一步发展。首先面临的问题是如何进一步提高分析的效率和精度。其次是如何体现发动机所涉及的工作介质、材料等的复杂性。最后是如何将计算流体力学、计算燃烧学、计算传热学、固体力学、润滑摩擦学、动力学等多种学科结合起来进行多维多物理场的瞬态耦合研究,即发动机全仿真模拟。
1.3     成功案例
柴油机排气系统设计优化
对排气系统的各关键部件及系统进行CAE分析,包括辐射噪声、振动响应、内部流场、温度场和排放物浓度场以及疲劳等。然后对包括催化转化器和消声器在内的整个排气系统与发动机进行匹配计算,对性能进行优化。最后在发动机台架上进行验证试验,取得了理想的结果。
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