1、精心整理綜述CA豉術的發展和應用引言CAE計算機輔助工程）的特點是以工程和科學問題為背景，建立計算模型并進行計算機仿真分 析。一方面，CA鼓術的應用，使許多過去受條件限制無法分析的復雜問題，通過計算機數值模擬 得到滿意的解答；另一方面，計算機輔助分析使大量繁雜的T程分析問題簡單化，使復雜的過程層次化，節省了大量的時間，避免了低水平重復的工作，使工程分析更快、更準確。在產品的設計、 分析、新產品的開發等方面發揮了重要作用，同時 cAEg一新興的數值模擬分析技術在國外得到了 迅猛發展，技術的發展又推動了許多相關的基礎學科和應用科學的進步。1概論CA鼓術1. 1CA鼓術簡述CA即計算機輔助工程是用計

2、算機輔助求解復雜丁程和產品結構強度、剛度、屈曲穩定性、動 力響應、熱傳導、三維多體接觸、彈塑性等力學性能的分析計算以及結構性能的優化設計等問題的 一種近似數值分析方法。隨著計算機技術的普及和不斷提高，CAE（統的功能和計算精度都有很大提高，各種基于產品數字建模的CAE（統應運而生，并已成為結構分析和結構優化的重要工具，同時也是計算機輔助 4c系統（CAD, CAE CAPP CAM）勺重要環節。CAD計算機輔 助設計）、CAM計算機輔助制造）和CAPP計算機輔助工藝）等都屬于計算機輔助工程（CAE）,而計算 流體動力學CF加有限元分析（FEA）等則是支撐CAE勺分析工具和手段。采用CA鼓術來建

3、立CAE勺幾 何模型和物理模型。完成分析數據的輸入，通常稱此過程為 CAE勺前處理。同樣，CAE勺結果也需要 用CA鼓術生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應力、 溫度、壓力分布的彩色明暗圖，以及隨機械載荷和溫度載荷變化生成位移、應力、溫度、壓力等分 布的動態顯示圖。我們稱這一過程為CAE勺后處理。2. 2CAEJ術發展歷程CAE勺理論基礎有限元法：20世紀40年代起源于土木工程和航空工程中的彈性和結構分析問題 的研究。它的發展可以追溯到 AlexanderHrennikoff（1941） 和Richardcourant（1942） 的工作，他們 的方法具有共

4、同的本質特征：利用網格離散化將一個連續區域轉化為一族離散的子區域，通常叫做元。Hrenflikofr的丁作離散用類似于格子的網格離散區域；Courant的方法將區域分解為有限個三角形的子區域，用于求解來源于圓柱體轉矩問題的二階橢圓偏。Courant的貢獻推動了有限元的發展。19631964#Besseling等確認了有限元法是處理連續介質問題的一種普遍方法。而后，隨著 計算機技術的廣泛應用和發展，有限元技術依靠數值計算方法，才迅速發展起來。近10年來。有限元法的應用范圍有了大幅度的提高，已由簡單的彈性力學的平面問題擴展到空間問題、板殼問題， 由靜力問題擴展到穩定性問題、動力學問題和波動問題；分

5、析對象從彈性材料擴展到塑性、粘塑性 和復合材料，從固體力學擴展到流體力學、傳熱學、電磁學等連續介質力學領域。將有限元分析技術逐漸由傳統的分析和校核擴展到優化設計，并與計算機輔助設計(CAD)ffi計算機輔助制造(CAM)密切結合，形成了現在CA鼓術框架。CA軟件的發展：早期的CAEC件只是計算處理特殊單一問題 的簡單程序。上個世紀60年代開始出現大型通用CAEC件。在此期間世界三大CAEC件公司：MSC SDECPANSYS后成立。196孫Ms公司開發了 sADsAMt構分析軟件。在196外Ms參與美國國家航 空及宇航局(NASA)發起的計算結構分析方法研究，SADsAM正式更名為Ms(ZNA

6、STRAN1967年sDRC 公司成立，在1971年推出商用有限元分析軟件supertab(I DEAs> 1970sAsI公司成立，后來重. rp J ,組后改為稱ANSYS司，開發了 ANSY通用有限元分析軟件。20世紀7080年代是CA鼓術的蓬勃發 展時期，這期間許多CAEC件公司相繼成立。如致力于發展用于高級 1二程分析通用有限元程序的 MAR公司；致力于機械系統仿真軟件開發的 MD公司；針對大結構、流固耦合、熱及噪聲分析的csAR 公司；致力于結構、流體、流固耦合分析的 ADIN公司等等。90年代，各CADC件開發商一方面大力 發展自身CADC件的功能.如CA, 11A、SOU

7、Dw0RKsU制增加了基本的CAEff后處理及簡單的線性、 模態方面通過并購另外的cA耿件來增加其軟件的cA劭能，如PK(PRME)對RAsANJ收購。在cAD 軟件商大力增強其軟件cA劭能的同時，cA弗析軟件也在向cADft攏。如MAc/NATTRAN1994#收 購了 PATRAN為自己的前后處理軟件，并先后開發了與 cAllA、UG?cAEB件的數據接口。ANsY也 在大力發展其軟件的ANsY前后處理功能。sDR公司利用IDEAs!身的cAM能強大的優勢，積極 開發與別的cAD真型傳輸接口。先后投放了與PR”E、UG cArl ' IA等的接口，以保證cAD, cAE勺 相關性。

8、同時cAEt件也在積極擴展本身的功能。ANsYSE其產品擴展為ANsY,NEcHNIcAL ANsYs lS-DYNA ANsYs PREP0s等多個應用軟件。sDR惻在自己的單一分析模型的基礎上先后形 成了多專項應用技術，并將有限元技術與實驗技術有機地結合起來。2CA豉術在內燃機設計中的應用內燃機作為動力機械，其各項指標涉及到燃燒、排放、油耗、密封、強度、噪聲等多方面內容,所以對應的分析也涉及到熱力學、流動力學、動力學、疲勞分析等多個方面。而且內燃機的許多零部件，如曲柄連桿機構和配氣機構的形狀結構、受力，以及發動機的流動、傳熱傳質、燃燒等工作 過程十分復雜。因此建立這些零部件及整機的數學模型

9、是十分困難的， 而求解數學模型則更為閑難。 另外在現代內燃機中由于對內燃機的性能和可靠性指標愈來愈高，其中的一些參數的變化趨勢相互制約，參數優化空間相對變小，研發的風險加大；產品開發需要考慮的變量不斷增加。系統的復雜 性增大；要求縮短產品開發的周期；降低產品開發的成本和風險。為滿足現代內燃機丁業的發展需 要，必須對傳統的“繪圖+經驗+發動機臺架試驗”的設計方法進行改進。按照現代研發的基本流程， 一款內燃機的研發主要包括設計、試驗、試制、投產等階段。cA助析主要涉及設計和試驗階段，設計和驗證階段的數字化開發可細分為概念設計階段、布置設計階段和詳細設計階段。每個階段都包含了數字化設計和驗證工作的并

10、行和協同：設計工程師按照時間進度提交零部件、裝配的子系統 及整機的CADJ計數據；驗證t程師應用CA手段對設計部門提交的CA瞅據進行包括最基本的尺寸和 運動學校核、復雜的動力學分析和功能實現以及最復雜的可靠性分析等進行全方位驗證。3. 1概念設計階段. rp J ,概念設計階段是發動機產品開發流程中進入工程化開發過程的第一階段，也是最重要的階段。理論上來說，有關所開發產品的所有重大決策性問題都要在這一階段內解決。概念設計階段的主要工作有：對前期項目策劃階段完成的市場、 法規、競爭對手和競爭機型調查研究的結果進行分析和 評估，并轉換為概念設計階段的設計輸入；產品設計、工藝設計、生專家們在概念設計

11、階段需協同進行可行性研究工作；根據產品的市場定位和倉業品牌的內涵， 結合當前行業的技術發展水平等因 素。確定所開發產品在性能、質量、成本等方面適當的目標水平、具體指標和規格要求；進行整機 系統總體布置研究；確定產品的總體技術方案和各子系統的總體技術路線等。此階段的cA助析多以一維分析為主，以基本結構和基本參數為輸入，在整機級和各大系統級建立虛擬樣，通過cA附析方法確定發動機的基本性能、冷卻系統布置、曲軸系布置和與整車的匹配等。此階段的cA弗析任務有：內燃機氣體交換過程模擬，此類分析軟件主要有GRPowe庠口AVL-B00st等。內燃機熱動力 學分析和整機性能預測.在氣體交換的基礎上增加發動機缸

12、內燃燒過程的仿真分析，預測發動機的總體性能，如功率、扭矩和燃油消耗率等。然后反過來確定進氣系統、排氣系統、由缸蓋、缸體和 活塞組成的燃燒系統等子系統的主要參數和技術方案。內燃機冷卻系統一維cF防析.此類分析軟件有cT-C砌等。內燃機潤滑系統一維cF防析，此類分析軟件有f10wM艄ter等。裝備該內燃機的整 車的基本性能仿真分析，該類分析軟件主要有 AVL-CmiseffiGRDrive等。2. 2布置設計階段：布置設計階段主要是確定各主要零部件的尺寸和和相互之間的關系及接口，進一步對概念設計階段確定的技術方案進行細化。此階段的cADS計工作主要是根據概念設計階段的cA助真結果建立 內燃機各大子

13、系統的表面模型，確定和建立各大子系統之間的裝配關系和模型等。CA時真分析則需要對所有的概念設計階段的分析模型進行更新， 使之更加具體和復雜，仿真的輸出結果也更加詳 細和準確。同時。增加新的一些cAE©真分析內容和領域，涉及動力學、有限元、cF防析等，如應 用MsC ADAM等行業常用的專業軟件建立分析模型， 首先冊前端輪系和配氣機構子系統的布置設計 結果進行各運動零部件之間的裝配和運動學關系進行檢查和校核.然后開始動力學分析。缸蓋、缸體、曲軸、凸輪軸和連桿五大主要零部件的有限元分析， 常用的分析軟件有Hyperworks、NAsTRAN ABAQus AV- ExCl7I 等。2.

14、3詳細設計階段：詳細設計階段，數字化開發范圍將覆蓋所有新設計零部件的全部特性，包括如詳細的尺寸、尺寸和幾何公差、設計基準、表面粗糙度、熱處理和材料技術條件等， 在詳細設計階段結束時將保證. rp J ,每一個零部件的cADS計數據（包括i維實體設計數據和二維平面設計數據）將能具體指導工廠的生 產制造，因此，cADS計的工作量急劇增長，成為詳細設計階段的主要 1二作。同時，在詳細設計階 段將應用CA分析手段對所有新設計零部件的CADJ計進行分析和驗證，以確保在數字化開發階段解 決每個新設計的零部件以及從零部件到各子系統、最后到整機的每個層次都不存在問題。此階段，CA分析的首要任務是對前兩個階段所

15、有的分析模型根據詳細設計階段能夠獲得的最 全面的設計信息進行最后的更新和拓展，進一步更準確地驗證各零部件、系統和整機的功能和特性。 比如在概念設計和布置設計階段進行的發動機氣體交換一維 cF防析的基礎上將 進一步拓展和更新到進行一維或三維的進排氣噪聲分析，進排氣系統和發動機缸內流動的二三維cFD分析。目的是從三維角度考察發動機的氣體交換過程和流體在發動機缸內的流動過程，保證發動機各缸進排氣的均勻度和發動機缸內流動的最佳化，以及在保證發動機性能設計指標的前提下盡量降 低發動機的進排氣噪聲。在詳細設計階段所有零部件和子系統新的 CADJ計都必須經CA時真分析驗 證，確保任何設計問題解決后，開發流程

16、才能進入樣機制造和驗證階段。2. 4試驗驗證階段試驗驗證階段按照開發流程，當設計完成后，就根據設計圖紙制作樣機并進行組裝， 然后按照相關試驗方法對樣機的性能進行考核，并不斷優化。此階段的cA助析多以輔助試驗為主，針對試驗中出現的問題，查找原因，并提出優化建議。精心整理2. 5應用軟件匯集計算程序一般分為三類：大型通用程序、專用程序和自編程序。所謂通用程序，它的特點就是“通用性”。通用有限元程序（如NASTRANANsYs HYPERw0Rl（籌）一般都能提供與cADB件（如P”D, Engineer、uG cAllA等）的接口，將CAD1型自動轉換為適于有限元分析的模型。內燃機以計算 機仿真為

17、手段的工程分析技術，主要內容包括有限元分析法、邊界元法、運動機構分析、氣動或流場分析、電磁場分析等，其中有限元分析應用最廣泛。內燃機研發一般都使用專業的有限元分析（FEA） 商業軟件，目前世界上大型的結構分析軟件主要有：ABAQus ANsYS Msc.、Msc. Marc等。AVLRicardo、FE冷世界著名的發動機研發機構都開發了專業的發動機模擬軟件。其中 AV公司的系列 軟件包括：F1R1發動機計算流體動力學cFDt件、BOOST發動機熱力循環分析軟件、ExcITE一發 動機動力學和聲學計算軟件、EXCIrI'E de8i期e一曲軸組件的設計分析模塊、TYc0N配氣結構計 算軟件、GLIDE活塞副動力學分析軟件、HYDsIM燃油噴射系統模擬軟件。3結束語. rp J ,以上首先論述了 cAEK術的概念和發展，而后結合現代內燃機產品開發流程，簡要介紹了概念 設計、布置設計、詳細設計階段