基于數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的柴油機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)化

楊維峰

一、引言

隨著車用動(dòng)力強(qiáng)化水平的提高和裝備對(duì)高可靠性動(dòng)力產(chǎn)品的需求，高性能、高緊湊和高可靠之間的矛盾越來越突出。運(yùn)用總體設(shè)計(jì)理論與方法（包括集成方法、仿真模擬方法和綜合比較方法等），將柴油機(jī)作為若干分系統(tǒng)有機(jī)結(jié)合的整體來設(shè)計(jì)，頂層規(guī)劃、系統(tǒng)覆蓋、綜合協(xié)調(diào)、折衷權(quán)衡和反復(fù)迭代，以求得總體最優(yōu)方案。總體設(shè)計(jì)過程集中體現(xiàn)在解決先進(jìn)技術(shù)應(yīng)用與工程實(shí)現(xiàn)的矛盾，采用先進(jìn)方法及其支撐技術(shù)，改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、增加對(duì)產(chǎn)品性能的了解，使得其產(chǎn)品獲得最短的開發(fā)周期、最低的成本和最高的性能。數(shù)字樣機(jī)的創(chuàng)建是一個(gè)自上而下全相關(guān)的總體設(shè)計(jì)。

柴油機(jī)使用以知識(shí)工程為依托、CAD/ CAE集成技術(shù)為基礎(chǔ)、多種學(xué)科技術(shù)為手段的基于數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)方法，制定完善的現(xiàn)代流程和規(guī)范方法，進(jìn)行柴油機(jī)曲軸、連桿、凸輪軸、機(jī)體和氣缸蓋等關(guān)鍵件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)以及進(jìn)排氣、冷卻和潤(rùn)滑等系統(tǒng)的優(yōu)化匹配，在建立物理樣機(jī)前通過對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行仿真、分析和產(chǎn)品優(yōu)化，提前進(jìn)行產(chǎn)品性能的預(yù)測(cè)和評(píng)估，減少物理樣機(jī)階段的研究工作，節(jié)省了研制時(shí)間和費(fèi)用，提高了柴油機(jī)產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性，完成了從依靠個(gè)人“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”到基于企業(yè)核心能力“預(yù)測(cè)設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變，使車用動(dòng)力的研發(fā)逐步向“一次成功”方向發(fā)展。

二、數(shù)字樣機(jī)技術(shù)

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)是以 CAX（以計(jì)算機(jī)為輔助手段的各種技術(shù)）/DFX（面向產(chǎn)品生命周期各環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)）技術(shù)為基礎(chǔ)，以機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)和控制理論為核心，融合三維圖形處理和造型技術(shù)、多領(lǐng)域仿真技術(shù)以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和分析過程集成在一起，使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)者、制造者和使用者在產(chǎn)品的早期可以直觀形象地對(duì)數(shù)字化產(chǎn)品原型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化、性能測(cè)試、制造仿真和使用仿真，為產(chǎn)品的研發(fā)提供全新的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。

數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的研究核心是利用計(jì)算機(jī)輔助分析技術(shù)進(jìn)行機(jī)械系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，運(yùn)動(dòng)學(xué)著重于分析產(chǎn)品機(jī)構(gòu)的可動(dòng)性和運(yùn)動(dòng)軌跡，通過動(dòng)力學(xué)分析獲得產(chǎn)品機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)過程中各運(yùn)動(dòng)副的動(dòng)反力是強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)。完整的柴油機(jī)數(shù)字樣機(jī)是最終產(chǎn)品的真實(shí)數(shù)字仿真，可進(jìn)行工程分析、優(yōu)化，確定最佳設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)值，獲得最佳綜合性能。

（1）運(yùn)動(dòng)分析。驗(yàn)證曲軸連桿機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)在空間運(yùn)動(dòng)過程中物理位置的準(zhǔn)確性，分析各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)間隙，運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)性等，對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中幾何元素或運(yùn)動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的位移、速度和加速度等進(jìn)行數(shù)值分析。

（2）性能參數(shù)匹配分析。結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用數(shù)字化分析工具，開展柴油機(jī)工作過程中各性能參數(shù)的匹配分析，進(jìn)行進(jìn)排氣、冷卻、潤(rùn)滑和供油等子系統(tǒng)的參數(shù)匹配。

（3）空間結(jié)構(gòu)分析。實(shí)施干涉檢查、間隙檢查、關(guān)鍵截面分析和測(cè)量空間分析，使設(shè)計(jì)者能夠直觀地了解到樣機(jī)中存在的問題，如通過設(shè)定柴油機(jī)各零部件的熱物理參數(shù)，計(jì)算柴油機(jī)不同狀態(tài)下的間隙變化。

（4）裝配分析。按照物理樣機(jī)的裝配工藝、工裝，模擬其裝配過程，動(dòng)態(tài)檢測(cè)零件及其裝配工裝在裝配和拆檢過程中是否干涉，并分析裝配間隙；分析柴油機(jī)整機(jī)的結(jié)構(gòu)及其在裝配過程中的空間要求，驗(yàn)證裝配順序、裝配路徑，為定義、預(yù)測(cè)和分析零件加工公差、技術(shù)要求提供數(shù)據(jù)支撐；確認(rèn)部件、組裝過程中各零件的裝配順序和位置保證的優(yōu)先級(jí)等，并提出關(guān)鍵要素和措施的保證手段和檢驗(yàn)準(zhǔn)則；模擬柴油機(jī)部件級(jí)整機(jī)安裝及拆卸過程，減少因設(shè)計(jì)考慮欠缺造成的改進(jìn)或返工；按照物理樣機(jī)維護(hù)、測(cè)試要求，模擬其維修、測(cè)試過程。

（5）工藝性評(píng)估。評(píng)估數(shù)字樣機(jī)構(gòu)建工藝性，包括樣機(jī)在臺(tái)架的協(xié)調(diào)、面向制造的設(shè)計(jì)（Design forManufacturing，DFM）、面向裝配的設(shè)計(jì)（Design forAssembly，DFA）和容差分析等。

（6）設(shè)計(jì)優(yōu)化。考慮零部件制造方法、材料屬性，進(jìn)行以下幾方面的設(shè)計(jì)優(yōu)化：通過剛強(qiáng)度分析、流場(chǎng)分析、溫度場(chǎng)分析、疲勞壽命分析等對(duì)零部件、子系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、重量和外形進(jìn)行優(yōu)化；通過運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析對(duì)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行分析，優(yōu)化運(yùn)動(dòng)件的重量、形狀及負(fù)荷；在裝配分析的基礎(chǔ)上給出優(yōu)化的裝配順序、裝配路徑，提高裝配效率和人機(jī)有效性，改善維修性和測(cè)試性。

（7）制造分析和數(shù)字化制造。按照相關(guān)規(guī)范建立柴油機(jī)零部件模型，使模型包含完整的、與實(shí)物零部件一致的制造過程信息，支持以下幾方面的制造分析和制造：零部件模型在數(shù)字化制造過程中的直接使用，如幾何形狀、形位公差檢查、模具制造和加工尺寸提取等；零部件制造 CAM仿真及制造過程優(yōu)化、工藝 CAPP編制及優(yōu)化。

三、CAD/CAE集成技術(shù)

CAD是人與計(jì)算機(jī)緊密配合的問題求解技術(shù)，各自發(fā)揮所長(zhǎng)使其工作優(yōu)于每一方，為應(yīng)用多學(xué)科方法的綜合性協(xié)作提供了可能。廣義的 CAD是指 CAD/CAE/CAM的高度集成，包括二維繪圖設(shè)計(jì)、三維幾何造型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品數(shù)字化裝配、有限元分析（FEA）及優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)模擬、數(shù)控加工編程（NCP）及產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM）等內(nèi)容。

現(xiàn)代復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)是一個(gè)跨越多學(xué)科的高度迭代的過程，涉及到多專業(yè)信息的集成、多學(xué)科團(tuán)隊(duì)的協(xié)同設(shè)計(jì)，涉及到多個(gè)不同子系統(tǒng)。子系統(tǒng)之間的互操作包括數(shù)據(jù)互操作和功能互操作，是指異構(gòu)環(huán)境中兩個(gè)或兩個(gè)以上的子系統(tǒng)，盡管它們實(shí)現(xiàn)的功能、執(zhí)行的環(huán)境和所基于的數(shù)據(jù)模型不同，各子系統(tǒng)之間有交互耦合作用，但可以進(jìn)行相互通信和協(xié)作，共同組成完整的功能系統(tǒng)，完成某一特定的產(chǎn)品開發(fā)活動(dòng)。數(shù)據(jù)互操作主要是傳統(tǒng)意義上的幾何數(shù)據(jù)交換，可以通過標(biāo)準(zhǔn)格式的轉(zhuǎn)換形式傳輸數(shù)據(jù)文件，比如 IGES和 STEP等標(biāo)準(zhǔn)化的結(jié)構(gòu)幾何模型數(shù)據(jù)文件或者 CAD系統(tǒng)的專用文件格式（如 AutoCAD的 dxf或 dwg文件、Pro/ENGINEER的 prt等）；而功能互操作是指系統(tǒng)的某些功能可以被其它系統(tǒng)所共享和直接調(diào)用，能夠?qū)崿F(xiàn)更加緊密的異構(gòu)系統(tǒng)功能集成?；趹?yīng)用系統(tǒng)間的、完全的且可以實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳遞的集成方式是集成技術(shù)未來的發(fā)展趨勢(shì)。

參數(shù)化的 CAD/CAE集成和參數(shù)化動(dòng)態(tài) CAE建模和分析技術(shù)，可以將參數(shù)化的造型技術(shù)引入到結(jié)構(gòu)有限元分析或者優(yōu)化設(shè)計(jì)中，CAE系統(tǒng)可以直接調(diào)用三維 CAD系統(tǒng)的參數(shù)化造型功能，分析的結(jié)果會(huì)對(duì)原有部件自動(dòng)進(jìn)行修改，從而實(shí)現(xiàn)反復(fù)迭代的設(shè)計(jì)優(yōu)化過程。在設(shè)計(jì)階段早期快速地對(duì)不同方案和設(shè)計(jì)變動(dòng)進(jìn)行數(shù)字化仿真、分析與驗(yàn)證，適應(yīng)現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)特性，如系列化設(shè)計(jì)、模型修改與重分析的要求，為快速響應(yīng)設(shè)計(jì)提供有力的技術(shù)工具。

目前，ANSYS、NASTRAN和 MARC等大多數(shù)有限元分析軟件已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了 CAD/CAE的集成。ANSYS可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析，能與多數(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件接口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享和交換。多物理場(chǎng)耦合ANSYS Workbench的分析功能較為全面，通過 ANSYSFatigue Module模塊進(jìn)行疲勞分析，ANSYS Design Explorer進(jìn)行多目標(biāo)快速優(yōu)化。利用 ANSYS CFX流場(chǎng)計(jì)算分析軟件進(jìn)行 CFD流場(chǎng)計(jì)算，獲得零件表面動(dòng)態(tài)的壓力場(chǎng)、溫度場(chǎng)分布；在復(fù)雜空間流固耦合分析軟件（集成CFD流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度耦合計(jì)算）把各個(gè)場(chǎng)分布動(dòng)態(tài)載荷施加到計(jì)算零件上，然后用 ANSYS結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算和可靠性分析，并可以通過 Workbench將結(jié)構(gòu)受力變形結(jié)果直接施加到 ANSYS CFX中，以得到結(jié)構(gòu)變形對(duì)流體結(jié)果的影響。在同一環(huán)境下同時(shí)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、熱、流體分析及結(jié)構(gòu)-熱-流體多物理場(chǎng)耦合分析，把流場(chǎng)計(jì)算、溫度場(chǎng)計(jì)算、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析以及三者結(jié)合的流固、溫度應(yīng)力耦合分析等仿真分析技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品的研發(fā)過程中。

復(fù)雜產(chǎn)品的建模與仿真正朝著多領(lǐng)域統(tǒng)一建模與協(xié)同仿真的方向發(fā)展。數(shù)字樣機(jī)多學(xué)科建模仿真是將機(jī)械、控制等多個(gè)不同學(xué)科領(lǐng)域的模型相互耦合成為一個(gè)更大的模型，通過將不同學(xué)科但相互關(guān)聯(lián)的仿真分析軟件集成起來，規(guī)范多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型和算法的接口標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)不同領(lǐng)域仿真軟件之間以中間文件的形式或利用 SDK進(jìn)行二次開發(fā)的方式，進(jìn)行整體的仿真和分析。典型的數(shù)據(jù)格式，如用于控制機(jī)構(gòu)一體化仿真以及其它仿真的動(dòng)態(tài)鏈接庫文件（dll），該文件中包含采用變量表示的函數(shù)信息；用于剛彈耦合分析的模態(tài)中性文件（mnf）中包含采用 [M]、[K]、[X]和振型矩陣表示的彈性體信息。

四、優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

產(chǎn)品建模與仿真分析的最終目的是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)與數(shù)值仿真的結(jié)合是該領(lǐng)域的重要趨勢(shì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)（Optimal Design）是在滿足設(shè)計(jì)要求的眾多設(shè)計(jì)方案中選出最佳設(shè)計(jì)方案的設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本思想是以數(shù)學(xué)中的最優(yōu)化（Design Optimization）理論為基礎(chǔ)，把設(shè)計(jì)人員的判斷決策能力與計(jì)算機(jī)程序依據(jù)某種最優(yōu)化算法自動(dòng)尋找最優(yōu)設(shè)計(jì)的功能相結(jié)合，根據(jù)已知的給定參數(shù)，在可行設(shè)計(jì)域進(jìn)行搜索，求出滿足全部約束條件并使目標(biāo)函數(shù)取最小值的設(shè)計(jì)變量的解，使產(chǎn)品的指標(biāo)或性能達(dá)到最期望的目標(biāo)。

柴油機(jī)設(shè)計(jì)是典型的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)過程涉及結(jié)構(gòu)、流體、燃燒、熱和電控等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，大多是多物理場(chǎng)、多學(xué)科耦合過程，計(jì)算分析內(nèi)容較多，需要引入多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的思想方法。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MultidisciplinaryDesign Optimization，MDO）是一種通過充分探索和利用工程系統(tǒng)中相互作用的協(xié)同機(jī)制來設(shè)計(jì)復(fù)雜系統(tǒng)和子系統(tǒng)的方法論。其主要思想是在復(fù)雜工程系統(tǒng)的整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，利用各個(gè)學(xué)科（子系統(tǒng)）之間的相互作用所產(chǎn)生的協(xié)同效應(yīng)，從整個(gè)系統(tǒng)的角度優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)雜的產(chǎn)品系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)整體最優(yōu)性能。美國(guó)國(guó)家航空航天局（National Aeronauticsand Space Administration，NASA）美籍波蘭裔科學(xué)家J·Sobieszczanski-Sobieski在大型結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題求解中首次提出多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化這一設(shè)想。MDO有以下幾項(xiàng)研究和實(shí)施的內(nèi)容。

（1）設(shè)計(jì)表達(dá)與分解。包括系統(tǒng)需求和功能方案的確定、問題的定義與設(shè)計(jì)問題的目標(biāo)函數(shù)描述、參數(shù)化幾何模型的建模技術(shù)、子系統(tǒng)的劃分和組織優(yōu)化技術(shù)等。復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題首先經(jīng)過問題描述，建立問題的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，再經(jīng)過系統(tǒng)分解，將復(fù)雜系統(tǒng)分解為多個(gè)學(xué)科級(jí)子問題。

（2）分析能力與近似方法。包括設(shè)計(jì)的廣度和深度要求、逼真度的分析和試驗(yàn)有效集成、近似與修正的方法、面向設(shè)計(jì)的分析和靈敏度的計(jì)算能力等。每一個(gè)學(xué)科的子優(yōu)化模型，應(yīng)用各自的分析工具（如仿真工具）對(duì)問題進(jìn)行學(xué)科分析。學(xué)科分析所用分析模型是比較精確的，要反復(fù)進(jìn)行。在整個(gè)的系統(tǒng)優(yōu)化過程中，往往使用近似模型替代學(xué)科分析中較精確模型，采用有效的近似方法來處理多領(lǐng)域?qū)W科間的耦合關(guān)系。對(duì)于一些連續(xù)變量的特殊問題，可以使用靈敏度分析來協(xié)調(diào)求解系統(tǒng)優(yōu)化。

（3）信息管理與處理。包括 MDO框架與體系結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)庫、計(jì)算需求、人機(jī)接口界面及集成環(huán)境等。大多采用多級(jí)優(yōu)化框架來求解系統(tǒng)優(yōu)化問題。不管是系統(tǒng)級(jí)還是學(xué)科級(jí)優(yōu)化求解策略，使用各種優(yōu)化算法在設(shè)計(jì)空間中搜索優(yōu)化解，進(jìn)行結(jié)果分析。

（4）MDO的管理與文化實(shí)施。柴油機(jī)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)過程如圖 1所示。

五、柴油機(jī)產(chǎn)品研發(fā)數(shù)字化技術(shù)平臺(tái)

天舟COMAN是國(guó)內(nèi)用于復(fù)雜產(chǎn)品開發(fā)的自動(dòng)化平臺(tái)，可以為復(fù)雜產(chǎn)品生命周期中的關(guān)鍵設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)（如總體方案設(shè)計(jì)、部件原理設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、基于數(shù)字樣機(jī)的分析仿真等）提供管理工具。2008年，研究人員以天舟COMAN為基礎(chǔ)，封裝集成數(shù)十種柴油機(jī)設(shè)計(jì)、仿真和計(jì)算工具軟件，嵌入上百種多學(xué)科專業(yè)設(shè)計(jì) /仿真流程，容納數(shù)十種專業(yè)設(shè)計(jì)規(guī)范等設(shè)計(jì)知識(shí)，融合、繼承專業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念，構(gòu)造出支持柴油機(jī)多學(xué)科設(shè)計(jì) /仿真的專業(yè)集成設(shè)計(jì)環(huán)境和自主創(chuàng)新研發(fā)核心能力平臺(tái)。

在柴油機(jī)產(chǎn)品研發(fā)技術(shù)平臺(tái)中，數(shù)字化仿真技術(shù)的應(yīng)用分為關(guān)鍵零件快速設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)和復(fù)雜系統(tǒng)多場(chǎng)耦合分析系統(tǒng)。關(guān)鍵零件快速設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)主要應(yīng)用于柴油機(jī)概念設(shè)計(jì)階段，可以同時(shí)完成最多 10個(gè)設(shè)計(jì)方案的快速仿真，實(shí)現(xiàn)多方案擇優(yōu)。計(jì)算完成后自動(dòng)生成計(jì)算結(jié)果及分析報(bào)告，提交到仿真數(shù)據(jù)庫中。復(fù)雜系統(tǒng)多場(chǎng)耦合分析系統(tǒng)求解是把一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)問題分解為多個(gè)子問題，使用不同的軟件對(duì)這些子問題進(jìn)行分析和計(jì)算，而且封裝成可重用的組件通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，使用系統(tǒng)客戶端從服務(wù)器中訪問這些組件，并通過圖形界面連接，建立起各個(gè)組件之間的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，使其裝配成一個(gè)能解決復(fù)雜系統(tǒng)問題的工作流，利用數(shù)據(jù)在各個(gè)組件間的自動(dòng)傳遞，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜問題的自動(dòng)仿真過程。

CAE作為產(chǎn)品開發(fā)和優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)手段應(yīng)該與工程經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫集成。仿真過程中產(chǎn)生的仿真模板、仿真參數(shù)、仿真模型和仿真結(jié)果等數(shù)據(jù)，應(yīng)根據(jù)制定的模板和相應(yīng)的技術(shù)要求進(jìn)行管理。仿真模板指從成熟仿真流程和任務(wù)中提取出來的規(guī)范化仿真實(shí)施流程，是具體仿真任務(wù)的知識(shí)積累。針對(duì)特定的仿真模板，給出具體任務(wù)的幾何模型和邊界條件，可生成任務(wù)的仿真模型，并依據(jù)規(guī)范化的流程獲得仿真結(jié)果。通過模板管理實(shí)現(xiàn)流程管理和知識(shí)重用，可以方便快捷地?cái)U(kuò)充快速仿真和復(fù)雜仿真功能，而不需要對(duì)軟件進(jìn)行源代碼開發(fā)。因此，仿真模板是為開展流程化快速仿真和復(fù)雜仿真開發(fā)的腳本，以文件形式存在；仿真參數(shù)是仿真模型中涉及的幾何模型信息、材料性能、載荷和約束信息等相關(guān)參數(shù)，以文本或數(shù)據(jù)的形式存在；仿真模型是進(jìn)行仿真分析建立的物理模型、數(shù)學(xué)模型及軟件模型，以文本或文件的形式存在；仿真結(jié)果是仿真計(jì)算分析的結(jié)果文件、分析報(bào)告等，均以文件形式存在。

六、柴油機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

優(yōu)化設(shè)計(jì)一般包括總體方案優(yōu)化和設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化?？傮w方案優(yōu)化（總體布局、結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)模型的優(yōu)化）的主要任務(wù)是建立和處理知識(shí)模型，進(jìn)行基于專家系統(tǒng)的復(fù)雜機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案非數(shù)值知識(shí)的優(yōu)化處理，通過人工智能、專家系統(tǒng)、模糊評(píng)判和決策等方法進(jìn)行推理獲得合理的設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化（產(chǎn)品零件結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)的優(yōu)化等）的主要任務(wù)是建立正確的優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，設(shè)法求得最優(yōu)值。柴油機(jī)的設(shè)計(jì)參數(shù) CAD/CAE聯(lián)合優(yōu)化過程如圖 2所示，通常需要經(jīng)過以下步驟來完成，而且自動(dòng)化程度越來越高。

1.準(zhǔn)備階段

根據(jù)實(shí)際問題近似確立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案。應(yīng)根據(jù)仿真任務(wù)目標(biāo)，確定仿真問題類型、仿真模型簡(jiǎn)化程度、仿真模型載荷和約束條件等。仿真模型是根據(jù)具體仿真任務(wù)建立的數(shù)字化模型，包括幾何模型、邊界條件、初始條件和計(jì)算設(shè)置等內(nèi)容。幾何模型指與柴油機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的 CAD模型，可以是一維、二維或三維模型，可以采用多種CAD建模工具創(chuàng)建。幾何模型為仿真模型指定具體的計(jì)算區(qū)域和邊界位置。

2.參數(shù)化建模

將機(jī)械設(shè)計(jì)實(shí)際問題抽象成為優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，把將要參與優(yōu)化的數(shù)據(jù)（設(shè)計(jì)變量）定義為模型參數(shù)，為以后軟件修正模型提供可能。應(yīng)根據(jù)仿真任務(wù)要求，進(jìn)行建立數(shù)學(xué)模型、確定計(jì)算域和邊界條件以及設(shè)置計(jì)算參數(shù)等工作。

（1）建立有限元模型。導(dǎo)入通過 CAD軟件造型功能建立的實(shí)體模型，也可以直接在有限元分析軟件中建模。初始的幾何模型需要遵守仿真對(duì)模型的技術(shù)要求，突出主要問題，忽略次要附屬件。對(duì)整個(gè)復(fù)雜的工程結(jié)構(gòu)連續(xù)體問題區(qū)域進(jìn)行分解，每個(gè)子區(qū)域都成為通過指定節(jié)點(diǎn)相互連接的簡(jiǎn)單部分（有限元），習(xí)慣上稱單元剖分為有限元網(wǎng)格劃分。建立有限元模型時(shí)對(duì)單元類型選取和網(wǎng)格劃分應(yīng)統(tǒng)一考慮，開展網(wǎng)格收斂性分析，網(wǎng)格的劃分密度要保障幾何體形狀不致太過失真，依據(jù)計(jì)算能力和水平進(jìn)行網(wǎng)格劃分和求解規(guī)模限制。通常在模型加密到一定程度時(shí)，計(jì)算結(jié)果的變化范圍已經(jīng)小于一定的百分比（如 5%），此時(shí)繼續(xù)對(duì)模型進(jìn)行加密并不能帶來計(jì)算精度的進(jìn)一步提升，此時(shí)的網(wǎng)格尺寸就是合理的。

（2）材料設(shè)置。依據(jù)仿真模型要求和結(jié)構(gòu)材料特性進(jìn)行設(shè)置，如結(jié)構(gòu)靜力分析設(shè)置材料彈性模量和泊松比。

（3）設(shè)置邊界條件。結(jié)構(gòu)分析主要包括載荷邊界和約束邊界條件。約束邊界條件包括位移約束邊界條件（有位移約束，對(duì)稱約束等）和接觸邊界條件。結(jié)構(gòu)承受載荷應(yīng)依據(jù)模型實(shí)際工作條件和簡(jiǎn)化方法進(jìn)行設(shè)置：①集中力，施加于模型節(jié)點(diǎn)的集中載荷；②表面載荷，施加于某個(gè)表面上的分布載荷；③體積載荷，體積的或場(chǎng)載荷；④慣性載荷，由物體慣性引起的載荷，如重力加速度，角速度和角加速度；⑤耦合場(chǎng)載荷，以上載荷的一種特殊情況，從一種分析得到的結(jié)果用作另一分析的載荷。

（4）設(shè)置求解器。實(shí)現(xiàn)數(shù)字樣機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)性能分析的關(guān)鍵，在于運(yùn)動(dòng)學(xué)動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算和高效求解器的實(shí)現(xiàn)。根據(jù)不同類型的求解問題和計(jì)算軟件，選擇對(duì)應(yīng)的求解器。設(shè)定不同的接觸摩擦求解類型，疲勞壽命預(yù)估算法以及根據(jù)結(jié)果后處理需求設(shè)定仿真輸出參量和形式。

3.求解

應(yīng)用最優(yōu)化計(jì)算方法的程序在計(jì)算機(jī)上求解參數(shù)化CAD模型。針對(duì)具體任務(wù)，以命令流或文件方式提交分析軟件進(jìn)行計(jì)算求解，并以命令流或窗口交互方式對(duì)計(jì)算過程進(jìn)行監(jiān)控。

4.后處理

對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理和分析，利用有限元分析軟件后處理的圖形功能，顯示溫度分布圖、變形圖和應(yīng)力分布圖，從中找出最高溫度，最大變形、最大應(yīng)力以及壽命最低區(qū)域，根據(jù)相應(yīng)的評(píng)價(jià)準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)估，以圖片或表格形式匯總，并依據(jù)應(yīng)用要求提供仿真分析報(bào)告。

5.優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià)

優(yōu)化處理器根據(jù)本次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)（設(shè)計(jì)變量、約束條件及目標(biāo)函數(shù)等）與上次循環(huán)提供的優(yōu)化參數(shù)作比較之后確定該次循環(huán)目標(biāo)函數(shù)是否達(dá)到了最小，或者結(jié)構(gòu)是否達(dá)到最優(yōu)，如果達(dá)到最優(yōu)，則完成迭代，推出優(yōu)化循環(huán)圈。否則，根據(jù)已完成的優(yōu)化循環(huán)和當(dāng)前優(yōu)化變量的狀態(tài)修正設(shè)計(jì)變量，重新投入循環(huán)。

七、柴油機(jī)多學(xué)科仿真分析

基于數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的柴油機(jī)研發(fā)，需要進(jìn)行概念設(shè)計(jì)階段的柴油機(jī)熱力學(xué)分析、曲柄連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、動(dòng)力學(xué)分析等，方案設(shè)計(jì)階段的柴油機(jī)剛度分析、振動(dòng)噪聲分析、性能分析和可靠性分析等，還要進(jìn)行內(nèi)部冷卻液體及外部循環(huán)分析、潤(rùn)滑液體流場(chǎng)分析以及進(jìn)排氣系統(tǒng)空氣流場(chǎng)分析等。柴油機(jī)結(jié)構(gòu)仿真是指利用柴油機(jī)整體或零部件物理、數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值計(jì)算方法獲得柴油機(jī)工作狀態(tài)下位移、應(yīng)力、應(yīng)變等的過程。柴油機(jī)關(guān)鍵件（以氣缸蓋為例）結(jié)構(gòu)仿真一般分為剛強(qiáng)度分析、模態(tài)分析、熱分析和疲勞分析。

（1）剛強(qiáng)度分析（也稱靜力學(xué)分析）包括線性和非線性分析，用于求解靜力載荷（或準(zhǔn)靜態(tài)載荷）作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移和變形等。

比如，分析氣缸蓋在螺栓預(yù)緊力、氣門座圈裝配過盈力和最大燃燒壓力作用下的應(yīng)力和變形情況，對(duì)氣缸蓋水腔、氣道壁和鼻梁區(qū)等關(guān)鍵位置的強(qiáng)度進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)氣缸蓋底板和氣門座圈變形進(jìn)行剛度評(píng)估。

（2）模態(tài)分析用于確定結(jié)構(gòu)或零部件的內(nèi)稟振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，同時(shí)，也可以作為其它動(dòng)力學(xué)分析問題的起點(diǎn)，包括瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析、諧響應(yīng)分析和譜分析等。

對(duì)于整體式氣缸蓋，要分析其自由模態(tài)頻率和振型等基礎(chǔ)動(dòng)力學(xué)特性，為氣缸蓋動(dòng)力學(xué)響應(yīng)分析和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（3）熱分析主要是指根據(jù)流場(chǎng)計(jì)算給定的換熱邊界條件或經(jīng)驗(yàn)公式換熱邊界條件，對(duì)機(jī)體和氣缸蓋的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，為其它的結(jié)構(gòu)仿真分析提供熱邊界條件。

要分析氣缸蓋在高溫燃?xì)?、冷卻液及外界環(huán)境影響下的溫度和熱應(yīng)力分布，評(píng)估氣缸蓋在機(jī)械載荷和溫度載荷共同作用下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，并可為疲勞仿真提供溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。

（4）疲勞分析是指對(duì)結(jié)構(gòu)件在交變載荷作用下的疲勞強(qiáng)度和壽命進(jìn)行分析和預(yù)估，可根據(jù)材料疲勞破壞前所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù) Nf不同，分為高周疲勞（Nf> 1×105）和低周疲勞（Nf< 1×104～105）；或根據(jù)載荷工況和工作環(huán)境的不同分為機(jī)械疲勞、熱疲勞和熱 -機(jī)耦合疲勞等。

首先對(duì)氣缸蓋進(jìn)行機(jī)械疲勞仿真，評(píng)估氣缸蓋在單純機(jī)械載荷作用下的疲勞強(qiáng)度和壽命是否滿足設(shè)計(jì)要求；然后開展熱 -機(jī)耦合疲勞仿真，重點(diǎn)評(píng)估氣缸蓋火力面鼻梁區(qū)抵抗熱 -機(jī)耦合疲勞破壞的能力。

八、幾點(diǎn)體會(huì)

在柴油機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中，無論是數(shù)字樣機(jī)的自頂向下模塊化設(shè)計(jì)，F(xiàn)EA的有限元離散法，還是 MDO的系統(tǒng)分解，都體現(xiàn)著“集成 /分解”的理念。用先進(jìn)的優(yōu)化方法和算法搜索、選擇最優(yōu)設(shè)計(jì)方案，用基于 CAD/CAE的集成技術(shù)，結(jié)合柴油機(jī)數(shù)字樣機(jī)進(jìn)行多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，不僅提高了柴油機(jī)設(shè)計(jì)水平，還可以優(yōu)化設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)環(huán)境。

（1）通過數(shù)字樣機(jī)自動(dòng)化設(shè)計(jì)流程，設(shè)計(jì)過程系統(tǒng)化，采用多目標(biāo)機(jī)制平衡學(xué)科間影響，探索整體最優(yōu)解，使所有設(shè)計(jì)參與人員都了解到其它學(xué)科的約束要求和優(yōu)化目標(biāo)，在設(shè)計(jì)初始樹立全局觀點(diǎn)。學(xué)科協(xié)同和并行設(shè)計(jì)能夠?qū)螌W(xué)科（領(lǐng)域）的分析優(yōu)化與整個(gè)系統(tǒng)中相互耦合的學(xué)科分析優(yōu)化結(jié)合起來，采用優(yōu)化策略對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)空間進(jìn)行搜索和整體權(quán)衡考慮，集成地進(jìn)行多學(xué)科分析，減少了計(jì)算復(fù)雜性。并行協(xié)同地設(shè)計(jì)優(yōu)化數(shù)字樣機(jī)，可以方便地實(shí)現(xiàn)上下游并行設(shè)計(jì)和多專家協(xié)同設(shè)計(jì)，有效地降低了設(shè)計(jì)組織復(fù)雜性，保證了數(shù)字樣機(jī)的模擬仿真精度。

（2）通過引入網(wǎng)絡(luò)化、信息化技術(shù)，建立柴油機(jī)研發(fā)信息網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)在 CAD/CAE之間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)和數(shù)據(jù)共享，進(jìn)行完整產(chǎn)品定義數(shù)據(jù)的快速交換，避免了產(chǎn)品描述等重復(fù)性工作，有效地解決了柴油機(jī)行業(yè)中的資源重復(fù)配置和信息孤島問題，為在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下實(shí)施遠(yuǎn)程異地設(shè)計(jì)制造提供有效的技術(shù)支持，有利于應(yīng)對(duì)大數(shù)據(jù)時(shí)代帶來的新挑戰(zhàn)。

（3）學(xué)科（子系統(tǒng)）集成既可以把可靠性、維修性、保障性、安全性、測(cè)試性以及環(huán)境適應(yīng)性貫穿到整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，又能有效地組織和管理整個(gè)優(yōu)化過程，是一種很有潛力的系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)技術(shù)。

九、結(jié)語

現(xiàn)代設(shè)計(jì)和優(yōu)化技術(shù)有力地推動(dòng)了系統(tǒng)集成和匹配研究的深入開展，大幅度提高了動(dòng)力裝置的功率密度和系統(tǒng)總成之間的優(yōu)化匹配。高功率密度柴油機(jī)是在高功率的基礎(chǔ)上進(jìn)行高緊湊的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用高應(yīng)力材料進(jìn)行整體式系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)，減少無效空間，實(shí)現(xiàn)了功率最大、體積最小、質(zhì)量最輕、成本最低。通過對(duì)柴油機(jī)各組成分系統(tǒng)進(jìn)行集成化、系列化、模塊化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到整個(gè)裝備的高緊湊性、高機(jī)動(dòng)性的要求，使柴油機(jī)的單位體積功率、單位排量功率達(dá)到最高水平，加快了產(chǎn)品研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，提高了市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。