毕业设计（论文）-发动机缸盖的改进设计.doc

上海工程技术大学毕业设计（论文） 奥迪发动机缸盖的改进设计各专业完整优秀毕业论文设计图纸摘 要本文通过使用先进的计算机辅助设计手段，对奥迪发动机缸盖进行改进设计，目的是改进该发动机的使用性能。其中主要内容是对奥迪发动机缸盖局部进行改型，将原来的扁球形燃烧室改成楔形燃烧室，其进排气道形状也随燃烧室的改变而相应改变。另外，经过现场测绘，熟悉了解奥迪发动机缸盖的生产加工工艺及受力特点，利用autocad软件绘制的奥迪发动机缸盖的二维工程图，通过ug软件对改进设计后的奥迪发动机缸盖的局部改进区域建立实体模型，并提出一些关于复杂实体建模的观点，然后对改进后的进气道用ug的prt文件通过转换成igs文件，导入gambit软件，并用gambit软件进行网格划分，最后将gambit的msh文件导入fluent软件，用fluent软件对改进前后进气道内气体的流速进行cfd仿真模拟,并进行比较。关键词：发动机缸盖，ug建模 ，网格划分 , cfdimproved design for the head of audi engineabstractimproved design for the head of audi engine is conducted , with the semispherical combustion chamber changed to combustion chamber of wedge form , and the figure of the intake duct and the exhaust duct are also changed with the combustion chamber , by means of the advanced cad techniques , in order to get better performance of the whole machine.2d drafting is drawn by autocad after mapping on site , and 3d model is established by ug. at the same time, some view points about modeling are brought up. change the prt file of improved intake duct to the igs file , lead to gambit , and make it plot the grid. finally , changed the msh file of gambit lead to fluent , and use the cfd method analyze the velocity of the air in improved and original intake duct , compare with each other.key words: cylinder head, ug modeling, plot the grid, cfd奥迪发动机缸盖的改进设计施佳伟 0611031080 引言气缸盖是用来密封发动机机体缸孔的重要部件，与缸套共同形成燃烧室，气缸盖上有很多孔道，分别是水道，承担分配各缸冷却水的分布冷却；油道，是润滑发动机上部零部件的主要通道；气道，分别是进气道和排气道。缸盖是汽车发动机的重要零部件之一，形状十分复杂，它还作为燃烧室的一部分承受着很高的热负荷与机械负荷，其中的冷却水腔与进排气道内分别有液体与气体的流动与传热。随着发动机强化程度与性能的提高，对缸盖也提出更高的设计要求，因此，必须研究应用现代设计方法进一步提高其设计质量。缸盖设计是发动机设计的重要组成部分，其设计方法已由传统的经验设计发展为计算机辅助设计，设计方式已由二维绘图发展为三维造型设计，分析手段已由简单的测试分析发展到各种具备较高精度的数值模拟计算。近年来，国外除了进行较多的实际测试研究外，还发表了较多的关于缸盖设计计算的研究文献，表明了这一研究领域受到重视的程度。目前，研究的重点主要集中在缸盖的三维造型设计，流动模拟计算与有限元分析，以及冷却水腔的优化设计等方面。有限元分析已是应用广泛且较为成熟的现代设计方法之一，但应用于发动机缸盖这类零部件分析温度场、应力和应变分布时，由于不规则的且与传热相关的边界条件难以精确给出，因而仍难达到较高的精度与实用化的程度。真正解决问题的途径是从整体与系统的观点出发，实现综合性的数值模拟计算（包括冷却水腔内的流场与温度场，气道内的流场与温度场、缸盖温度场、应力与应变分布等）以反映多种因素的相互影响与相互作用，而其中的关键技术主要在于实现较高精度的流动与传热数值模拟，精确描述复杂的几何形状与准确确定复杂的边界条件。1总体设计1.1 发动机缸盖的工况及设计要求气缸盖的作用是密封气缸，并与活塞共同形成燃烧空间，并承受高温高压燃气的作用。为保证气缸盖与气缸套之间的密封，气缸盖还要受到很大的螺栓预紧力（一般为爆发压力的34倍）；气缸盖各部分温度很不均匀，如缸盖底面燃烧室部分（称为火力面）温度最高，而冷却水套部分温度较低，进气道和排气道温度也不相同，因此，气缸盖的机械应力和热应力很大。气缸盖应当满足下列要求： 1）气缸盖应具有足够的强度和刚度，工作时缸盖变形最小并保证与气缸的接合面和气门座的接合面有良好的密封。缸盖变形过大会加速气门座磨损、气门杆咬死和气缸密封遭到破坏，造成严重漏气、漏水和漏油，使柴油机无法工作。 2）要根据混合气形成和燃烧方式布置出合理的燃烧室形式，气门和气道布置合理，力求使内燃机性能良好。3）结构力求简单、铸造工艺良好；冷却合适，缸盖温度场分布均匀，尽可能减小热应力，避免气门座之间形成裂纹。1.2 发动机缸盖材料选择根据工作条件，气缸盖应该用抗热疲劳性能好的材料铸造。材料的导热性愈好，膨胀系数愈小，高温疲劳强度愈高，愈能承受热负荷的反复作用。气缸盖中热应力很大。当变形受到限制时，各种材料中产生热应力的大小可以用热应力特性数表示，其中为材料的线膨胀系数，e为弹性模数，为导热系数。为了比较材料的热强度，用材料的拉伸极限强度与相比而得到热强度系数。特性数愈小，热应力愈小，热强度系数愈大，热强度也愈大。如图1.1所示，铸铁、铝合金和钢三种材料的热强度系数对温度的变化曲线。由图可知，当温度低于250时，铝合金具有相当高的热强度，当温度在 300左右时，铸铁、铝合金和钢的热强度系数差不多。当温度高于300时，铸铁和钢的热强度比较好。当温度达到400时，铸铁的热强度也迅速下降。因此铸铁气缸盖的工作温度不应超过375400，铝合金气缸盖的工作温度不应超过220。汽油机常用铝合金铸铁制造气缸盖。本次论文文涉及的奥迪发动机缸盖使用的材料就是铝合金。图1.1 气缸盖材料热强度系数1.3 发动机缸盖结构形式选择水冷式汽油机的气缸盖有整体式、分块式和单体式三种。当缸径时，一般多用整体式气缸盖，它的零件数少，结构紧凑，制造成本较低。如果选用单体式气缸盖在结构上就比较困难，因为各部分壁厚与泥芯截面尺寸受到造型和浇铸条件的限制而不能按缸径比例缩小，这样就不能在保证有适当的壁厚和泥芯尺寸的条件下得到既有足够的气道面积又有先进的气缸中心距。当时，一般都用单体式（一缸一盖）气缸盖。这样可以使铸造废品下降，尤其可以供给同一系列而缸数不同的机型通用，便于组织系列化的批量生产，降低制造成本，且使维修方便。当时，采用单体、整体和分块（每两缸或三缸一盖）或者兼而有之，视各厂传统习惯和其它条件而定。左右是采用分块式气缸盖的下限值；左右是采用单体式气缸盖的下限值；但在产品品种比较单一且产量很大时，由于铸造技术设备比较完善，加工生产线负荷率较高，即使缸径较大，还是以整体式气缸盖比较经济。本次设计缸径为80mm，所以采用整体式缸盖。1.4 发动机缸盖燃烧室的布置 燃烧室形状是决定燃烧速度，防止不正常燃烧的主要因素，各种改善燃烧的措施也大多需要在燃烧室中实施。燃烧室设计是决定汽油机性能的重要一环，因此，对燃烧室要求是多样的，既要其动力性、经济性好，也要工作轻声平稳，排气污染小，同时还希望结构简单，制造方便。 此次设计尝试把原来的扁球型燃烧室，改成楔型燃烧室如图1.2所示。图1.2a改进后的楔型燃烧室图1.2b改进后的楔型燃烧室楔型燃烧室结构教紧凑，火焰传播距离较短；要求一定的挤气面积，并且末端混合气冷却作用较强，故压缩比可达9.510.5；气门倾斜布置，气门直径较大，气道转弯小，所以冲气性能较好。这种燃烧室有较高的经济性、动力性。 火花塞在楔形高处，对着进排气门之间，利于用新气扫除火花塞附近的废气，低速、低负荷性能稳定。但也使初期燃烧速度大，较高，工作粗暴，no排出量较高。由于挤气面积内的熄火现象，废气中hc的含量较多，故需控制挤气面积。由于楔型燃烧室进、排气门只能单行排列，采用多气门机构困难，此次的奥迪发动机为两气门单行排列，所以改进后不影响气门布置。1.5 发动机缸盖的进排气道布置进排气道的设计对内燃机性能有很大的影响，进气道影响进气阻力和充气效率，排气道影响排气阻力和废气能量的利用（如废气涡轮增压）。为了气门驱动方便，当采用两气门（一进一排）时，一般都将气门中心线的连接线放在平行曲轴轴线的方向。这时，气道可以有四种布置方案，如图1.3所示。方案a气道最短，气流阻力最小，但只适用于单缸。这种方案若用在多缸机上时，气道无法从两缸之间引出。方案b 也只能用于单缸或双缸。在两缸以上的内燃机中，方案c、d 应用最广。对于这款奥迪汽油机，为了使发动机设计紧凑，以提高充气系数，采用将进排气通道布置在气缸同侧的第三方案，将火花塞布置在另一侧。图1.3 气道布置方案1.6 发动机缸盖螺栓布置气缸盖螺栓是气缸盖与气缸体之间的联接件，它的位置和数量对于气缸盖和气缸体的受力情况、气缸盖与机体之间接合面密封的可靠程度、以及气缸套的变形大小都有很大的影响。首先，螺栓数目要足够，以保证压紧均匀，减小局部变形，密封可靠。增加螺栓数目，每个螺栓直径可以相应减小，相对于气缸盖的柔性变大，故能减小螺栓上载荷的交变分量，因而相应地可降低预紧力，同时两螺栓间的距离减小，对气缸垫片的压紧力更加均匀，减少了冲垫漏气的可能性。但是，螺栓的布置又受到气道、推杆孔、水孔和气缸中心距等具体结构的限制，所以螺栓数目也不能随意增多。这个奥迪发动机为四缸一盖的整体式缸盖，在每缸周围使用了4个螺栓，总计10个。其次，螺栓的布置应尽量相对于气缸中心线均匀分布，否则可能由于气缸受力不均引起局部变形，各螺栓中心连线最好沿气缸周边切线布置，以增加密封能力；各螺栓所分摊的压紧面积要基本相同，以保证压力均匀。再有，气缸盖螺栓的预紧力要足够，以保证必要的密封压力，防止长期工作后发生松弛。但预紧力过大会使机体、气缸盖过度变形，反而损坏密封。经验证明，当每缸周围所有螺栓的总预紧力等于作用在一缸气缸盖上最大气压力的 3 倍以上时，密封的可靠性才能得到较好的保证。气缸盖螺栓受力很大，一般都用优质中碳钢 45 或合金钢 40cr 等制造，并经调质处理。本次奥迪发动机缸盖使用的是m12螺栓，根据厂方试验得出的结论，预紧力矩为。2 发动机缸盖的实体建模 本次毕业设计的奥迪发动机缸盖实物由上海工程技术大学提供，一些基本的数据是由校方提供，其余的尺寸数据经过现场的实测后，利用auto cad软件绘制出二维工程图。在此基础上，使用cad软件将平面图转化为三维的立体数字模型。2.1 cad技术与平台构建cad（computer aided design）技术是随着计算机及外围设备和软件的迅速发展而形成的一门新兴技术，它通过交互式图形显示，实时构造、编辑、变换及修改并存储各类几何及拓扑信息，利用相关应用程序进行过程计算分析，并对设计结果进行模拟、优化、利用图形处理和动画技术对模型进行仿真，最后自动绘图并输出图纸、数据、设计原型等各种形式的设计结果；它是一种利用计算机辅助设计快速、高质、方便、低成本完成产品设计任务的现代设计技术。本次建模工作使用的是基于windows平台，由美国eds公司开发的unigraphics（简称ug）软件，它是一款集cad/cam/cae于一体的高端专业软件，它的功能覆盖整个产品开发过程：从概念设计、功能工程、功能分析到制造，广泛运用于航空航天、汽车、机械和模具等工业领域。其用户界面友好，使用方便，具有良好的扩充性和移植性。2.2 参数化造型所谓参数化是指在设计特征、零件和装配件时基于决定设计物理形状的参数造型技术。修改某一个参数值就能改变相应的特征和所有参考该特征的特征。参数化技术已不仅仅包括三维实体造型、装配模拟、加工仿真、nc自动编程、有限元分析等常规的功能特征，同时还有模具设计、板金设计等专有特征，实现了面向制造的设计、面向装配的设计、逆向工程、并行工程等先进的设计方法和模式。其中单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念已成为当今世界机械cad/cae/cam领域的新标准。利用参数化概念开发出来的产品，能将设计到生产的全过程集成在一起，让所有用户能够同时进行同一产品的设计制造工作，即实现所谓的并行工程。其特点表现在：1) 真正的全相关性，任何地方的修改都会自动反映到所有相关的地方；2) 具有真正的管理并发进程、实现并行工程的能力；3) 具有强大的装配功能，能够始终保持设计者的设计意图；4) 容易使用，可以极大地提高设计效率。2.3 气缸盖建模方案气缸盖是一个非常复杂的零件，它不仅承受气体力和紧固气缸盖螺栓所造成的机械负荷，同时还由于与高温燃气接触而承受很高的热负荷。所以，就其结构方面来说，是极其复杂繁琐的。从数字建模的角度来看，气缸盖含有许多特征，这些特征有的是关联的，有的是不相干的；有的是对称的，有的又是有差异的。如何运用计算机cad软件的优势，把这些看似零乱但又含有一定规律的特征，用计算机的数字语言来表达出来，的确是一件庞大而又需要耐心的工程。在这些错综复杂的特征中，要想一五一十的去表达每一个特征，需要的不仅仅是扎实的建模功底和良好的建模技巧，一个优秀的建模思路能够令整个建模过程事半功倍。要准确表达气缸盖这样一个复杂的模型，关键在于处理每个特征间的关系，确定各特征是否相关，复杂问题怎样分解成若干简单小问题，这些思考将贯彻整个气缸盖的建模过程。本次设计的气缸盖建模主要是对发动机的局部区域进行建模，主要是对燃烧室、进排气管等，本次论文研究的部分进行建模，对于发动机缸盖上部的凸轮轴架等本次论文不做重点研究，所以也不进行建模。2.3.1 气缸盖主体气缸盖主体的建模使用autocad格式导入曲线，进行拉升的方法，如图2.1所示。本次研究的奥迪发动机缸盖的四个汽缸，左右两两对称，所以我在建模时，只进行其中一半的缸盖建模，另一半与之相同。由于在建模之前已经完成了二维图纸的工作，因此在进行三维建模时可以通过导入autocad格式的二维图纸来减少在ug软件中的草图工作量。但在导入过程中容易发生类似丢失线条的问题。经过实践，发现如果在导入时按照以下步骤进行，则一般都可以顺利导入。图2.1通过autocad导入后的拉升建模要将autocad格式的图纸导入ug可按以下步骤：1）将图纸修改，留下所要导入的线。并将基点移动到靠近零点处,如图2.2所示。图2.2将导入的线的基点移动到靠近零点处2）将所有的线条全部放到1层上。并保存为dxf文件格式。3）用ug自带的转换器将dxf格式转成prt格式。4）在ug软件中打开转好的prt文件即可。首先，在导入的过程中应当注意：在建模之前就应该把零件的几何要素考虑周全，一次性地将所有需要导入的二维图纸一并导入，否则当零件建模工作进行到一半时，再需要导入二维图纸中的其它几何信息，将很难保证前后分别导入的内容在ug软件中的定位。其次，是否一定得使用autocad格式导入文件，这得看具体情况具体分析。如果草图牵涉的几何要素确实很多，那么可以通过这种方式来导入所需的几何要素，但是必须注意到：当使用autocad格式导入几何要素后，这些要素之间没有任何约束，包括尺寸约束和几何约束，所以为了保持整个建模过程的参数化，需要重新对引入的几何特征进行约束。因此，在导入前应该对导入后的工作量进行评估，考虑是否通过直接绘制草图更加方便、高效，然后再确定绘制草图的方案，或者可以通过先期使用autocad格式导入与后期进行手动绘制和修改相结合的方法去实现。另外，从autocad格式导入的曲线，倒圆角之类的特征都已经被包含在其中。因此，直接从导入的曲线拉伸后所得到的实体已经为倒好圆角之后的实体。这样看似方便，却会为以后的操作带来很大的隐患。首先这样的圆角不是利用特征建模建立出来，虽然是参数化的，但不利于修改，即若要修改也得进入草图后，这样就比较麻烦了。其次，拉伸后的实体往往还需要进行拔模斜度的处理或者进行其它相关倒圆的操作。拉伸出包含圆角的实体因为面比较为复杂而很难完成这类后续的操作。因此，利用导入的曲线所作的草图还需要进行修改，即将二维图纸中已有的圆角去除，变为直线，然后再进行相关的操作。 在使用ug的转换器将dxf文件转成prt文件时有一个地方要特别注意，因为此时ug默认的单位是英寸，而我们通常在autocad使用的单位是毫米，所以如果不做设置，将来转成的prt文件里的单位将变成英寸，导致尺寸错误。所以我们转换时要将edit里的settings进行设置将inches改成millimeters,如图2.3所示。图2.3a文件转换器的设置图2.3b文件转换器的设置2.3.2 燃烧室采用的是画草图，对其进行拉生，再进行倒角、倒边处理成型的方法，如图2.4所示。图2.4a画草图图2.4b对草图进行拉升图2.4c倒角、倒边的处理2.3.3 进排气道 采用做多个定位的基准面，在基准面上画草图，加扫描成型的方式，如图2.5所示。图2.5a做多个定位的基准面，在基准面上画草图图2.5b扫描成型2.3.4 最后成型使用主体，燃烧室、进排气道，和其他的一些部件，做布尔运算获得,如图所示2.6。图2.6a最后成型的建模图2.6b最后成型的建模2.4 发动机缸盖ug建模的总结2.4.1复杂形状实体的建模总结对于气缸盖本身来说就是一个很复杂的零件，那么通过cad软件把它转化为数字模型必定也是件不简单的事情。开始三维建模时，便感到满头雾水、没有头绪。根据本次建模的体会，本文认为较好的办法是先对所要建的实体仔细地进行观察。认真地将模型分解成易于建模的几部分，然后再逐个进行，再用布尔运算命令将其合并，最后再进行类似打孔、导园角等的操作来完成整个实体。其中的关键就是如何很好的将模型分解，在心中形成清晰有序地建模方案。根据自己的体会，总结出以下一些原则：在同一轴线上的可划分在一起；可大体利用相同命令完成的可划分在一起；使用同一基准面的可划分在一起。这些原则需要模型的具体情况灵活运用，不必拘泥。对于一个零部件可能有好几种不同的划分方法，如何得出其中的最优方案，还需要依靠多多的实践。关于本次建模的划分方案，可以参照前文关于建模方案的叙述。2.4.2 修改已建立的实体模型的总结产品的设计需要修改的可能性很大，不可能一次便设计成型。对于气缸盖来说，其不仅仅是具有相当复杂的外形，而且其内腔更是包含了相当多的曲面。所以，建模的过程绝对不会非常顺利的。那么，由此就会产生大量的修改工作，导致建模工作反反复复。对于一个优秀的设计人员来说，当然不应该只拘泥于正向的建模，能够从一个有问题的模型中去找出问题之所在，并巧妙的去解决它，才算是能称得上合格。在刚刚开始学习ug的时候，也许已经不知不觉地养成了一个不良的习惯，就是对于一些不想要的特征或者是不符合某些要求的特征，会很随便的将其删除，然后再重新建立真正所需的正确的特征。当然，这种作法并不完全错，可是，对于一个庞大的模型，是不会因为几十部前的一个小错误而将它们轻易的删去。既然这样，应该学会如何去修改已完成的模型，并且在建模的过程中将可能会进行修改这一因素考虑进去。当然，前面所提到的建模思路也是其中的一个重要的方面。对于气缸盖复杂的零部件而言，如果建模方案不佳，很有可能造成实体的相互关系混乱、难于修改的情况。很可能因为思维上的一个小小的忽略，从而导致其它很多的特征都需要重新操作，甚至接近全盘推翻。通过本次对气缸盖建模的实践，本文认为要让一个零部件具有良好的可修改性，则该实体模型需要具有以下的要求：1）模型的建模思路要明确。建模操作的顺序要符合实际情况，即按照由大到小、由粗到细的顺序来建立。即先建立基本实体，其它类似打孔、倒圆角之类的操作放到最后才进行。2）模型要尽量的保持参数化。非参数化的模型修改起来相当的费力，且其他相关的零部件不可一并修改。因此如何将模型保持尽量多的参数化是模型能否有良好可修改性的关键之一。模型要尽量多的使用参数化，对于一个模型而言，只能有一个基本体素（圆柱体、立方体、锥体、球体），要尽量多的使用草图以及特征操作，这样所建立的实体基本上是全参数化的。3）在保证参数化的前提下，要尽可能的使用较少的特征，比如倒圆半径相同的特征可以使用一个命令完成，最好不要分开进行，因为不必要的特征的增加会使得将来的修改变得繁琐与不变，模型的更新速度也会大大减慢。3改进前后气缸盖进气道cfd的仿真模拟的比较3.1 什么是cfdcfd是computational fluid dynamics的缩写，中文叫计算流体力学，它是专门用来进行流场分析、流场计算、流场预测的软件。通过cfd软件，可以分析并且显示发生在流场中的现象，在比较短的时间内，能预测性能，并通过改变各种参数，达到最佳设计效果。cfd的数值模拟，能使我们更加深刻地理解问题产生的机理，为实验提供指导，节省实验所需的人力、物力和时间，并对实验结果的整理和规律的得出起到很好的指导作用。 随着计算机硬件和软件技术的发展和数值计算方法的日趋成熟，出现了基于现有流动理论的商用cfd软件。商用cfd软件使许多不擅长cfd的其它专业研究人员能够轻松地进行流动数值计算，从而使研究人员从编制繁杂、重复性的程序中解放出来，以更多的精力投入到考虑所计算的流动问题的物理本质、问题的提法、边界（初值）条件和计算结果的合理解释等重要方面，这样最佳地发挥了商用cfd软件开发人员和其它专业研究人员各自的智力优势，为解决实际工程问题开辟了道路。 使用cfd，你首先得建立你想研究的系统或装置的计算模型；然后将流体流动的物理特性应用到虚拟的计算模型，cfd软件将输出你想要的流体动力性质。使用cfd的优点：1）通常的系统是很难模型化的，而cfd的分析能够展示别的手段所不能揭示的系统的性质和现象，因为cfd对你的设计有很强的理解和可视能力。2）cfd能够快速的给出你想要的结果，一旦你给定你的问题的参量；这样你才有可能在很短的时间内调整你设计的问题的参数，得到最好的优化结果。3）采用cfd是一种十分经济的做法。由于它的开发周期短，因此能节省大量的人力物力，使产品能更快的进入市场。目前比较好的cfd软件有：fluent、cfx、phoenics、star-cd，除了fluent是美国公司的软件外，其它三个都是英国公司的产品。本次论文使用的就是fluent。3.2 fluent简介fluent是目前国际上比较流行的商用cfd软件，在美国的市场占有率为60%。举凡跟流体，热传递及化学反应等有关的工业均可使用。它具有丰富的物理模型、先进的数值方法以及强大的前后处理功能，在航空航天、汽车设计、石油天然气、涡轮机设计等方面都有着广泛的应用。其在石油天然气工业上的应用包括：燃烧、井下分析、喷射控制、环境分析、油气消散/聚积、多相流、管道流动等等。 fluent的软件设计基于cfd软件群的思想，从用户需求角度出发，针对各种复杂流动的物理现象，fluent软件采用不同的离散格式和数值方法，以期在特定的领域内使计算速度、稳定性和精度等方面达到最佳组合，从而高效率地解决各个领域的复杂流动计算问题。基于上述思想，fluent开发了适用于各个领域的流动模拟软件，这些软件能够模拟流体流动、传热传质、化学反应和其它复杂的物理现象，软件之间采用了统一的网格生成技术及共同的图形界面，而各软件之间的区别仅在于应用的工业背景不同，因此大大方便了用户。3.3 网格的划分在用fluent进行求解前，必须使用专用的cfd前置处理器来建立几何形状及生成网格，fluent系列产品皆采用fluent公司自行研发的gambit前处理软件来建立几何形状及生成网格。3.3.1 gambit简介gambit是为了帮助分析者和设计者建立并网格化计算流体力学（cfd）模型和其它科学应用而设计的一个软件包。gambit通过它的用户界面（gui）来接受用户的输入。gambit gui简单而又直接的做出建立模型、网格化模型、指定模型区域大小等基本步骤，然而这对很多的模型应用已是足够了。 在面向cfd分析的高质量的前处理器，其主要功能包括几何建模和网格生成。由于gambit本身所具有的强大功能，以及快速的更新，在目前所有的cfd前处理软件中，gambit稳居上游。 gambit软件具有以下特点：1）acis内核基础上的全面三维几何建模能力，通过多种方式直接建立点、线、面、体，而且具有强大的布尔运算能力，acis内核已提高为acis r12。该功能大大领先于其它cae软件的前处理器2）可对自动生成的journal文件进行编辑，以自动控制修改或生成新几何与网格3）可以导入pro/e、ug、catia、solidworks、ansys、patran等大多数cad/cae软件所建立的几何和网格。导入过程新增自动公差修补几何功能，以保证gambit与cad软件接口的稳定性和保真性，使得几何质量高，并大大减轻工程师的工作量4）新增pro/e、catia等直接接口， 使得导入过程更加直接和方便5）强大的几何修正功能，在导入几何时会自动合并重合的点、线、面；新增几何修正工具条，在消除短边、缝合缺口、修补尖角、去除小面、去除单独辅助线和修补倒角时更加快速、自动、灵活，而且准确保证几何体的精度6）g/turbo模块可以准确而高效的生成旋转机械中的各种风扇以及转子、定子等的几何模型和计算网格7）强大的网格划分能力，可以划分包括边界层等cfd特殊要求的高质量网格。gambit中专用的网格划分算法可以保证在复杂的几何区域内直接划分出高质量的四面体、六面体网格或混合网格8）先进的六面体核心(hexcore)技术是gambit所独有的，集成了笛卡尔网格和非结构网格的优点，使用该技术划分网格时更加容易，而且大大节省网格数量、提高网格质量9）居于行业领先地位的尺寸函数（size function）功能可使用户能自主控制网格的生成过程以及在空间上的分布规律，使得网格的过渡与分布更加合理，最大限度地满足cfd分析的需要10）gambit可高度智能化地选择网格划分方法，可对极其复杂的几何区域划分出与相邻区域网格连续的完全非结构化的混合网格11）新版本中增加了新的附面层网格生成器，可以方便地生成高质量的附面层网格12）可为fluent、polyflow、 fidap、ansys等解算器生成和导出所需要的网格和格式3.3.2进气管的网格划分 这次gambit里面的建模，由ug导入。主要步骤是：1）在ug的草图里画出改进后的进气道的纵向形状，如图3.1所示。注意，图必须画在x-y平面内，否则gambit无法打开。图3.1在ug的草图里画出改进后的进气道的纵向形状2）将prt文件保存为igs文件。3）将igs文件导入gambit里面，如图3.2所示图3.2文件导入gambit4）将4条边建立为一个面5）将4条边进行网格的划分，其中一条弯边的网格对应于其对面那条弯边的网格，如图3.3所示图3.3将边进行网格的划分6）对面进行网格划分，如图3.4所示图3.4对面进行网格划分7）将解算器改为fluent5/6,对4条边进行边界定义，其中进气口的边类型定义为pressure_inlet,出气口的边类型定义为pressure_outlet,其余两边类型定义为wall。如图3.5所示图3.5边界定义8）将文件以msh格式导出。3.4 进气道的cfd仿真模拟1）打开fluent，导入msh文件，并进行check。2）将长度单位units定义成毫米(mm)，如图3.6所示图3.6定义长度单位3) 定义viscous。4) 定义boundary conditions，由于收各种因素影响，边界条件始终在改变，本次研究用最通常的状况统一假设，进气口假设为1个大气压，即101300帕，出气口定义为0.85个大气压，即86105帕。 5) 设定solve中的initialize、monitor 6) 求残渣系数iterate,其中叠代次数分别输入1000、100、1，如图3.7所示。图3.7叠代次数的设置8）求残渣系数iterate，结果为收敛，如图3.8所示，说明仿真模拟精确度有保证。图3.8残渣系数iterate9）在display中显示所需结果。3.5改进前后气缸盖进气道cfd的仿真模拟的比较3.5.1改进前后网格划分的比较改进前网格的划分和改进后网格的划分，如图3.9所示图3.9a改进前网格的划分图3.9b改进后网格的划分3.5.2改进前后进气管内气体流速的比较在定义viscous时，由于要判断其中的空气流动是层流（laminar）还是湍流（spalart-allmaras）.要用雷诺数来确定，雷诺数小，意味着流体流动时各质点间的粘性力占主要地位，流体各质点平行于管路内壁有规则地流动，呈层流流动状态。雷诺数大，意味着惯性力占主要地位，流体呈紊流流动状态，一般管道雷诺数re2000为层流状态，re2000为湍流状态，其中v为进气口速度，为动力粘性系数，由于这两个参数都无法确定，所以我对这两种模式均进行的仿真模拟。1）在层流模式下改进前进气道的流速仿真, 及最大值和最小值，如图3.10所示。图3.10a在层流模式下改进前进气道的流速仿真图3.10b在层流模式下改进前进气道的流速的最大值和最小值改进后进气道的流速仿真,及最大值和最小值，如图3.11所示。图3.11a在层流模式下改进后进气道的流速仿真图3.11b在层流模式下改进后进气道的流速的最大值和最小值2）在湍流模式下改进前进气道的流速仿真, 及最大值和最小值，如图3.12所示。图3.12a在湍流模式下改进前进气道的流速仿真图3.12b在湍流模式下改进前进气道的流速的最大值和最小值改进后进气道的流速仿真, 及最大值和最小值，如图3.13所示。图3.13a在湍流模式下改进后进气道的流速仿真图3.13b在湍流模式下改进后进气道的流速的最大值和最小值3.6改进前后进气管内气体流速总结 在层流模式下，改进前进气道气体最大流速为222.2912m/s,最小流速为100.6106m/s，改进后进气道气体最大流速为227.4969m/s，最小流速为110.0183m/s，如表3.1所示。在湍流模式下，改进前进气道气体最大流速为212.2m/s,最小流速为72.70355m/s，改进后进气道气体最大流速为226.0723m/s，最小流速为77.42228m/s，如表3.2所示。且由于改进后的进气道横向形状与改进前完全一致，但由于燃烧室由扁球形改为楔形燃烧室，改进后的进气管在纵向少比改进前转弯角度减小，所以只对纵向的气流进行模拟仿真比较是合理的。 所以，无论在层流模式还是在湍流模式，改进后的进气道的气体流速均大于改进前进气道的气体流速，故改进后的进气道有更好的充气性能。表3.1在层流模式下，改进前后进气道气体流速最小流速最大流速改进前100.6106m/s222.2912m/s改进后110.0183m/s227.4969m/s表3.2在湍流模式下，改进前后进气道气体流速最小流速最大流速改进前72.70355m/s212.2m/s改进后77.42228m/s226.0723m/s4 主要结论本文按照设计任务书的要求，以上海工程技术大学实训中心所提供的奥迪发动机缸盖为对象，对其进行改进设计。将所设计的发动机缸盖以ug作为辅助设计软件系统，建立发动机缸盖实体模型，把改进前后的进气道用gambit软件进行网格划分，再通过fluent软件进行进气道cfd的仿真模拟。可以得出以下结论：1）通过计算机辅助设计与分析软件，对气缸盖等这样的复杂零件进行改进设计是可行的，而且是高效的、省力的。2）用ug对复杂零件建模提出了自己的建议和方法，尝试通过文件格式的转换，联合运用autocad、ug、gambit、fluent等多个计算机辅助软件对发动机气缸盖进行改进设计获得成功，为其他的类似研究提供宝贵参考。3）由扁球形燃烧室改为楔形燃烧室的奥迪发动机缸盖的，进气道由于气道转弯减小，气体流动速度增大，充气性能得到提高。参考文献1 a.c.奥林，m.t.克鲁戈诺夫.内燃机活塞式及复合式发动机的结构设计与强度计算m.北京：机械工业出版社，1989 2 董敬，庄志，常思勤.汽车拖拉机发动机m.北京：机械工业出版社，2003 3 蒋德明.内燃机燃烧与排放学m.西安:西安交通大学出版社,2001 4 周松，戴景民.切向进气道内燃机进气系统流场的数值模拟j.哈尔滨工业大学学报,2003,35(1):49-53. 5 杨玫,吴承雄.进气道稳流试验装置内三维流动特性的数值分析j.内燃机工程,1998,19(3):67-71.6 赵胜祥，徐腾岗，唐觉明.画法几何与机械制图m.上海：远东出版社,20027 杨可桢，程光蕴. 机械设计基础（第4版）m.北京:高等教育出版社,2003.8 华键.现代汽车制造工艺学m.上海：上海交通大学出版社,20029 赵波，龚勉，屠建中. ug cad实用教程(nx2.0版)m.北京：清华大学出版社， 2005.10 马秋成,韩莉芬.ug cae篇m.北京：机械工业出版社，2002.11 陈家瑞.汽车构造m.北京：机械工业出版社，2001.12 余志生.汽车理论（第三版）m.北京：机械工业出版社，2000.13 王望予.汽车设计（第四版）m.北京：机械工业出版社，2004.14 范迪彬.汽车构造m. 安徽：安徽科学技术出版社, 2001.15 p.g.aleriferis,y.hardalupas,a.m.k.p.tayler,k.ishii,y.urata.cyclic variations of fuel-droplet distribution during the early intake stroke of a lean-burn stratified-charge spark-ignition enginej. experiments in fluids，2005，（39）:78979816 p.kankanien, m.abramian and s.bedi. surface modelling of a fighter fuselage with b-spline skeletal linesj. canadian aeronautics and space journal，1991，37(1):35-41.17 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介绍稀燃火花点火发动机比起常规火花点火发动机有更高的效率和更低排放的优点。然而在稀燃混合气的情况下保持运转平顺不是一件简单的任务因为当混合气的空燃比比理论低时，平均有效指示压力的循环变化更加明显，甚至稀燃运行的极限范围导致驾驶困难。已经能够知道一些稀燃发动机可以促进充气分层，在“整体平均”显示火花塞附近的混合气比气缸内的平均值高。过去十年的研究证明周期流动结构导致成功的稀燃火花点火发动机；比如，hardalupas,carabateas 和 用激光多普勒测速仪和激光点燃荧光来测量内缸油滴尺寸和速度和燃料在机体内的集中程度的berckmuller，都和目前的研究十分相似。 它证明平均有效指示压力的循环变化被称作“燃烧过程的原始火核成长”的燃烧过程的阶段有关联，典型地相似于曲轴转角在要燃烧的块分数（mfb）在5%的时期。标记这个时刻，相似地，典型地约40度的继火时刻在空燃比为22，低负荷，每分钟1500转。这个5%的数据是任意的在通过坚定的简单实验：通过指示图表测量低数据mfb是困难的因为测量缸内压力是无把握的。 数值低于5%可以调查视觉观察的火焰在提供原始火焰核增长的进程在可以观察的燃烧室。比如，aleiferis用三维效果的10度到40度的曲轴转角继火时刻的原始火焰核增长ccd图象和发现循环的特征是在火花项的很短的持续时间里（约20度曲轴转角），在最后火焰已经增大，在平均4毫米的半径，相一致的mfb少于0.2%。 这个问题引起什么导致燃烧过程早期的原始火焰核增长的循环变化和确实点火。一明显的候选人，在理论和其他领域对火焰对流有作用，但是aleiferis发现着似乎成为循环变化的主要捐赠者。然而，间接根据发现火焰有快速的周期和理论火焰有相似的特性，一个建模研究也显示循环变化的层次可以在空燃比上解释可信的变化。aleiferis也发现直接根据（内缸空燃比显示循环基础有很大的变化和一致地制造消极的相互关系系数，特别是稀燃工作处境，空燃比20到22），显示空燃比是循环变化的主要贡献者。这个结论同意，在一般情况下，和火花塞附近的预燃空燃比的循环变化的极限；比如grunefeid,johansson,koenig和hall和berckmuller。他们已经报道有高确定的相互关系的系数在继火时刻集中在火花塞附近的混合气和最高层次的缸内压力的峰值。 这个问题现在变成是否这些空燃比的变动的主要原因是其他内缸混合气层次导致缸内纵向涡流和横向涡流微小程度的变化而导致的温度变化，或是混合过程中残余废气和新鲜进气的变化，或是在进气行程初期最初的油滴尺寸分布的变化，或者是汽油通过进气阀进入气缸的数量的变化，或者确实合并这些可能装置的变化。现在工作的目的进行调查后期两个源头通过内缸油滴分布的视觉平面的循环变化，通过打开的阀注入稀燃和理论两种情况，为了检查在连续不断的基础上在快和慢的两种稀燃循环里的正来临的油滴图案的可能的变化。尽管，油滴可以用一个高能量激光和加锐的ccd镜头发觉连续循环的基础，在一个稀燃孔射发动机这些是不多的和在透视的稀燃发动机的头部的强烈背景为了灵活散布在燃烧室壁上。因此，为了测量散开的油滴，用好的背景图片去除，实践中，使它当场震动运转在缺火极限。这时我们决定使用一个校正过程基于反向峰值电压相互关联算法去减掉油滴分布图