（动力机械及工程专业论文）基于虚拟技术的柴油机机体等强度轻型化设计研究.pdf

摘要内燃机零部件的轻量化，无论从降低成本还是节约能源的角度而言，都是人们不断追求的目标。我国单缸柴油机领域由于技术基础比较薄弱，对这一需求更加强烈。近年来原材料市场价格的不断上扬，使得单缸柴油机企业难堪重负，原有的技术薄弱点显得更加突出，已无法适应快速变化的市场需求。因此，单缸柴油机领域亟待需要建立一个全新的现代设计模式，以取代传统的基于经验的产品开发和改进设计模式。本文在这一背景下，以s 1 1 0 0 型单缸柴油机机体为研究对象，基于现代设计理论和方法对该机体的等强度轻型化设计进行了详细研究。本文首先阐述了现代设计理论和方法在内燃机领域的应用，指出了虚拟设计将是内燃机现代设计的方向。为了了解轻型化设计对整机动态特性的影响，本文对减重优化设计前后的s 】1 0 0 型柴油机整机振动进行了研究，获得了典型：况下的整机振动频谱特性和整机振动烈度值，为轻型化设计提供了评价根据。基于现代设计理论和方法中的参数化实体建模技术和有限元分析技术，本文以s l l 0 0 型柴油机机体为例，建立了个完整的内燃机零部件等强度轻型化设计平台。其中包括s 1 i 0 0 型柴油机机体三维实体模型的建立，机体三维有限元模型的建立，基于有限元模态和强度分析结果的机体等强度结构优化设计，以及最终优化方案的虚拟实验考核和物理样机实测分析。本文提出了一套几何模型简化原则，有效地解决了三维详细实体模型同三维有限元模型之间的转换问题；采用试验模态分析方法快速、有效地对有限元模型的正确性进行了验证；尝试运用等强度设计原则对机体进行轻型化设计，并取得了显著的减重效果。依据本文提出的现代设计模式：虚拟设计虚拟实验物理样机，对s 】j o o 型柴油机机体进行了等强度轻型化设计，使得原枫体减重1 8 ，物理样机一次试制成功，并通过了厂家2 0 0 小时可靠性实验。实验考核显示改进后机体强度和动态特性皆优于原设计，由此证实了该设计模式的可行性和可靠性。s 1 1 0 0型柴油机机体等强度轻型化设计过程说明，上述现代设计模式大大降低了开发成本，缩短了开发周期，提高了产品的质量，解决了单缸柴油机领域面临亟待解决的问题，对我国内燃机结构设计具有一定的工程参考价值。关键词：柴油机机体；等强度；轻型化；现代设计模式；有限元分析；模态试验振动分析。a b s t r a c ti n t e r n a lc o m b u s t i o ne n g i n ef i c e n g i n e ) i n d u s t r yh a sa d v a n c e dr a p i d l yi no u rc o u n t r y , e s p e c i a l l ys i n g l e c y l i n d e rd i e s e le n g i n e f r o m19 9 2 ，c h i n ah a sb e e nt h eb i g g e s ts u p p l i e ro fs i n g l e c y l i n d e rd i e s e le n g i n ei nt h ew o r l d b u to u rc o u n t r y sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tt e c h n o l o g i e si nt h i sf i e l da r es t i l lb e h i n d h a n da n db a s e do nt h et r a d i t i o n a le x p e r i e n c em o d e t h e r e f o r e ，t h es i n g l e c y l i n d e rd i e s e le n g i n ec o m p a n i e si nh o m ec a nn o tm e e tt h ed e m a n d so ft h el o c a la n di n t e r n a t i o n a lm a r k e t s u n d e rt h eb a c k g r o u n d ，t h em o d e md e s i g nm o d eo fd i e s e le n g i n ei sc o n d u c t e di nt h i st h e s i s ，s 1 1 0 0d i e s e le n g i n eb l o c kf r o ms i f a n gg r o u pc o r p o r a t i o no f z h e j i a n gp r o v i n c ei si n v e s t i g a t e di no r d e rt or e d u c et h ew e i g h to ft h eb l o c k t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ：f i r s t l y , t h ep a p e rd e s c r i b e st h ea p p l i c a t i o n so fm o d e md e s i g nt h e o r ya n dm e t h o di ni c e n g i n ei n d u s t r y s o m et e c h n i c a li s s u e sa r ed i s c u s s e d ，s u c ha sf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) ，d y n a m i cd e s i g n ，o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，c a d c a e ，c o n c u r r e n td e s i g na n ds oo n i ti sc o n c l u d e dt h a tv i r t u a ld e s i g nw i l lb et h et r e n do fm o d e mi c ，e n g i n ed e s i g nm e t h o d s e c o n d l y , t h ee x t e r i o rv i b r a t i o ne x p e r i m e n to ns i1 0 0d i e s e le n g i n ei sp e r f o r m e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i nt h ee x p e r i m e n t ，t h ev i b r a t i o nr u l eo ft h ew h o l ee n g i n ei sf o u n do u ts o a st op r o v i d et h en e c e s s a r ye x p e r i m e n t a ld a t af o rt h ed e s i g no fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h ee n g i n eb l o c k m e a n w h i l e ，t h ee x p e r i m e n to nv i b r a t i o ns e v e f i t yo fs1 10 0d i e s e le n g i n ei sc a r r i e do u tt oe v a l u a t ei t so v e r a l lp e r f o r m a n c ea n dp r o v i d e st h ep a r a m e t e rf o rt h ee v a l u a t i o no f lj i g h t w e i g h td e s i g no f t h eb l o c k t h i r d l y , t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ( f e a ) i sa p p l i e di nt h el i g h t d u t yd e s i g ni no r d e rt oo b t a i nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n so ft h ed i e s e le n g i n eb l o c k s o m ef a c t o r sw h i c hh a v ee f f e c t so nt h ep r e c i s i o no fn u m e r i c a la n a l y s e sa r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，s u c ha st h ec h o i c eo fe l e m e n tt y p ea n ds i z e ，t h es i m p l i f i c a t i o no fe x c i t a t i o nl o a d s ，t h ed e f i n i t i o no fb o u n d a r yc o n d i t i o n sa n ds of o r t h t h ee x p e r i m e n t a lm o d a la n a l y s i s ( e m a ) i sc o n d u c t e dt od e t e r m i n et h en a t u r a lf r e q u e n c i e so f t h ee n g i n eb l o c k t h ef i n i t ee l e m e n tm o d e lo f s l l 0 0b l o c k i sv e r i f i e db yc o m p a r i n g t h ef e a d a t a t o e m a d a m u n d e r t w ot y p i c a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，t h ei n t e n s i t yo ft h eb l o c ki sc a l c u l a t e db yt h ef i n i t ee l e m e n ts o f t w a r em s cn a s t r a n t h ea c q u i r e dr e s u l t sa r ef l l r t h e ra n a l y z e d ，w h i c hp r o v i d et h eb a s i sf o rt h em o d i f i c a t i o nd e s i g no ft h i se n g i n eb l o c k b a s e do nt h es t r e s sd i s t r i b u t i o n s ，t h ep a p e rc o n d u c t st h el i g h t w e i 曲td e s i g no fs110 0d i e s e le n g i n eb l o c ka c c o r d i n gt ot h ee q u a l i n t e n s i t ya n db l o c kd e s i g np r i n c i p l e s e v e n t u a l l y , t h ef e mi sr e a p p l i e dt oe x a m i n et h ei n t e n s i t ya n dt h em o d a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h em o d i f i e dd i e s e le n g i n eb l o c k f i n a l l y , t h ep r o t o t y p eo ft h em o d i f i e db l o c ki sm a n u f a c t u r e dw i t ht h ew e i g h tr e d u c t i o no f6 k g t h em o d i f i e dd i e s e le n g i n eh a sp a s s e dt h er e l i a b i l i t yt e s t i n gf o r2 0 0h o u r s ，t h ei n v e s t i g a t i o n so nt h ev i b r a t i o no ft h em o d i f i e dd i e s e le n g i n ea r ep e r f o r m e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so ft h em o d i f i e de n g i n eb l o c ki se v e nb e t t e rt h a nt h a to ft h eo r i g i n a la n dt h e nv e r i f yt h er a t i o n a l i t yo ft h em o d i f i c a t i o ns c h e m e b a s e do na l lo ft h ew o r ka b o v e i ti sc o n c l u d e dt h a tt h em o d e md e s i g nm o d eo fd i e s e le n g i n ec o n d u c t e di nt h ep a p e ri sf e a s i b l ea n dw i l lb eh e l p f u lf o ro u rc o u n t r y si c e n g i n ei n d u s t r yd e v e l o p m e n ti nf u t u r e k e yw o r d s d i e s e le n g i n eb l o c k ；e q u a l i n t e n s i t y ；l i g h t w e i g h t ；m o d e md e s i g nm o d e ；f e a ；e m a ；v i b r a t i o na n a l y s i s ，独创性声明本入声明月h 。的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文叫恃别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的确i 究成架，也不包含为获得鑫洼盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的利私! 。与我一同： 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签私：。l 盘照签字同期：2 。d 牛年i z 月2 牛f f学位论文版权使用授权书本学位论文 1 者宄全了解叁洼盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权苤注盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影| = | ， f 叫或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阋。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。( 保密的学位论文存解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：隧：篁垒导师签名签字日期：2 时i lf 乙月z 牛日签字r 期；己1 年，1 月1 ￥同第一章绪论第一章绪论1 1 引言动力装置的小型化、轻量化一直是人们矢志不渝的追求目标。蒸气机的问世，带来了第一次工业革命，但由于体积庞大、笨重，大多还只是用作固定式动力装置。为了获得更加普遍的应用，工程师们致力于小型、轻便的动力装置的研究。1 8 7 6 年，德国人奥托研制成功了第一台四冲程煤气发动机，标志着一个新的动力时代的来临。汽车的发明者奔驰和戴姆勒在奥托内燃机的基础上进行了改进，并将其装载于汽车上。这种轻便、稳定的发动机从此带领人类进入了汽车时代。1 8 9 2 年，荻塞尔试制成了第一台柴油机，采用了不同于奥托内燃机的一种压燃式发动机原理。虽然这种发动机省油，热效率高，但是由于当时存在的缺陷而没有得到广泛应用。其中最大的缺陷就是笨重。由于柴油机气缸压力比汽油机高很多，因而柴油机的缸体要比汽油机粗壮许多，同时早期的柴油机为压缩空气使用的空气压缩机质量也非常大，这些使得柴油机整体上十分笨重，极不适应当时骨架还很娇小的汽车。但柴油机拥有汽油机不可比拟的扭矩优势，在功率相同时柴油机又拥有很大的燃油经济性优势，这就让人们并没有放弃它。1 9 2 4 年，美国的康明斯公司正式采用了泵喷油器，这一发明有效地降低了柴油机的质量。不久以后，博世公司开始正式生产标准泵喷油器，正是由于柱塞泵的普及，为柴油机安装在汽车上提供了基础。自二十世纪七十年代，内燃机工业又面临两大问题：能源和环境，因而各国政府先后制定了能源保护、废气排放和噪声的有关法规，内燃机技术的发展主要是围绕这两大问题发展的。其中能源问题尤为突出，可以说是内燃机工业发展与变革的动力。对于装载于汽车上的发动机而畜，节约能源首先是提高燃油经济性，而影响燃油利用率的主要因素除发动机热效率外，车辆重量也有很大的影响。以轿车而论，按现在的轿车重量计，每减重1 0 ，燃油消耗可降低8 1 0 ，以载货车( 1 6 2 0 t 级) 而论，每降低车辆重量1 0 0 0 k g ，燃油消耗可降低6 7 。而发动机的重量占有车辆总重的相当可观的份量，也就成了减重的主要对象之一。而且发动机重量降低对于车身重量平衡分布以及优化汽车操控性都有许多好处。1 0 0 多年来，从奥托内燃机到现代内燃机，基本结构并没有发生大的变化，但其重量却在不断地减轻。并且现代内燃机继续朝着小型化、轻量化、高速化的方向发展。由于各项性能不断季导到强化，因此对内燃机的轻量化提出了更高的要求。为了满足这些要求，现代内燃机在省油和保持强劲动力的情况下，比重量还要进一步降低。但是动力增加以及重量降低将会导致强度问题，如何使二者达到第一章绪论完美的统一，传统的设计方法已无法满足。随着计算机技术的飞速发展，以及现代设计理论和方法在内燃机领域的应用，为内燃机轻量化技术提供了新的途径。1 2 内燃机轻量化技术体系构成内燃机轻量化技术包括轻量化材料的使用和结构的优化设计两大内容。以下将分别就这两个方面加以阐述。1 2 1 轻量化材料使用轻量化材料是实现轻量化的重要方面。传统内燃机材料以铸铁为主，这受到当时材料科学技术的限制所致。随着现代材料技术的发展，新型材料不断出现，传统材料的性能也得到极大的提高。铝合金以其相比于铸铁的显著优点，密度小( 仅为铸铁的i 3 ) 和良好的导热性而广泛应用于内燃机零部件中。对于汽油机机体、缸盖和飞轮等，欧美、日本基本都采用铝合金制造川。铝合金活塞、气门室罩和油底壳在国内也旱已得到普遍应用。随着镁合金材料的技术进步和抗蠕变性能的进一步提高，镁合金材料越来越具有竞争力。国外汽车厂家已尝试应用于制造汽车零部件，如自动变速器壳体以及发动机曲轴箱亦适合改用镁材料制造。若曲轴箱由铝改用镁，则可减轻3 0 左右【2 】。目前，工程陶瓷在内燃机上的应用也很活跃。工程陶瓷不是不堪一击的普通陶瓷，它具有良好的综合性能，高温强度高，耐磨性强，隔热性好，密度比低、弹性模量高。因此用它代替金属材料能大幅度提高热机效率，降低能源消耗，从而达到汽车轻量化目标。工程陶瓷已用于制造发动机和热交换器零件。在发动机上应用主要有陶瓷活塞，陶瓷气缸套、陶瓷配气机构零件、陶瓷燃烧室、增压器陶瓷叶轮等。目前工程陶瓷材料存在的问题是价格贵和成品率较低，解决这一问题尚需时日【3 j 。1 2 2 结构优化技术近年来以有限元素法为代表的c a e 技术的发展令人瞩目，它在结构研究中已经变得不可或缺了。虽然如此，但目前实际使用的多数技术除了要求能够进行结构设计外，还要对设计好的结构在压力负荷下的反应做出分析，并非仅止于模拟试验。传统的结构开发，它的设计要求，即模拟环境条件下的结构反应特征，是预先提供给设计者的，只需要根据该数据进行设计就可以了。这是传统设计工程师的设计模式，它是一种基于长年积累的技术和经验来进行设计的方法。这样设计出来的结构，虽不能说是最稳妥，但却能满足大致上的设计要求。但相比过去，对于高要求的轻量化设计就不能继续沿用现有的技术了。再加上工程师的技术和技能的继承都不是件容易的事，这些都导致了与传统不一样的思考方法，即结构优化技术的出现，并正在走向实用化。结构优化技术大致可分为：1 ) 布局优化，2 ) 外形优化，3 ) 尺寸优化，在结构的开发过程中大致按照这种顺序进行。这其中对轻量化有较大贡献的，是在第章绪论完美的统一，传统的设计方法已无法满足。随着计算机技术的飞速发展，以及现代设计理论和方法在内燃机领域的应用，为内燃机轻量化技术提供了新的途径。1 2 内燃机轻量化技术体系构成内燃机轻量化技术包括轻量化材料的使用和结构的优化设计两大内容。以下将分别就这两个方面加以阐述。1 2 1 轻量化材料使用轻量化材料是实现轻量化的重要方面。传统内燃机材料以铸铁为主，这受到当时材料科学技术的限制所致。随着现代材料技术的发展，新型材料不断出现，传统材料的性能也得到极大的提高。铝合金以其相比丁铸铁的显著优点，密度小( 仅为铸铁的1 3 ) 和良好的导热性而广泛应用于内燃机零部件中。对于汽油机机体、缸盖和飞轮等，欧美、日本基本都采用铝合金制造j 。铝合盒活塞、气门室罩和油底壳在国内也早已得到普遍应用。随着镁合金材料的技术进步和抗蠕变性能的进一步提高，镁台金材判越来越具有竞争力。国外汽车厂家已尝试应用于制造汽车零部件，如自动变速器壳体以及发动机曲轴箱亦适合改用镁材料制造。若曲轴箱由铝改用镁，则可减轻3 0 左右i “。目前工程陶瓷在内燃机上的应用也很活跃。工程陶瓷不是不堪一击的普通陶瓷，它具有良好的综合性能，高温强度高，耐磨性强，隔热性好，密度比低、弹性模量高。因此用它代替金属材料能人幅度提高热机效率，降低能源消耗，从而达到汽车轻量化目标。工程陶瓷已用于制造发动机和热交换器零件。在发动机上应用主要有陶瓷活塞，陶瓷气缸套、陶瓷配气机构零件、陶瓷燃烧室、增压器陶瓷叶轮等。目日口工程陶瓷材料存在的问题是价格贵和成品率较低，解决这一问题尚需时日l 3 1 。1 2 2 结构优化技术近年来以有限元素法为代表的c a e 技术的发展令人瞩目，它在结构研究中已经变得不可或缺了。虽然如此，但日前实际使用的多数技术除了要求能够进行结构设计外，还要对设计好的结构在压力负荷下的反应做出分析，并非仅止于模拟试验。传统的结构开发，它的设计要求，即模拟环境条件下的结构反应特征，是预先提供给设计者的，只需要根据该数据进行设计就可以了。这是传统设计工程师的设计模式，它是4 种基于长年积累的技术和经验来进行设计的方法。这样设计卜h 来的结构，虽不能说是最稳妥，但却能满足大致上的设计要求。但相比过去，对于高要求的轻量化设计就不能继续沿用现有的技术了。再加上工程师的技术和技能的继承都不是件容易的事，这些都导致了与传统不一样的思考方法，即结构优化技术的出现，并正在走向实用化。结构优化技术大致可分为：1 ) 布局优化，2 ) 外形优化，3 ) 尺u 优化，在结构的开发过程中大致按照这种顺序进行。这其中对轻量化有较大贡献的，是在结构的开发过程中大致按照这种顺序进行。这其中对轻量化有较大贡献的，是在第一章绪论构思阶段能够有效确定大致框架的布局优化技术。现在虽说尚未完全实用化，但不久将会实现。另一方面，确立大致框架开始到完成具体结构制造这一阶段，为了少做无用功，研制出更为合理的结构，必须使外形和尺寸取得结构整体上的平衡，有效地利用外形优化技术和尺寸优化技术。本文考虑到内容的相关性，只对后两种优化技术加以简单介绍。外形和尺寸优化，又可称为形状优化，这是国外设计轻结构的主要方法之一。即在设计零件时，力图按实际工况来优化零件的形状设计，从而达到“用形状优化来实现轻量化”。形状优化法能够达到既减小零件的质量又延长零件寿命的目的。这种方法采用了一种建立在生物增长规律基础上的数值计算方法，它的基础是模拟一种凭借经验确定的生物学增长规律，用有限元法研究生物增长载体( 如骨骼、树木等)的力学特性。研究发现，生物力载体会避免应力集中，并始终试图增长为一种标准载荷作用下表现为均匀表面应力的形状。这就给设计师以启发，可借助于形状的变异来降低峰值或是使应力分布均匀化。具体做法是向承受高负荷的部位储存材料，而将承受低负荷的部位去除材料。零件的形状将按照避免出现应力高峰并使应力分布均匀来设计【5j 。内燃机在运行过程中承受燃料燃烧带来的机械负荷和热负荷的双重作用。特别是机体和缸盖，作为内燃机的两大主要零件，其受到的应力更加复杂。其中，机体受到循环燃烧爆发压力带来的机械应力影响较大，而缸盖的热应力一直是人们非常关注的问题。在机体和缸盖的结构设计中，由于其结构复杂，传统的理论力学计算根本不能够进行下去。以往，工程师们大多凭借着从试验中积累获得的经验来进行设计。这样设计的结果，往往使得结构具有相当大的安全系数，也就意味着材料有盈余。并且即使当结构通过了性能试验，也不知道为什么会通过，这就为再次改进设计带来了盲目性。有限元分析技术的发展为复杂结构的应力分析提供了有效的手段。特别是随着计算机数据计算、处理和存储速度的不断增加和有限元技术的成熟，为复杂结构的三维全方位有限元应力分析提供了可能。基于有限元分析技术的形状优化法应用于内燃机机体结构设计中，将达到等强度轻量化设计的目的。本文将在后续章节以s 1 1 0 0 型柴油机机体的等强度轻量化设计为例详细阐述这一方法的具体应用过程。1 3 基于虚拟技术的内燃机轻量化设计流程为了满足现代内燃机更高的轻量化要求，必须使用现代设计手段( 将在本文第二章加以介绍) 。继续沿用传统的“设计物理样机试验修改”不断循环的设计过程显然已不能满足快速变化的市场需求。引入虚拟样机技术和虚拟试验技术将彻底改变传统的设计模式，使之成为“设计虚拟样机虚拟试验修改”的虚拟设计过程。虚拟设计相对传统设计而言，不仅大大降低了开发设计的时间，并且从优化设计的角度预测产品的性能和缺陷，少走了许多弯第一章绪论路，从而降低了开发的成本，产生了巨大的经济效益。在现代内燃机开发中，虚拟设计的观念已经影响到设计的各个不同环节，并产生了设计技术上的变革性影响。基于虚拟技术的内燃机轻量化设计，具有虚拟设计的全部优点，能够以最低的成本、最快的速度和最优化的性能达到内燃机轻量化的目的。其具体的设计流程如图1 所示。内燃机零部件初始结构设计建立数字化几何、物理模型基于c a e 技术的虚拟实验结果评价( 是否达到轻量化目1互r 以轻量化为目标进行修改标并符合其它设计准则厂叫l( 改变材料或结构优化)是制造物理样机性能实验再次评价( 是否达标)是设计结束否图】内燃机轻量化设计流程图1 4 我国单缸柴油机现状近年来，我国中小型单缸柴油机的年产销量一直保持在6 0 0 7 0 0 万台，位居世界首位。我国柴油机的出口总体保持上升态势，在国际小柴油机市场占有绝对主导地位。作为世界最大的小柴油机产销基地，经过几十年的艰苦努力，我国已第一章绪论建立了较为齐全的生产网络，并带动一大批零部件生产厂家，发展势头异常迅猛。但是，我国单缸柴油机在具有这些传统优势的同时，正面临更加严峻的挑战。产品档次低、品种单一、质量不稳定、附加值低、新产品开发能力差的问题非常突出，特别是缺乏拥有核心技术和在国际市场上具有强大竞争力的知名品牌。因此，虽然近5 年出口量基本持平，但由于愈演愈烈的价格恶性竞争，平均单价从1 8 3 7 美元连续下滑到1 3 2 4 美元，单台毛利剩下不到5 美元，产品质量也出现较大滑坡。与美、日和欧盟一些发达国家相比，我国小柴油机的主要差距在于环保、可靠性和结构设计等多方面。国内现有小柴产品，属八十年代国际同类产品技术水平。结构设计水平低、体积大、重量大、转速低、油耗高，对照各可靠性指标，约为国外同类产品的4 0 6 0 ，而大多数机型的重量却要高出1 7 3 5 。导致上述差距的原因在于我国小柴油机行业的整体技术差，整机结构落后，研发水平低。我国的大部分单缸机型是从日本引进并加以改造的结果。因为没有先进的技术，所以在改造过程中也是相互模仿，导致目前国内相同缸径的单缸柴油机结构几乎完全一样。少许的结构改进也只是凭借经验而来，带有一定的盲目性。至于新产品的开发，由于没有先进的设计方法和技术作为基础，一直以一种低效、高成本的流程来进行，而如此带来的却并不是高质量的产品。如何保持我国单缸柴油机在国际市场的主导地位，如何满足国民经济特别是农村经济发展的需要，这都是我国小缸径单缸柴油机生产企业所面临的重大问题。解决这些问题的有效途径就是用先进技术改造传统产品，增强目前主导产品的市场竞争力，不断提高产品的质量，提升企业新产品开发能力。国内企业只有不断地以最低的成本、最快的速度开发出高质量的产品来满足市场的需求，才能在国际小柴油机市场站稳脚跟，才能促进我国小柴行业高效、持续、快速、健康发展。1 5 本论文的主要研究内容对内燃机零部件进行等强度轻量化设计，是人们不断追求的目标。由上述可知，引入现代设计方法将为实现这一目标提供可能。本文将围绕这一论题展开下面几个方面的阐述。本文首先将具体地介绍现代设计方法的概念及其体系构成，着重点将是现代设计理论和方法在内燃机现代设计领域的应用，以便为后续的实际工程案例作概念上的铺垫。着眼于我国内燃机现代设计最薄弱、最需要的领域单缸柴油机的产品改进设计。针对s 1 1 0 0 型单缸柴油机机体进行等强度轻量化设计，目标为减重3 公斤，并通过台架试验，保持各项性能指标不降低。由于机体的重量减轻，将可能带来刚度的问题，为此本文对改进前后的s 1 1 0 0 型单缸柴油机整机振动特性进行了研究。测出发动机机体各特征点在额定工况下的振动速度，以各测点振动速度第一章绪论均方根值的均值作为振动能量的评价指标，对发动机振动状况进行分析比较。同时测量整机的振动烈度，对比改进前后各评价指标。三维数字化模型是机体设计和强度分析的基础。本文依次在p r o e 、m s c p a t r a n 平台上建立了s 11 0 0 型柴油机机体的三维几何模型和有限元模型。以单点激励多点响应的力锤激励法，测得s l l o o 型柴油机机体在自由状态下低阶固有模态频率。利用试验结果不仅可以验证有限元计算结果的合理性，还可以对有限元模型进行修正，从而为机体的设计改进提供可靠的依据。建立机体强度分析的大型有限元模型，并针对s 1 1 0 0 型柴油机机体的实际工作情况旌加载荷条件和边界约束条件，经有限元分析得出机体各个部位的应力分布状况，为机体的等强度轻量化设计提供必要的设计根据。根据有限元计算模态分析和强度分析，得出机体的强度、振动等特性以及机体结构的薄弱环节和材料冗余区域。在此基础上，按照结构优化思想对机体进行改进设计，提出改进设计方案。最后，对改进后的机体重新建模分析，进行强度和动态特性校核，已达到等强度轻量化设计的目的。制作改进样机，进行物理样机实验，对比分析改进前后各项性能指标，已最终检验改进方案、设计流程的可行性和可靠性。第二章现代设计理论和方法在内燃机设计中的应用第二章现代设计理论和方法在内燃机设计中的应用2 1 引言市场经济下企业的竞争力是由企业的新产品开发能力、良好的管理机制和适度的自动化三者结合而形成的。企业新产品的开发能力在其市场竞争力中具有决定性意义，后两者主要是为新产品的快速开发t 快速上市、快速交货服务的。再好的管理，再高度的自动化，没有适应市场需求的开发新产品的能力，企业在市场中也是没有竞争力的。要提高产品开发能力，就必须采用先进的设计、开发和制造手段。在市场竞争的需求和科学技术不断发展的推动下，出现了现代设计理论和方法。2 2 现代设计特征设计理论是对产品原理和机理的科学总结。设计方法是使产品满足以及判断产品是否满足设计原则的依据。现代设计方法是基于设计理论形成的，因而更具有科学性和逻辑性。但一些方法还有待完善和发展，所以现代设计方法还不能完全取代传统设计方法，一些行之有效的经验方法目前仍在广泛使用，它们仍是现代设计方法的重要组成部分。现代设计是传统设计的深入、丰富和完善，而非独立于传统设计的全新设计。虽然目前对现代设计尚无确切的定义，但是可从以下特征来理解i “。( 1 ) 以计算机技术为核心这是现代设计的主要特征。计算机技术的飞速发展对设计产生了巨大影响，表现为以下几个方面。设计手段更新，甩掉图板的“无纸设计”作为现代设计的主流，极为显著的提高了设计效率。产品表示从基于投影原理的二维转变到三维“产品模型( p r o d u c tm o d e ) ”。这种表示不仅包括反映产品形状和尺寸的几何信息，还包括分析、加工、材料、特性等数据，从而可以直接用于分析与制造。有限单元法、优化设计、逆工程设计、并行设计、虚拟设计、模态设计、计算机仿真，以及以神经网络与模糊方法为代表的智能设计方法等先迸设计与分析方法的涌现和发展。随着计算机技术的发展，设计方式从传统的串行方式发展到并行方式。实现了c a d ，c a p p ，c a m ，c a e 一体化。依赖于计算机机技术的数据库技术的发展以及管理信息系统( m i s ) 、产品数据管理( p d m ) 等系统的广泛应用，企业管理水平大大提高。网络技术的发展，缩短了企业之间的联系，可实现优势互补和资源共享，使得企业生产组织模式呈现较大的开放空间。第二章现代设计理论和方法在内燃机设计中的应用( 2 )以设计理论为指导受科学技术发展水平的限制，传统设计是以生产经验为基础，以运用力学、数学和回归方法形成的公式、图表、手册等作为依据进行的。随着理论研究的深入，许多工程现象不断升华和总结，成为揭示事物内在规律和本质的理论，如关于内燃机设计的计算几何、各种优化设计理论、模态分析理论、可靠性理论、疲劳理论、人工智能理论等。现代设计方法是基于理论形成的方法，利用这种方法指导设计可减少经验设计的盲目性和随意性，提高设计的主动性、科学性和准确性。因此现代设计是以理论指导为主、经验为辅的一种设计。2 3 现代设计原则设计原则是设计产品应满足的条件，也是对设计行为的约束。传统设计所考虑的原则着眼于产品的功能和技术范畴。现代设计原则是传统设计原则的扩充和完善，而更加强调设计面向产品生命周期，可归纳出以下基本原则：功能满足原则、质量保障原则、工艺优良原则、经济合理原则和社会使用原则。2 4 内燃机现代设计方法内燃机设计是现代设计理论和方法最早应用的领域之一。由于内燃机设计本身的复杂性，使得人们不断地应用各种新理论、新技术、新工艺、新材料去解决设计过程中遇到的工程问题。反过来，在解决工程问题中又会产生新的方法和技术，从而促进了现代设计理论和方法的发展。在一百多年的历史中，内燃机的设计方法随着科学技术的发展不断完善。2 4 1 强度、刚度有限元分析传统设计所用的力学方法只能基于理想的条件下，对于复杂的结构必须进行简化，这大大降低了计算结果的精度，随着发动机强化程度的不断提高，动力性不断增强，传统的力学设计方法已经很难满足现代发动机设计的要求。有限元的理论和方法的发展，为精确计算提供了前提，计算机技术的发展为有限元应用提供了基础。现在内燃机各个部件，如活塞、连杆、曲轴、机体、缸盖、缸套、进排气门等已广泛地应用有限元分析。随着人们有限元计算经验的增加，有限元软件性能不断改进，目前有限元方法已经基本可以对这些结构进行准确应力、应变计算分析。同时，由于内燃机是在高转速的运动状况下工作，其动态性能对整机可靠性、整机的动力性和经济性甚至排放都有着重要影响，而且人们对发动机n v h 性能的要求日益苛刻，使得对发动机动态特性进行分析成为目前发动机结构设计中重要的任务之一，而有限元法是目前进行发动机动态特性分析最有效的方法。内燃机零部件有限元分析课题基本集中在应力位移场分析、温度场分析、流场分析及振动噪声分析等四方面。另外，随着人们对铸造工艺要求的不断提高，基于有限元法的铸造分析方兴未艾。同时，基于有限元分析结果的结构疲劳寿命第二章现代设计理论和方法在内燃机设计中的应用预测也己逐渐发展起来。国外许多著名内燃机研究机构如奥地利a v l 、英国r i c a r d o 、美国西南研究所、美军坦克司令部( u s a t a c ) ，主要内燃机生产厂商如美国g m 、f o r d 、c u m m i n s 、日本n i s s a n 、t o y o t a 、h o n d a 、德国b e n z 、d e u t z 、v o l k s w a g e n 、英国t n 等以及国内众多科研院所包括上海船用柴油机研究所、吉林大学、上海交通大学、北京理工大学、同济大学、大连内燃机车研究所、东风汽车工程研究院等广泛开展了内燃机零部件的有限元分析，发表了大量的研究报告和论文。分析的零件小到橡胶密封圈，大到整个机体、缸盖，几乎涵盖了所有需要分析的零部件 7 “。2 。4 2 动态设计传统的设计是静态的，设计是基于某一工况下的。然而发动机是在变动工况下运转的，工况复杂，同时发动机的许多结构也并非刚性的，而是弹性体，其本身具有一定的刚度。例如配气机构设计，静态设计时把配气机构作为刚体，不考虑其本身的变形，认为凸轮的运动与阀门的运动成线性关系。用这种方法人们设计了圆弧凸轮、低次方凸轮、高次方凸轮和复合正弦凸轮等，这些凸轮在发动机转速不高时，基本上满足了设计需要。随着发动机转速的不断升高，配气机构在高频的冲击下，开始发生弹性变形和弹性振动，为了满足高速发动机工作的需要，人们设计了多项动力凸轮、谐波凸轮等，以适应发动机工作要求。在曲轴强度设计方面，根据发动机多工况特点，计算出曲轴在不同工况下的应力循环情况，然后应用疲劳破坏理论计算益轴的疲劳寿命。发动机在工作时，稳定是相对的，动态是绝对的，发动机从一个稳态过渡到另一稳态，即使在某一稳态工况下，各受力件所受的载荷也是变动的，所以动态设计比静态设计更加符合于实际一j 。2 4 3 优化设计在最初的设计中，人们只是关心产品的功能能否实现，因此认为只要是能够实现产品功能，设计就是成功的。由于实现方式的不同，实现同一功能的设计方案大多数情况下是不唯一的，不同的设计方案制造的产品可能成本相差很大。为了能在多个设计方案中确定最好的设计方案，优化设计应运而出。优化设计是应用数学规划论、解析法和电子计算机的基础上发展起来的f 1 。结构优化工作开始对应力、位移、材料、截面尺寸等进行优化，进而发展到形状优化、动态优化及简单拓扑优化 1 1 1 。目前，优化设计在内燃机设计中已广泛应用，主要表现为：( 1 )零部件优化设计。如连杆、活塞形状的优化设计、曲轴圆角的优化设计1 12 j ，利用多体动力学软件进行的凸轮形状以及弹簧参数的优化设计【l ”。近年来由于对发动机振动噪声要求的提高，利用大型分析软件进行零部件如机体、油底壳、气门室盖罩等的振动和声学特性优化设计成为发动机零部件设计的主要内容。( 2 ) 部件与主机的最优匹配。如为了获得较高的冷却效率，寻求冷却风扇与发动机冷却系统的最优匹配；冷却水泵性能与冷却系统阻力特性的最优匹配；涡轮增压器性能与发动机整机性能的匹配；发动机燃油泵系统与发动机燃烧系统和使用工况的最第二章现代设计理论和方法在内燃机设计中的应用优匹配等。( 3 ) 发动机整机系统的优化设计。发动机是一个复杂的系统，各个系统必须协调工作，子系统的优化应该遵从整体优化的原则，有时系统部件最优结果并不一定是整体最优化的结果。当前，结构优化中尚有一些问题需进一步研究。2 4 4 可靠性设计和有限寿命设计在过去进行设计时，通常把载荷和材料强度看成一个不变量，而实际上材料由于加工过程中的细微差别，其力学特性是不同的。在一般情况下人们用材料整体的平均值来代表材料全体的每一个值，其偏差用安全系数来补偿，这样误差较大。针对这一现象，提出了基于概率分布理论的可靠性设计。可靠性设计不仅考虑了材料强度的概率分布，还考虑了零部件尺寸的概率分布，从而用概率数学方法求出零件的可靠度。发动机零部件的可靠性设计分为强度型可靠性设计和磨损寿命型可靠性设计。近年来材料的疲劳强度计算方法有了大的发展，先后出现了m i n e r 法、c o n t e nd o l a n 法和h a i b a c h 法等，国内东北大学的徐灏教授在这方面进行了大量的研究工作【1 ”。可靠性设计在发动机曲轴、连杆的强度设计方面已经应用 1 5 - 6 1 。同时由疲劳强度理论，根据发动机零部件载荷的性质，用雨流法对载荷循环特性进行统计分析，利用累积疲劳损伤法则，进行零部件寿命预测也在曲轴的寿命设计中得到采用。2 4 5 系统工程设计内燃机是一个复杂的技术系统，各个分系统之间存在着制约关系，如果设计合理，就会大大地发挥各个系统系统效率。如果各个系统之间没有很好地匹配，就会难以实现设计的最初目的。现代内燃机动力系统功能越来越强化，表现为运动、能量、物流和信息的交换多样化和物理过程的高速化。系统的结构也愈趋复杂，多重耦合特征愈益明显，表现为：多元件、多结构层次、多物理过程( 机、电、磁、液、气的动力学耦合体) ；复杂的界面分布耦合f 多种热力过程、润滑介质流体动力、界面的化学物理分子作用等耦合的结果) 。由于内燃机复杂技术系统中的多重耦合和非线性环节被激发和显现，某些异常工况也随之出现，如发动机的燃烧恶化和超标排放污染，机身出现强烈颤振和异常噪音、涡轮增压器出现的喘振等。到目前为止，这些问题并未得到很好解决，其中就包含有动力学系统的原因。因此，必须在新的高度上研究含多重耦合的大系统的设计、建模和仿真的原理和方法，以期能反映系统的各种非线性问题、弱耦合问题和时变因素对系统性能的影响规律，从而抽象出更合理的设计准则。近二十年来，尽管非线性科学迅速发展，许多非线性数学中早己成熟的概念和方法开始向其它学科扩散，特别由于计算科学及图形技术的长足进步，人们得以理解和模拟许多过去无从下手研究的复杂现象，但却较少应用于解决复杂工程问题。与此同时，现有的针对大系统的诸多建模方法和理论分析手段已很难用于分析多重耦合特征明显的复杂物理系统。第二章现代设计理论和方法在内燃机设计中的应用计算技术的蓬勃发展、应用数学的巨大成就、控制论和复杂系统理论等科学的问世、实验数学理论的诞生所有这一切都为一种新的方法的出现创造了条件，这就是设计复杂系统的现代方法，统称系统方法。系统工程设计是发动机设计的必然要求，只有真正地做到在发动机设计过程中系统地考虑各方面的要求，才能使得我国的发动机水平有进一步大的飞跃，彻底改变我国内燃机行业研究中重性能轻结构的现象