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1、CAE技术在工程中的典型应用案例分析“以内燃机设计为例一、传统设计方式与虚拟样机设计方式1.传统设计方式内燃机作为较复杂的机械产品，其设计自然也很复杂。传统的设计通过构思、画草图、 比较方案、设计计算、绘工程图、加工制造步骤 以实物样机为最终结果。传统设计方式不 仅费时费钱，且可能要经过多次反复才能达到产品定型生产。发现问题，重新修改没计图1传统机械产品设计方式2.基于虚拟样机的产品设计CAD/CAE集成技术以虚拟样机实验代替传统的实物样机实验,在产品制造加工前发现设 计问题并及时予以纠正，不仅节省了时间和成本，还能大幅度提高设计质量。这种通过 CAD/CAE集成系统实现的基于虚拟样机的设计过
2、程如图2所示。CAD/CAE集成技术使得产品的 设计方式由传统设计方式转变为基于虚拟样机的现代产品设计。二、在内燃机中的应用目前在国内的内燃机设计中广泛采用了 CAE技术，但企业的重视程度却不高，因此它并不 像CAD那样普及，主要模式是内燃机有关的科研院所和生产企业合作开发新产品,企业提要求, 科研院所出方案。CAE技术在内燃机设计中的主要应用有如下几个方面：2. 1缸内流动分析燃烧节能是内燃机设计的一个主攻的方向，因此分析缸内工质流动规律，以此来改进设 计，在内燃机设计过程中是必不可少。而CAE软件都提供了极为方便快捷的分析手段。对四冲 程汽油机进行缸内流动的分析,可以在Pro/ENGINE
3、ER建立的内燃机气缸盖模型中,提取燃烧 室流体分析的几何区域，并导入数值流体力学分析的前处理器（使用Gam-bit）,这样可以充分 利用三维建模环境下产生的几何信息。在缸内工作过程中，当活塞处于下死点时，建立气缸工 质流体区域模型，由于该过程进、排气阀都紧闭，所以可以忽略气阀结构的影响，流体分析区 域是一个封闭的几何体，在建立合适的面、体后可以得到三维流体区域模型和划分的动态网 格。利用数值流体分析工具（如Fluent软件）进行气缸内工质的动态分析。对模型进行迭代计 算，可以得到压缩过程各种热力参数的仿真结果,如上死点流速、温度、压强分布以及平均压 力和温度的变化过程等。2. 2结构强度分析结
4、构强度是保证内燃机工作安全性、可靠性的重要指标，因此结构强度分析应用最为广 泛。它可以判断结构在工作载荷作用下是否安全，哪些部位发生应力集中,哪些部位强度不足, 以此来改进设计。像ANSYS、MSC. NASTRAN等大型CAE软件都提供了极为方便快捷的分析手段。 对上文中设计的四冲程汽油机的活塞进行应力分析，可以采用与Pro/ENGINEER无缝结合的有 限元分析工具Pro/MECHANICA0将活塞的1/4模型移至Pro/MECHANICA环境下，可以完全利用在 Pro/ENGINEER中建立的几何信息。首先选取热力分析模式，设置模型材质，这里选取铝合金 AL2014,并加入（Assign
5、）活塞模型中。根据缸内流体动力学仿真分析得到的结果，可以计算出 内燃机一个工作循环内活塞顶面平均温度、平均压力，作为表面热力和压力负荷加入活塞模 型的上表面。设置表面换热边界条件并在负荷约束设置中包括指示温度和模型的轴对称至 此形成一个完整的有限元热力仿真模型。对该仿真模型进行分析后即可以得到活塞应力分 布。2.3动力学仿真分析动力学仿真基于多体动力学理论，可在研究阶段预测内燃机运动机构甚至整车的动力学 性能，对这些性能进行优化,以达到提高产品性能的目的。2.4其他分析结构优化设计、模态分析、疲劳分析、热分析、噪声分析等也都是内燃机设计中经常要 进行的仿真内容，绝大多数的大型有限元软件都能做以上分析。参考文献1. 周爽.三维CAD/CAE技术在内燃机设计中的应用J,沈阳航空工业学院学报.2007.Vo.l.24 No.32. 韩同群.CAD/ CAE集成技术在内燃机设计中的应用J,湖北汽车工业学院学报.2006Vol.20.No.1
