智数汽车大数据麦克恒通汽车轻量化在线
查看: 1722|回复: 0
收起左侧

[发动机] CAE在发动机设计与开发中的应用

[复制链接]
发表于 2015-9-14 09:12:46 | 显示全部楼层 |阅读模式

亲,赶快注册吧,有更多精彩内容分享!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
在国际先进研发机构,CAE技术在发动机设计中得到了越来越广泛的应用,已成为与传统实验相平行的开发手段。
        目前,发动机开发设计目标要求和难度越来越高,对产品性能和可靠性指标要求愈来愈高,产品开发需要考虑的变量不断增多,系统的复杂性加大,同时市场又要求缩短产品开发周期、降低产品开发成本和风险。为满足现代发动机研发需要,必须对传统以经验+试验的设计方法进行改进,功能强大的CAE及有限元分析技术是非常有效的手段。
        在国际先进研发机构,CAE技术在发动机设计中已得到了越来越广泛的应用,已成为与传统试验相平行的开发手段。采用CAE技术,可以在设计阶段,即对发动机各项指标进行模拟评估,对发动机复杂零部件进行刚度、强度、疲劳、模态、温度、刚体运动和弹性振动分析,达到不经试验即可进行优化设计,从而大大提高“首次设计成功”的概率,缩短设计周期。
        一汽技术中心:在产品开发早期发现问题、优化设计和减少风险
        AI:在发动机的仿真设计中,贵公司将CAE软件主要用于哪些方面的研究?取得了哪些成果?
        李康博士:一汽集团技术中心在将CAE分析技术用于产品开发已经有20年的历史了。在动力系统开发中,CAE方法更是得到了广泛的应用,几乎每个产品开发项目中都有CAE分析工程师的贡献。CAE结构强度分析涵盖了主要结构件,近年来在疲劳分析和结构优化方面也取得了进展,CFD分析主要应用于冷却系统、进排气系统和机舱流动,以及汽油机、柴油机缸内流动、喷雾、混合和燃烧过程。
        此外,针对冷却系统和进排气系统零部件内的流动,如风扇、水泵、节温器、气道和后处理器等,我们也开展了CFD分析工作。动力总成NVH分析考虑了来自爆发压力、曲轴、活塞和配气机构的激励,开展了试验验证工作。动力学分析针对配气机构、曲轴系和发动机悬置展开。将热力学分析与DOE技术相结合,我们开展了机械增压、多级增压分析工作,与CFD分析相结合,我们开展了EGR各缸分配均匀性的分析。随着新能源动力系统的开发,针对电机、电池的CAE分析也在开展,并取得初步成果。
        经过20年的积累,一汽集团技术中心形成了针对产品开发的CAE能力,积累了经验,发挥了作用。我们强调CAE分析的工程价值,强调CAE分析工程师与设计师、试验工程师的交流,强调在产品开发实践中积累工程经验。在长期实践中,我们积累了大量的分析模型、分析数据和分析结果,以及与CAE相关的试验数据。经过总结,在各个领域形成了一套分析流程,形成了中心计算分析手册,建成了分布在各个部门CAE仿真团队。
        AI:国内汽车行业CAE应用中普遍存在的问题就是企业没有自己的标准或者标准不完善,从而导致做了CAE分析后没办法有效地评价分析结果。您如何看待这个问题?有哪些解决方法吗?
        李康博士:CAE分析的标准包括两个方面,分析过程的标准和结果评价的标准。形成自己的标准除了学习更需要积累。长期以来,我们的仿真数据保存在CAE工程师电脑中,没有得到充分的管理和利用,CAE分析工作规范化程度需要进一步提高,进一步细分CAE仿真工作内容,建立边界条件设定和模型建立的标准,建立和完善分析结果评价标准。
       

CAE在发动机设计与开发中的应用

CAE在发动机设计与开发中的应用

        图1 一汽技术中心副总工程师李康博士

        另外,产品开发工作要求继续提高分析精度,要求将CAE仿真用于支持产品策划和概念设计。这些都是对CAE分析工作的挑战。目前也还存在着CAE分析与产品设计沟通不畅,分析方案与产品设计方案不同步,计算分析与试验开发结合不够,来自试验的反馈和修正信息不够及时等问题。产品开发任务日益增加,需要提高CAE工作效率,在人力资源有限的条件下完成更多的分析工作。分析内容还需要进一步拓展,特别是多学科综合分析能力需要提升。近年来,我们企业新入职员工较多,如何使他们尽快成长,也是CAE分析部门面临的挑战。今后,一汽技术中心还面临着如何管理分布式研发中CAE工作的问题。
        针对以上问题和挑战,为了管理和规范CAE活动,方便CAE与设计部门的沟通,实现部分CAE自动化,实现数据和知识的积累和重用,一汽技术中心决定建立中心级的仿真数据管理系统,用于提升CAE分析的工程价值。基于仿真数据管理系统,细化CAE分析任务,明确部门分工,实现对CAE知识的管理和利用,协助项目进行CAE任务计划,建立分析工程师和设计师的沟通平台。
        具体说,就是通过任务分配,几何信息获得,提供分析规范和标准工具,借助仿真自动化,模型和网格的共享,分析结果的审核与提交,支持CAE任务执行。通过明确CAE分析与设计目标的关联,跟踪目标满足情况,对标历史数据,协助保障产品开发质量。通过显示CAE任务进度和状态,按软件工具、部门、项目和人员统计工作量,协助项目和部门进行CAE任务管理。同时可以用于支持分布式研发。
        AI:有人预言,随着计算机技术的发展,以及汽车主机厂在CAE分析验证方面经验的不断积累,CAE分析可以完全取代试验,使整个汽车研发在虚拟环境下完成成为可能。您对此有什么看法?我们距离这个目标还有多远?
        李康博士:发动机的工作过程十分复杂,虽然在部分领域里已经可以用CAE分析代替或部分替代试验,但我相信完全用CAE分析替代试验是件十分遥远的事。在产品开发中,CAE分析最重要的价值不是替代试验,而是在产品开发的早期发现问题,优化设计,减少风险,节省时间,尽早将产品推向市场。
       
长安汽车工程研究院:发现问题、验证问题和解决问题的手段和工具
        1. CAE应满足发动机先进技术的发展需求
        长安汽车在动力总成自主研发过程中不断吸收先进技术,以达到动力经济性、可靠性和NVH等性能开发目标,并控制质量、成本和进度。为提升项目开发中的CAE分析应用水平,应综合考虑项目进度、风险和系统复杂度,并需要打造一只具有高效判断和计算分析能力的CAE团队。
        进度和风险控制可通过流程和项目管理来规范,其中CAE须参与目标设定,进行多方案筛选,提出合理依据和可行性措施方案,判别风险程度,并结合问题复杂度,提出风险前移的目标和计划。
       

CAE在发动机设计与开发中的应用

CAE在发动机设计与开发中的应用

        图2 长安汽车工程研究院动力中心副主任、动力技术所所长、工学博士蓝军先生

        系统复杂度主要表现在分析系统特征复杂性、产品功能复杂性、工况控制策略复杂性、多物理和化学现象复性、仿真建模复杂性等。许多软件供应商提供了多物理现象的计算仿真工具,可满足不同复杂度的需求。对于进度急、风险高和复杂度高的产品问题,则常需要试验与仿真联动分析,用试验数据设定边界条件,降低建模的复杂度,更精准地判断问题原因和提出改进措施。
        从零部件设计角度而言,在进排气系统参数设计、气道设计、SOHC单顶置凸轮轴和DOHC双顶置凸轮轴设计、曲轴系和曲柄连杆机构设计、发动机和整车性能预测等许多方面,CAE已成为必须的设计分析手段。
        从性能分析角度而言,在发动机外特性和部分负荷特性、整车动力性和经济性、冷却系统匹配、润滑系统匹配、结构可靠性、发动机和变速器NVH特性分析和优化方面,CAE分析已成为发动机和整车性能目标确定和总体设计的必要依据,并发展成系统分析平台,包括软件、方法和数据库等。
        从技术发展角度而言,在VVT可变正时和VVL可变气门升程、VCM可变进气冲量和VIM可变进气歧管长度、TC增压、EGR废气再循环和GDI汽油缸内直喷等技术升级中,CAE现已逐渐渗透进设计流程,进行目标确认和方案优化,并与试验手段一道,成为设计开发体系中的重要组成部分。
        2. 设计开发流程与CAE子流程的闭环管理
        长安动力总成研发流程已运用多年,在指导和规范产品研发过程中起到了非常重要的作用,并根据里程碑的要求,细化了燃烧开发、机械开发等子流程,而且更进一步细化,形成了CAE子流程、NVH子流程、变速器匹配子流程和工艺分析子流程等。在CAE子流程中,详细定义了CAE的分析内容,以及产品性能目标设定、概念和布置分析、详细性能优化、样机和试验阶段的分析、责任单位、交付时间、重点里程碑评审等。
        根据每个研发项目,需制定相应的CAE分析内容。
        为了高效达成CAE的应用效果,还需从下面几个方面进行有效管理:
        (1)闭环管理:从产品研发开始到批量生产的整个过程中,通过跟踪问题关闭率,来观察和统计CAE的最终有效性。在计算分析方法和精度是合理可信的基础之上,进行产品设计特征分析、仿真结果分析、多方案筛选和优化,以达到产品性能目标。
        (2)计算流程与项目管理流程的并行协同:选择合适的模型复杂度等级、缩短计算和优化周期、协调设计数模与计算数模衔接等内容,成为CAE工时计划和人员管理的重要依据。
       

CAE在发动机设计与开发中的应用

CAE在发动机设计与开发中的应用

        图3 CAE应用中应考虑的重要因素

        (3)数据状态管理:跟踪并交付分析优化方案,统一CAE仿真模型与快速样件、工装样件或样机的数据状态,达到高效管理的目的。
        (4)试验故障判定:在样机试验后,CAE应及时参与故障排查,分析故障原因,提出优化方案。并加强CAE工程师对故障的判断能力、协调能力、想象能力,深化理论基础学习和研发实践。
        3. 发动机CAE应用能力和知识体系建设
        在产品研发中,CAE是发现问题、验证问题和解决问题的手段和工具。要用好CAE分析工具,工程师需要对产品设计、性能分析、试验分析有较深的理解,需要回答主要的设计问题,如设计特征与目标达成的关系、设计特征与实际风险问题之间的关系、方案的可行性问题。具体地说,在计算分析系统和零部件时需确定:设计有什么特征、该设计会导致怎样的结果(或为什么导致这样的结果)、优化方案是什么。
        比如,在动力总成NVH优化中, 为提升CAE的应用能力和分析体系,要建立激励→固有特征→响应过程的优化方法、手段和培训:
        (1)激励分析:包括燃气压力测量、发动机曲柄连杆机构动力学计算、配气阀系和正时传动动力学计算、活塞敲击动力学计算,确定激励特征。
        (2)固有特性:包括零部件单体和动力总成有限元模态计算和试验模态分析、传递函数与刚度分析、结构阻尼分析,确定模态参数目标,判定共振频率,分析结构设计特征。
        (3)响应结果分析:包括噪声辐射贡献率计算和排序、贡献率试验分析、声压声功率频谱分析、表面速度级频谱分析,确定稳定转速工况或加速工况下的噪声辐射水平,达成多优化方案设计和筛选。
       

CAE在发动机设计与开发中的应用

CAE在发动机设计与开发中的应用

        图4  动力开发的PDCA闭环

        4. 发动机CAE技术展望
        发动机CAE发展需要计算技术发展和基础科研水平的不断提高,而提升CAE应用水平则是发展的关键。结合长安汽车当前的产品研发需求,发动机CAE技术还需从以下几个方面继续深化:
        (1)精准的发动机性能仿真:预测先进发动机的性能,预测汽油机爆震,分析缸内流动、喷雾和燃烧,优化燃烧方案和策略,预测瞬态响应过程以便满足硬件在环仿真等;
        (2)精准的可靠性和NVH仿真:建立完善的分析规范和模型库来分析强度、温度、密封、润滑、螺栓、接触、安装变形等可靠性问题;构建整机和附件的NVH计算平台和快速计算方法,完成NVH模型包,在概念设计时计算、预测和分解NVH目标,评判声品质,分析动力总成和传动系统的扭振,优化变速器的啸叫和敲击等;
        (3)精准的整车性能仿真:分析传统车、混合动力或plug-in的整车的动力性和经济性,优化整车控制和换挡策略,提升整车能量管理,优化电子电器系统设计参数;
        (4)精准的工艺CAE仿真:分析缸体缸盖铸造和热处理、工装、机加和总装过程过程,分析铸铝合金、镁合金、铸铁材料工艺过程。
        5. 结语
        要充分发挥CAE在产品设计开发中的作用,集成分析功能,以方案为导向,以团队和人员的技术发展为基础,下大力气来完善CAE应用机制,包括:产品技术需求、项目流程管理、数据状态、方案交付与跟踪、仿真分析平台、知识能力提升和数据库建立等。
       
长城动力研究院:定性分析、减少试验次数、缩短试验周期
        AI:在发动机的仿真设计中,贵公司将CAE软件主要用于哪些方面的研究?取得了哪些成果?
        王瑞平院长:长城汽车现有发动机和新产品均为自主开发,因此强大的CAE分析能力成为成功开发新机型的重要保证。
        长城汽车动力研究院现有CAE软件主要是采用AVL BOOST、EXCITE TD、EXCITE PU、FIRE以及HYPERMESH、ABAQUS来进行热力学分析、CFD分析和有限元分析。热力学分析比如凸轮型线设计是通过BOOST进行气门升程曲线的优化再进行凸轮型线设计,得到同时满足热力学和动力学的凸轮型线;CFD分析包括水套CFD分析、进排气系统CFD分析、气道CFD分析以及燃烧分析等;有限元分析用于零部件结构分析、多体动力学分析和NVH分析,以及应用流固耦合技术进行缸体缸盖耦合来分析缸盖热应力和缸套变形等。
        近几年来,CAE技术广泛应用于长城汽车各平台发动机的开发,在1.5L以下小排量VVT汽油机、2.0VGT柴油机及1.3/2.0GDIT直喷汽油机的开发中都发挥了重要作用,如在2.0GDIT直喷汽油机前期开发中,利用CFD分析软件分析发动机缸内的进气过程,进行燃烧室的选型;在2.0VGT柴油机后期试验中出现水泵壳体断裂,通过CAE模态分析找出存在问题并经过结构优化,使问题得以解决。
       

CAE在发动机设计与开发中的应用

CAE在发动机设计与开发中的应用

        图5 长城动力研究院王瑞平院长

        目前CAE已广泛应用于长城汽车所有新机型的开发。在CAE支持下完全自主开发的1.3VVT汽油机及2.0VGT柴油机均已量产,并分别荣获2009/2010年度十佳发动机称号。
        AI:国内汽车行业CAE应用中普遍存在的问题就是企业没有自己的标准或者标准不完善,从而导致做了CAE分析后没办法有效地评价分析结果。您如何看待这个问题?有哪些解决方法吗?
        王瑞平院长:建立评价标准是提升CAE分析水平的必要条件。CAE起步之初,我们就策划建立自己的CAE分析标准,但是标准的建立非一日之功,需要大量的数据积累和模型的验证,而且随着开发新机型技术水平越来越高,已有标准也需适时更新。对于标准的问题,我们主要通过以下三方面来解决:一、通过已开发的十几款发动机的试验数据来校正模型,通过归纳总结来建立标准库。二、通过大量BENCHMARK研究,积累标杆机数据,扩充标准库。三、通过专家指导,完善标准库。
        AI:贵公司在整个发动机的研发流程中,CAE在能否与概念设计、测试试验等紧密顺畅衔接?存在哪些问题?
        王瑞平院长:长城汽车动力研究院建有独立的CAE分析专业团队,这样有助于快速提高CAE分析的整体能力。目前我们CAE应用贯穿于发动机开发的各个阶段。在概念设计阶段,CAE团队会根据发动机技术特点识别开发过程中所需进行的CAE分析项目,结合项目组开发计划开展CAE分析工作,将CAE融入到发动机开发中。在样机试验阶段跟踪试验结果,和计算结果对比,修正CAE模型,形成不断改善的PDCA循环。
        AI:有人预言,随着计算机技术的发展,以及汽车主机厂在CAE分析验证方面经验的不断积累,CAE分析可以完全取代试验,使整个汽车研发在虚拟环境下完成成为可能。您对此有什么看法?我们距离这个目标还有多远?
        王瑞平院长:目前CAE的确在发动机开发中发挥着不可替代的作用。对于常规机型的CAE分析已比较成熟,部分项目计算已比较准确可望取代相应试验项目,实现虚拟环境下的开发。但对于新技术机型的分析由于缺乏相应的经验数据加之软件本身对于新技术的局限性,大量经验公式的使用及边界条件的假设,可能使CAE计算很难做到完全精准,但可给出定性分析,可减少试验次数、缩短试验周期,但完全取代还需相当长的时间。
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则