（武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，武漢 430072）

摘 要：內(nèi)燃機(jī)具備耐久、高效等特征，該設(shè)備具有較高的熱效率，功率范圍廣，且適應(yīng)性良好，在交通運(yùn)輸、農(nóng)業(yè)、工業(yè)中均起到了重要的作用，應(yīng)用非常廣泛。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對(duì)內(nèi)燃機(jī)性能提出了更嚴(yán)格、更高的要求，再加上排放法規(guī)的推出，在設(shè)備生產(chǎn)中，必須注重對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行完善。內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，在總體設(shè)計(jì)、零部件設(shè)計(jì)過(guò)程中，均會(huì)涉及到較多的計(jì)算、分析等工作，計(jì)算機(jī)技術(shù)取得飛速發(fā)展后，在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中取得了較好的應(yīng)用，可充分體現(xiàn)其特性。本文主要分析計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值，為內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)輔助技術(shù);內(nèi)燃機(jī);應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，該技術(shù)在很多行業(yè)中均得到較好的應(yīng)用，近幾年，計(jì)算機(jī)技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中取得了較好的應(yīng)用效果。將計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中，可轉(zhuǎn)變內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)模式，無(wú)需采用丁字尺、圖板手工繪制圖，可利用三維、二維技術(shù)代替以往手工繪圖[1]。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的使用實(shí)際上是機(jī)械設(shè)計(jì)行業(yè)的重要改革，在產(chǎn)品制造、設(shè)計(jì)中具有重要意義，甚至對(duì)人們的設(shè)計(jì)理念產(chǎn)生了一定影響。

1 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的含義

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)是一種將工程分析、計(jì)算機(jī)兩者結(jié)合的新型技術(shù)，它主要利用數(shù)值模擬、數(shù)值計(jì)算方法建立模型，并對(duì)其進(jìn)行分析與計(jì)算。這種技術(shù)涉及的科學(xué)較多，其中包括數(shù)學(xué)仿真技術(shù)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、工程科學(xué)等，是一門(mén)綜合性較強(qiáng)的技術(shù)。

結(jié)構(gòu)有限元分析是計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的基礎(chǔ)，一般所指的就是動(dòng)力學(xué)分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、有限元分析，有限元分析可實(shí)現(xiàn)擬靜力、靜力的非線性分析與線性分析，還能夠?qū)崿F(xiàn)磁場(chǎng)、電場(chǎng)、熱場(chǎng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與分析。機(jī)構(gòu)分析可以完成多種計(jì)算工作，例如零部件速度、加速度、位移等方面的計(jì)算，通過(guò)機(jī)構(gòu)分析均可完成。現(xiàn)階段，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展速度非?？?，在計(jì)算機(jī)仿真、噪聲分析學(xué)、流體力學(xué)中均得到了較好的應(yīng)用[2]。

工程產(chǎn)品的優(yōu)化、研制可分為四階段，第一階段：分析所設(shè)計(jì)產(chǎn)品，或者研究工程的具體內(nèi)容，并將其描述出來(lái)，獲取產(chǎn)品的機(jī)械性能、邊界條件、參數(shù)、幾何條件等信息。第二階段：采用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，完成產(chǎn)品的建模，建立計(jì)算機(jī)模型。第三階段：利用計(jì)算機(jī)，計(jì)算軟件建立的模型數(shù)值。第四階段：分析計(jì)算出來(lái)的結(jié)果，并對(duì)設(shè)計(jì)方案操作可行性進(jìn)行驗(yàn)證，針對(duì)不合理之處，可及時(shí)給予修正，便于為實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行指導(dǎo)[3]。

計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)是跨越了多種學(xué)科，被科學(xué)界、工程界所重視，該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)復(fù)雜問(wèn)題的分析，利用計(jì)算機(jī)計(jì)算相應(yīng)參數(shù)，可為產(chǎn)品實(shí)際設(shè)計(jì)提供依據(jù)，另外，計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)的使用可以使復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程變得更加簡(jiǎn)單。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段，將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于其中，有利于使產(chǎn)品設(shè)計(jì)有效性、科學(xué)性、可靠性提升，將大量低水平、繁瑣的工作過(guò)程避免，提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)分析的準(zhǔn)確性，可提高工作效率，節(jié)約費(fèi)用。

2 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用

2.1 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)缸內(nèi)工作、進(jìn)排氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

內(nèi)燃機(jī)工作過(guò)程非常復(fù)雜，其工作過(guò)程主要為缸內(nèi)工作、進(jìn)排氣系統(tǒng)工作過(guò)程，涉及內(nèi)容較多，包括有害氣體生成、噴霧、氣體流動(dòng)等，對(duì)內(nèi)燃機(jī)的排放、經(jīng)濟(jì)性、動(dòng)力性等多方面的性能具有較大影響。

就進(jìn)排氣系統(tǒng)而言，要想使設(shè)計(jì)變得更加優(yōu)化，必須明確該系統(tǒng)的流動(dòng)特性。計(jì)算機(jī)軟件能夠?qū)M(jìn)排氣總管尺寸進(jìn)行模擬計(jì)算。近幾年，計(jì)算機(jī)建模、仿真計(jì)算等技術(shù)均得到快速發(fā)展，將上述技術(shù)相結(jié)合，便可形成計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，可促使設(shè)計(jì)效率與設(shè)計(jì)質(zhì)量大大提升，將產(chǎn)品研制周期縮短。

缸內(nèi)工作非常復(fù)雜，涉及到的內(nèi)容較多，其中包括燃油燃燒、霧化、噴射等，通過(guò)在組織燃燒過(guò)程中有著較好的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)性能較高。缸內(nèi)工作主要采用數(shù)值模擬法、實(shí)驗(yàn)法完成研究，不過(guò)實(shí)驗(yàn)法的適應(yīng)性較差、費(fèi)用高，且周期較長(zhǎng)，部分信息甚至無(wú)法獲取，數(shù)值模擬法則有著較多的優(yōu)勢(shì)，可彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)法中的不足，主要有多維模擬、準(zhǔn)維模擬、零維模擬三種模擬方式[4]。

2.2 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，氣缸內(nèi)會(huì)出現(xiàn)高壓燃?xì)狻⒏邷氐痊F(xiàn)象，當(dāng)高溫燃?xì)馀c各種零部件（活塞、缸體、缸蓋等）接觸后，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)烈沖擊，若未采取冷卻措施，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)過(guò)熱，降低充氣效率，燃燒過(guò)程也會(huì)出現(xiàn)異常，機(jī)油會(huì)發(fā)生燒損、變質(zhì)現(xiàn)象，會(huì)加劇零件的磨損與摩擦，導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)耐久性、運(yùn)行可靠性惡化。若冷卻太強(qiáng)，機(jī)油可能會(huì)被燃油稀釋。內(nèi)燃機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，必須要確保溫度適宜。當(dāng)處于最佳冷卻狀態(tài)時(shí)，內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)均無(wú)異常。

利用三維技術(shù)，可及時(shí)獲取流動(dòng)信息，計(jì)算出冷卻液三維流體動(dòng)力學(xué)值，對(duì)冷卻系統(tǒng)的空間分布、水腔壓力等信息進(jìn)行模擬，為冷卻水腔系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供條件。通過(guò)獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，能夠提高系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可靠性、準(zhǔn)確性，節(jié)約經(jīng)費(fèi)和設(shè)計(jì)時(shí)間。在內(nèi)燃機(jī)內(nèi)，流體潤(rùn)滑系統(tǒng)具備清潔、防腐、潤(rùn)滑等功能，經(jīng)潤(rùn)滑原理，可確保其功能充分發(fā)揮，將摩擦減少，延長(zhǎng)內(nèi)燃機(jī)使用壽命，潤(rùn)滑油還具備冷卻的作用，冷卻方式包括兩種，分別為冷卻油槍、冷卻油速兩種冷卻方式，可利用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算，模擬冷卻油腔換熱過(guò)程[5]。

2.3 計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)在耦合模擬中的應(yīng)用

在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，可利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)模擬單個(gè)系統(tǒng)與零部件，在計(jì)算過(guò)程中，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)難以確定邊界條件等問(wèn)題，可利用耦合方法完成計(jì)算，主要耦合方式有兩種，分別為物理場(chǎng)耦合、部件間耦合。

內(nèi)燃機(jī)零部件均相互關(guān)聯(lián)，并非孤立存在，在計(jì)算過(guò)程中，需考慮到零部件間的關(guān)聯(lián)，不能夠只單純考慮到某個(gè)單部件，需利用部件固-固耦合方式完成計(jì)算，利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，可提升模擬準(zhǔn)確度。利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作過(guò)程的模擬，將獲取缸內(nèi)壓力值，明確溫度變化情況，對(duì)熱邊界條件也可進(jìn)行模擬，達(dá)到耦合模擬計(jì)算的目的。

內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)可能會(huì)遇到邊界不精準(zhǔn)等難以解決的問(wèn)題，將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于其中，可獲取各項(xiàng)參數(shù)信息，提高內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)可將完成傳熱學(xué)、燃燒學(xué)、流體力學(xué)等方面的計(jì)算，結(jié)合了多種學(xué)科，實(shí)現(xiàn)全仿真模擬，將潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、工作過(guò)程等多個(gè)方面作為一個(gè)耦合整體，可簡(jiǎn)化內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程，達(dá)到真實(shí)模擬的目的。內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)包含的內(nèi)容較多，涉及到多個(gè)學(xué)科，利用計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，可降低設(shè)計(jì)難度，提高工作效率。

3 結(jié)束語(yǔ)

內(nèi)燃機(jī)技術(shù)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通運(yùn)輸業(yè)中的應(yīng)用非常廣泛，為人

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（上接第116頁(yè)）

們的生活、生產(chǎn)活動(dòng)利用了有利條件，不過(guò)該設(shè)備的設(shè)計(jì)過(guò)程比較復(fù)雜，將計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中，有利于提高設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)度。計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)可實(shí)現(xiàn)內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真、工程圖繪制、產(chǎn)品設(shè)計(jì)等過(guò)程，彌補(bǔ)了以往設(shè)計(jì)工作中的不足，可完成虛擬制造，在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中可充分發(fā)揮作用，提高工作效率。

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