有限元技术在柴油机设计领域的实践

1 柴油机设计需要有限元分析

目前，柴油机研发目标的要求和难度越来越高，体现在以下一些方面：

柴油机的性能和可靠性指标愈来愈高，其中的一些参数的变化趋势相互制约，参数优化空间相对变小，研发的风险加大

产品开发需要考虑的变量不断增加，系统的复杂性增大，（跨行业、跨部门的协作增多）

同时要求缩短产品开发的周期

降低产品开发的成本和风险

提高研发产品的质量

因此，柴油机研发受到很大的挑战。为满足现代柴油机的发展需要，必须对传统的以经验＋试验的设计方法进行改进，其中借助功能强大的计算机辅助工程（CAE）是非常有效的手段。

目前，在先进的研发机构，CAE已是柴油机设计工作的主要组成部分。采用CAE，可以在样机制造之前，即对发动机各项指标进行模拟评估，可以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，降低设计成本。如AVL公司借助CAE手段，可以将一个产品开发的周期从42个月缩短为24个月。此外，采用CAE模拟手段还能得到一些在实际试验中也难以得到的各种数据。

作为CAE的一部分，有限元分析（FEA）在发动机的设计中得到了越来越广泛的应用，其主要用途是对发动机复杂零部件进行温度场分析、结构的刚度和强度分析以及噪声振动分析。而不采用FEA技术，对发动机进行类似分析计算是几乎不可能的。

因此现代的发动机设计已离不开FEA。

2 有限元分析目前的发展水平

从60年代起，有限元法随着计算机科学的发展，在包括内燃机在内的几乎所有工程领域得到愈来愈广泛的应用。有限元技术的出现，为工程设计领域提供了一个强有力的计算工具，经过迄今约半个世纪的发展，它已日趋成熟实用。近几年来，随着计算机软硬件水平的提高，内燃机零部件有限元技术又取得了许多新的进展。

2.1 有限元网格模型(包括节点数据和单元信息)的建立是采用有限元法求解问题的先决条件。

在整个求解过程中，它通常是工作量最大的部分。随着有限元技术的广泛使用，有关有限元网格生成技术和可视化研究得到很大发展。

目前大型软件一般都能以几何模型为载体，自动生成相应的有限元网格模型；具体操作时可以根据需要选择合适的单元如杆、梁单元、板、壳单元以及实体单元。这种发展大大提高了有限元网格模型的生成速度和分析效率，节约了大量的时间和人力。这对于有限元技术的实际运用具有重要意义。

目前，发动机中最复杂的零部件包括气缸盖、机体、曲轴、活塞、连杆、增压器涡轮、压气机等等，都可以根据CAD实体模型直接建立非常精确的有限元网格模型，

但是，目前自动生成的有限元网格一般只能为四面体单元(这种单元计算精度不高)，要达到一定的计算精度则网格必须具有相当的密度或提高单元的阶次，这会增大计算量。六面体单元的使用可以在较小的计算规模下达到较高的计算精度，但对复杂零件难以实现该种单元的网格自动划分。

2.2 边界条件的施加技术边界条件的确定方法大体可分为解析法、试验法、试算法、多步分析法几种类型。采用CAE模拟软件如CFD、动力分析软件来确定复杂的热交换和动载边界条件是当前正在发展中的先进方法。在边界条件的施加方面，现在可以做到将边界条件施加于几何模型，由软件自动完成边界条件的移置转换，使繁杂的边界条件施加变得直观方便。

目前，对多个具有相互接触作用的物体进行接触边界条件的施加和计算已是大型FEA商业软件的标准功能。一些高级的有限元分析软件还提供一些特殊的单元如垫片单元、螺钉单元等，使施加这些复杂的边界条件变得更为方便，计算更快。

2.3 有限元软件求解能力主要表现在解决非线性问题的能力以及求解规模、计算精度和求解效率等方面的指标。目前，对于很大规模的问题求解还需依赖超高性能的计算机硬件设备。

2.4 主要的FEA软件供应商已先后将自己的主要软件做成与多种其他类型的软件（如各种CFD软件、动力分析软件、优化软件、前后处理软件等）有友好的数据交换接口，有的甚至将FEA软件直接与其中的一些软件（不同类型）集成形成一个完整的FEA分析系统，使用户在进行FEA分析时可将其他软件分析结果直接用来加载或作为边界条件，为多场耦合分析和集成优化提供便利条件。

3 发动机主要研发机构和主要汽车生产商使用CAD和FEA软件的情况统计

发动机主要研发机构和主要汽车生产商一般都使用专业的FEA商业软件，目前世界上大型的结构分析软件主要有：ABAQUS、ANSYS、MSC Nastran、MSC Marc等。此外，一些大型的CAD软件也带有FEA功能，如Ideas。

世界著名的发动机研发机构如AVL、Ricardo、FEV等主要使用ABAQUS、MSC Nastran 以及ANSYS等软件。

4 柴油机设计主要进行的有限元分析项目

目前，新发动机开发需要进行的 FEA 分析对象主要有：气缸盖、机体、气缸套、曲轴、活塞、连杆、排气管、增压器支架等。

FEA 分析的内容包括受热零件的温度场分析、零部件结构的刚度和强度分析以及噪声振动分析等。

5 有限元分析软件的进一步发展动向

尽管目前有限元技术应用已达到很高水平，但也存在一些问题。解决这些问题是 FEA 进一步的发展方向。

5.1 在有限的硬件资源条件下，进一步提高分析精度和分析效率，提高进行大规模模型分析的能力。

5.2 继续提高对复杂零件高质量单元网格进行自动完全划分的技术。

5.3 继续将 FEA 软件与性能优异的 CFD 软件、动力分析软件、优化软件、前后处理软件等相关软件集成形成一个高性能的完整的 FEA 分析系统，使用户能方便地进行多场耦合分析和优化分析。

5.4努力使FEA软件的使用变得更加方便，降低对使用者的软件专业素质要求。