CAE仿真在发动机零部件质量提升与成本

CAE 仿真在发动机零部件质量提升与成本

2015汽车与环境创新论坛三一重机有限公司试验检测中心副主任 、三一重机技术总监陈振雷演讲实录

我们知道现在国内提的非常多的，怎样用CAE逐步减少部件级、零部件级的乃至整车级的适应由于时间在增长、本钱在增长这也是为何目前各大公司相对本钱比较低我们也是不断与CAE的仿真流程，逐渐减少代替台架试验怎样保证CAE相对准确我跟我们部门讲过一个事情，如果你拿到一个项目，你肯定为设计中心拿一大堆数据如果你玩了三次以后，设计公司拿到的结果都是和实验结果相违背的，相当于这个根本没有用要保证你有用怎么办就是我们怎样把CAE流程做到有实际意义越接近越好

讲到目标的时候提到过，不管怎样主要解决两大问题：为新产品提供优化设计方案；解决存在于现有产品中的问题问题出现叫CAE分析一下甚么原因引发的，如果有数据库，可能快速找到原因有了这个以后，就能提出，你相对准确的方案因为最终我们知道，总是要经过实验设计，除非流程数据相当可靠了这时候老总会说不用实验了直接进入生产，这个情况不多，条件要非常成熟

下面会讲一下，发动机常见的问题发动机分上部、下部结构怎么保证螺母不坏这是非常重要的问题这是一个很典型的机体，断了以后，明显你会想到多方法，这种方法怎么解决我提了提种螺母断裂的路径：1、螺丝咬合的地方可以做到的2、切割带、切割面可以做一些处理所以这个可以做一些适当加长，但是当咬合长度空间有限的情况下，加长了就减少了咬合长度，看甚么组合最适合不随着工艺水平提高，使得咬合强度得到提高

这是一个经常会碰到的问题，因为现在特别是在夏季和冬季温度变化比较剧烈的情况下在冷却试验碰到的问题，由于底部温度变化太剧烈了，目的会引发断裂这个断裂，整个机体就希望全部废了，这个时候要适当分析这个问题在北美和欧洲看到的比较多我们建立一个数据库，这个数据库表明，确切到荷载到达一定程度的时候，会使你材料慢慢失效

这个是在机体上出现的问题，典型问题是你台架实验和发动机是相匹配的，发动机从小变大或者大变小的时候，一定要考虑到这个问题，台架要做相应变化

发动机上部结构的失效模式，大家都知道气缸垫在发动机起着非常关键的作用事实上，我碰到很多年轻的CEO都不知道这个气缸垫是干什么用的分析起来复杂得很但是这个问题，我们不能不考虑由于是上部结构经常出现的问题，故障率非常高欧洲和美国都分析了很多气缸垫问题，怎样布置是合理的比如说缸和缸之间，因为这个地方很薄，像刚才说的，距离是控制的，这时候不想用太多的空间，这个地方很遗憾的是，这个温度特别高现在有很多方法，这里打两个洞，预制的时候先放在里面，预制完了以后再拔出来好几种方法，但是各种方法都有优缺点

讲到这个问题，我记得三一重机当时和德国供应商合作的，我看到分析报告里有一个要求，理由是，他的分析报告表明，我们85%到90%以上的主要区域当时我拿着报告的时候，在没有数据的情况下也不能反驳他们但是我很明确结果那次罗部长跟我一起去德国访问供应商，我发现他们一个致命的缺点，是错误的当时我提了两个概念，他们怎样也不承认为什么呢我们的发动机已生产这么多了，这个厂家非常厉害，从来没有出现过这样的问题我说这个问题确实不会出现，你是H250拔过来就是350，本钱增加了，这个本钱算了下不算加工本钱，500个亿，非常大的数据他怎样不相信我的观点，当时查看数据以后，跟我讲的一模一样后来他们不能不承认他们理论方法是毛病的，从新修改后，一个月后他们告诉我低于10%安全系数不满足条件这个时候，我们就可以通过CAE分析手段进行修正了这是一个典型例子，我们通过CAE手段来解决我们想要解决的问题

发动机其他失效模式，比如说连杆、曲轴等这些都需要实验完成，实验前最有效的手段就是虚拟仿真虚拟方针怎样更有效我讲几个我自己的观点，首先是优化零部件设计，从我们自己角度讲，我提了3点方法，刚才徐博士也介绍了：

1、计算流程，这个是相对准确，不可能绝对准确我提一个份子，我认为很关键的被很多人疏忽的点，就是建立摹拟结构实际受载进程的计算流程，所以这是很重要的隐患；

2、材料数据，材料是不可比的，很重要的数据；

3、判断指标，国外最大的供应为何在中国挣这么多钱很大原因是他手是有大量数据，就是他多少年数据库证明了他不出问题刚才讲的是特殊例子，350不出问题，250可能会出问题但250不出问题，350一般不会出问题

我讲两个简单例子，比如刚才螺母开裂问题，CAE模型实现故障再现或者现场再现有了故障再现和现场再现以后再斟酌下一步的结果

高度疲劳引起的，所以真正判断模型是否是吻合，换个位子，看你的安全系数大多数情况下应该是一致的，这个是一个不一致的例子后来我们分析完了以后发现，由于疲劳不受单一的影响受很多条件的影响所以渠道分析问题，是必须要解决的问题讲到解决方案，很多专家都有自己很深刻的体会

所有总成里，包括缸体总成、缸盖总成，你必须要了解过程，你才有可能把结果计算准确你如果前面特征是错的，你都不知道，哪怕碰上也是碰巧后面准确才有可能是公道的这是我们的数据库，水平方向是机体轴承的我们分了三个区域，红区就是红线下面，绿区就是绿色线上面数据证明，在绿区每个点表示的发动机设计，固然中间还有一个渐渐拉到安全系数，达到1.15左右，这样大家才会方向

下面我讲一个切切实实的例子，是和国内供应商合作碰到的问题当时三一活塞设计出来了，分析的时候碰到一个问题，材料不知道、活塞不知道主机厂说有荷载，但是不能告知你我访问了一下，还是有余地的，我把我的技术给你，你把你的材料给我这个事要高层批准，批准后达成资源共享所以我们拿到的数据都是主机厂供应商给的数据一个活塞会对磨擦后期问题产生巨大影响我们分析进程中，前面再三还是一个观点，我必须了解活塞的实际工作过程，或者是按最大能力了解所以我们基本步骤，我们知道活塞很重要的问题是温度差问题所以这个是非常严峻的问题所以我必须把温度场摹拟准确，这是我的观点第二个问题，应用分析问题你会捉住一些关键点

大家很容易问到一个问题，活塞没出来温度场模拟怎样出来的这个实验是找了相近的活塞做了实验我们取了将近40个接近散布在活塞各个部分，温度会从60度高到300多度我们可以看一下结果和实际差别是什么样的结果大家看一下，得到结果误差最大接近5%左右

这个做完以后，温度条件相对合理，加上深度活塞做出来以后可以再去测试一次有些人说没必要做，只要疲劳问题不出现就行我不完全赞同，一个是看看结构会不会出问题第二个为CAE提供数据库这个观点，我要再次强调这个观点，我们数据库怎样建立起来的就是一步一步积累起来这个数据有两方面的功能，一方面这个部件通过了强度实验另外一个，这个数据能为CAE提供数据支持所以这是一个观点有了这个以后，我们下面就要做应用分析，应用分析的时候，我看到包括国内著名活塞厂家，在他们分析的时候，可能会只考虑活塞而不考虑你所对的为什么呢这样一来活塞压力说不来，只有通过一个接触分析模拟，才能得到活塞，才能知道是否满足我的要求所以这个观点必须得到尊重，没有模拟就出不来这个结果，出不来这个结果就不能判断是不是满足目标要求

第三在这两个地方，也有这个问题，你也必须得到摹拟，不模拟的话，这里就不准确还有一个观点，很多模型半边就边截掉了，相当于一切为2我认为相当准确的模型，整个连杆中心点上，可以连接起来所以我认为相对合理的模型是这样的模型进行分析

这个是装配运用分析，起到了一些条件有了这个以后，可以STEP2、STEP3做下去我们还确立的东西，由于我们知道活塞在工作过程中是属于高度，很多软件里，由于是现状的，对活塞现状当然还是要通过软件

这个时候事实上，我们只是看一下，是否是满足我们的要求安全系数计算，将有限元分析得到的应力结果导入疲劳分析软件中最后可以得到相应的数据

我做一个小结论，这个过程是我们做的项目，这个进程最重要的一点是，作为CE，你的流程必须是系统化的，你关键的观点是构建受力状态必须准确，如果受力状态不准确的话，大家可以自己判断最后作为CE来讲，这是一种方法，这种方法虽然高效，虽然本钱低所以我们CAE的作用我们也知道，质量提升、成本控制CAE的流程数据库，是需要慢慢这是我的报告，和大家分享，谢谢各位

【徐 政】：非常感谢，这个报告不但泄露了很多核心东西，而且我个人感觉完全讲不出这个价值的多少，但是肯定远远不止3000块钱的门票，10倍都不止在座各位有甚么问题

【提 问】：报告非常精彩，非常接地气，我是中国北方发展研究所李，我们一直弄功用发动机，做燃烧的做燃烧，做结构的做结构我们常常困惑就是，现在给我们一个爆压，去做燃烧机型匹配我想问一个问题，机械符合用报告来衡量，如果不出现快速燃烧还是非常均匀的，但是温度散布就不均匀，喷雾喷下去以后，分布是非常不均匀的分析中，很多情况是算温度依照温度测点标的模型这个燃烧引起温度散布，斟酌不考虑

【陈振雷】：这个是很专业的问题，我们在分析过程中如果按照时间分析是最好的你只是分析了其中一个，其他的能保证吗保证不了这没有办法的事情一般在测试进程中我们会测几点，假设是四个冲程，每个都测一下，数据出来不过是一个后处理过程这是非常重要的进程，必须要选择最严酷的状态，但是严酷是相对的，这个状态对A位置是严酷的，对B位置不一定是严酷的一般说，我们会分析每个冲程找一个时间节点分析好在是模型，模型搭建好了，不过是时间算的问题数据进去出来只不过我们分析进程中，怎样考虑这个问题怎样选择更好的控制进程，来达到全部分析的结果相对公道

【提 问】：谢谢，还有一个问题，关于爆压，一般给燃烧爆压以后，做燃烧体系一般情况下爆压是很难控制的，可能由于这个爆压是按照平均爆压来控制机械的，实际上在发动机中很多爆压是超标的压缩比影响等，在实际发动当中会超高的，会超过最大限制从结构强度，爆压一般超多少你们能接受

【陈振雷】：超多少各个发动机是不一样的，一般分两个状态，这两个状态如果基本上都满足，就没有问题问题是研发，一般主机厂会让你分析就是了，两个状态下分别是多少，这个安全系数都会记录在数据库里一般就说在极限状态下比正常工作状态下安全系数低5%到10%各个发动机是不一样的

【徐 政】：刚才的问题里有一个隐含的含义，他的温度随时燃烧，这部分摹拟吗还是假设温度分布

【陈振雷】：跟国外不一样，跟国外公司里是不一样的团队，我们那边都在我们这个团队，所以这是相对好办的事情我们基本同时考虑，好在活塞问题上表面基本上是可控的我们测试过程中相对比较，这个组件和那个组件差别不会太大

【提 问】：我先对李博士爆压问题，说一下我的看法和感受，柴油机和汽油机是不一样的，柴油机爆压基本上，可能比你说的10%还是要低一点我就把我们的情况说一下

对您我有一个问题，不是技术问题，是工作中的困惑CAE我认为是个工具，非常重要的工具您说是辅助部门是比较谦虚的说法，国内外存在很大差异我个人的感受是，国内的很多CAE工程师有点像小学生套公式，三元一次方程放进去就去找数，拼命往里套我不是做生意，我的理解是物理模型转换成数学模型但是现在很多工程师对物理模型没有深入了解，数学模型也并没有知道，可能是看到哪家手册有这个指南过来，有这么几个数据套进去，出来的结果不知道这可能还算比较好的说法，我说的比较直接您在国内这么多年，由于这是长时间思路问题，不是短时间解决的问题有没有可能从体系上流程上相对懂的时间，团队都能往这方面想先看看物理模型是什么核心点是什么弄对了，出来的结果才是真正有意义的，才能达到CAE真正大家的效果

【陈振雷】：在国外大家都知道，在条件下，基本上是可以保证的国内很难做到，我曾经要求去供应商，我说你给我C，他说什么是C我们这儿没有，给你一个平均值不错了不是有的供应商，供应商质量，你努力了才有可能提高，你不努力还在这个水平上

，说不定相对水平下落了人有聪明和不聪明之分，靠什么三一有一举，三一是后来上来的，包括国内的主机厂起步比较晚，靠甚么靠努力3一晚上是要工作的，一个月40小时的接点要完成

第二个分享是，我要求他们写报告的时候是依照一个故事给我讲什么是故事故事是衔接好的，必须融会贯通，不能一个报告出来，结果模型是什么结果是什么不行，比要告诉我这个结果为何这么些哪怕不知道也是一个结果，你说我理解不了，我不知道我们做测试的时候，我们了解是非常清楚的，现在多少人在做这个事情没有他如果能把软件拿过来，能把软件里细节搞清楚，已经很不错了逐步在改变，改变之后能花更多精力享受别的东西

【提 问】：这里是想指出一点，并不是那么简单，不是说怎样就能解决问题的我加以看看航空空运方面的因为我有点好奇刚才举了个例子，是140几，你也提到，你怎么那么简单就可以把算出来的跟起步器联系在一起有时候远远低于的，我就好奇

【陈振雷】：我刚才可能讲的快了，渠道分析也是一个过程，我们一般是国际上比较先进的，这个里面包括了很多内容由于出来以后，事实上，我们是按几个分析的，所以必须斟酌历史进程，必须考虑几何状态不是一个简单的，之前我们没有软件，也能划出来大概方向，但是是不准确的因为现在要求提高了要求事实上是成本控制到越精确越好是通过软件分析的，软件里考虑到你刚才提到的很多因素

【徐 政】：谢谢，再次用掌声感谢陈博士的演讲

（文章来源：汽车）

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