关键词：柴油机运动机构；多学科协同优化设计；
柴油机由于压缩比较高，以及采用增压技术时气门重叠角度较大，所以，为了避免气门和活塞顶相碰，常在活塞顶上加工出避让气门的浅凹坑。而该气门凹坑对燃烧涡流有着不利影响，它直接影响柴油机的动力性能和可靠性，气门凹坑设计不合理时会使柴油机动力性能变差或造成气门和活塞发生碰撞。目前一些企业常凭借经验来估计气门凹坑的深度值，使得气门与活塞干涉现象时有发生，造成产品试制阶段的经济损失。
一、柴油机运动机构优化设计学科分解
曲轴-连杆-活塞是柴油机的关键运动部件，决定了柴油机的整体性能。传统的设计方式主要依靠设计人员的经验，设计周期长; 同时，由于单学科的设计方法忽略了学科之间的耦合关系，往往不能实现系统整体性能的最优化。曲轴-连杆-活塞设计涉及到结构轻量化、强度、刚度、振动模态、热以及运动学性能等，是典型的多学科设计优化问题。优化设计过程中，基于多学科思想进行学科分解，将系统分解为相对独立的3 个子部件( 系统) ，各部件分别完成各自涉及学科的分析，学科性能的耦合通过子部件( 系统) 间设计参数进行传递，并在整体系统中实现总体性能的协调。通过建立零件的实体模型，并利用虚拟模型进行干涉检查以及动态仿真，可有效地检查出复杂装配体在零件设计时出现的尺寸错误，方便修改模型的形状和定位位置尺寸，从而快速完善模型，并在此基础上进行结构优化，提高产品性能，加速样机开发。基于三维技术的产品开发，可大大缩短开发周期，降低成本，提高产品的市场竞争力。
二、柴油机运动机构多学科协同优化设计
1.运动仿真及气门活塞间隙测量。在模块中可对柴油机运动系统进行分析研究。通过对机构的定义，对输入轴添加相应驱动来产生符合设计要求的运位置、速度、加速度和力等的大小，同时还可以建立表示零/部件运动行为的轨迹曲线和运动包络线等。1) 定义驱动。设置曲轴驱动，转速为600 r /min，周期为0． 2s，即在一个工作循环内运行分析。初始位置时活塞处于膨胀上止点，按照配气相位设定初始角为23． 74°(即曲轴正时齿轮齿背面上打“0”标记的轮齿，其中间平面与ASM_ＲIGHT 面之间的角度)，定义伺服电动机。2)定义运动分析。运用机构分析功能菜单定义运动类型和相应参数，在运动分析定义的对话框中选择运动分析类型为“位置”，开始时间为0s，终止时间为0． 2s，为了提高气门与活塞之间的运动间隙测量的准确性，设定帧频为2000，即曲轴每转1． 8°便可测得一组数据;添加上述定义的伺服电动机作为动力源。3)运动分析与测量。在气缸盖底平面高度位置上建立坐标系，在进、排气门底平面和活塞顶部相应气门凹坑平面上各创建一个基准点，测量进(排) 气门和活塞顶部气门凹坑相对坐标系的位移。经过运动仿真，通过软件的“碰撞检测”功能检测出各零件之间无干涉现象，利用软件的“测量分析”功，得到进气门和活塞相应气门凹坑的位移曲线结果界面和活塞相应气门凹坑。
2.构建柴油机数字样机的数据管理平台。数字样机是表达产品所有状态最根本的依据。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆完备的数字化产品模型，不仅是要描述产品整个生命周期某个过程的产品构成情况，而且对产品技术状态的标识、审核和控制都要求很高。数字样机是通过产品数据管理系统进行存储和管理的。将产品在自顶向下建模设计过程中产生的与产品相关的设计、分析数据（包括骨架模型、三维模型、二维图样、运动机构仿真动画及虚拟装配动画、测试数据和仿真分析报告等），按研制阶段的不同应用要求提交到系统，根据数据类型的不同分别进入产品、参数、试验和生产等数据管理系统进行统一的规划和管理。签入并确认有效性的数字样机数据在全生命周期内为单一数据源，数据的关联、提交、版本、更改和衍生应进行受控管理。应根据不同平台、不同阶段、不同单位和不同用途等情况, 考虑数字模型的转换和合并, 提出模型的交互格式要求。由于产品数据安全集中共享，设计人员可以很方便地查找、借用其它同类产品的设计经验，设计重用率大大提高。管理的不仅是数据，设计重用的对象包括可重用的设计结果和设计方法、工具和过程等抽象知识。可重用的结果可以减少重复的零部件的设计；可重用的过程就是模块化封装的过程，可以减少设计过程中某一环节的重复。数字样机的仿真分析需要结合实物试验数据。用数字样机技术进行仿真分析（含有简化和假设）的结果，只有重用并对比了企业积累的用实物样机进行产品开发的试验测试结果，才能建立对仿真分析的置信度，提高产品设计水平，实现原始创新。企业要有目的地建立和挖掘提取可重用设计资源，减少创新开发中的重复劳动。按参数化设计要求，构建产品需求的通用件、标准件库，而且通用件、标准件等模型库必须唯一，保证设计重用时的方便准确调用。
3.多学科设计优化。优化变量的选择主要考虑结构设计目标及约束，同时，过多的设计变量会带来仿真分析和优化迭代过程的复杂性。为此，应合理选择变量及其数量。协同优化算法在一致性约束优化算法基础上提出的一种多级优化算法。是一种双级层次的方法，顶层为系统级优化器，对多学科变量进行优化，以满足学科间约束的兼容性，同时最小化系统目标。每一个子系统优化器在子空间设计变量子集与子空间分析的计算结果间以最小均方差方法进行优化。在满足子空间约束的同时，求系统级设计变量。在子空间优化过程中，系统级设计变量作为固定值来考虑。该算法消除了复杂的系统分析，各个子系统能并行地进行分析和优化，具有较强的收敛性和可靠性。该系统以连杆-活塞总质量最小为系统级设计目标，活塞及连杆作为子系统设计，以连杆强度、连杆模态、活塞热应力等为设计约束，同时考虑曲轴-连杆-活塞机构的运动学和动力学特性。柴油机运动机构在完成多学科设计优化的过程中，由于多个学科性能之间的冲突和耦合，质量学科的设计目标必然影响了其他学科的设计性能( 如连杆应力和固有频率)，多学科设计优化通过充分协调学科间的耦合和矛盾，在满足实际工况约束的前提下，获取最优的综合性能。在参数化模型的基础上，实现了柴油机运动部件的刚度、振动、热以及动力学分析。运用多学科协同优化算法对柴油机运动机构进行了多学科综合性能优化设计，实现了柴油机结构设计的学科耦合和协调，获取最优的系统综合性能，为其结构设计提供了技术支撑。基于仿真分析的优化设计过程方便集成各种商用软件，实现了大型复杂结构的快速设计优化，为柴油机等复杂结构设计奠定了基础。
进、排气门与活塞之间的最小运动间隙都可以适当减小，在配气相位、活塞顶部与缸盖之间的间隙等不变的前提下，可以通过减小气门凹坑深度的方法来降低余隙容积，提高燃烧效率。另外，也可以利用设计的特点，同时改变进、排气凸轮桃形对称中心线相对于键槽位置的角度，调整配气相位，对柴油机运动系统进行进一步优化设计。
参考文献：
[1] 杨连生. 内燃机设计[M]. 北京: 中国农业机械出版社,2017.
[2]万欣, 林大渊. 内燃机设计[M]. 天津: 天津大学出版社,2018.
［3］马勇，陆荣荣，陈怀望． 柴油机燃烧室改进的模拟仿真研究［J］． 内燃机，2018 (1):23 － 24．
论文作者:何艳艳
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年14期
论文发表时间:2019/12/2
标签：气门论文; 活塞论文; 柴油机论文; 学科论文; 性能论文; 系统论文; 连杆论文; 《当代电力文化》2019年14期论文;