CAE技术概论及活塞仿真分析.doc

CAE技术概述及内燃机活塞的仿真分析现状和趋势
段绍斌200910603134
1、CAE技术概述
1.1、CAE技术基本概念
计算机辅助工程（CAE，ComputerAidedEngineering）是一个很广的概念，单从字面上讲，它可以包括工程和制造信息化的所有方面。由于CAM及制造信息化技术作为独立部分飞速发展，并在产品制造中得到广泛运用。因而，目前已将CAE与CAD、CAM、PDM等并列提出。CAE在科学研究和产品研发中的应用，一般是指利用计算机及工程分析软件进行模拟和仿真的过程，即CAE技术是以科学和工程问题为背景，建立计算机模型并进行计算机仿真分析，对工程和产品进行性能和安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行状态进行模拟，及早发现设计中的不足，加以修改和优化，并证实未来的工程、产品性能的可行性和可靠性。CAE分析是以现代计算力学、计算数学、工程学科（理论力学、材料力学、弹性力学）、数字仿真技术、计算机图形学为基础，并以成熟的CAE软件来实现对科学和工程问题的求解与分析。CAE软件可以分为三类：针对特定类型的工程或产品所开发的用于其性能分析、预测和优化的软件，称为专用CAE软件。如：ADAMS、DADS、MSC/FATIGUE等。能够对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行模拟、分析、预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件称为通用CAE软件。如ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。第三类就是嵌套在CAD/CAM系统中的CAE软件分析模块。如;UGNX中的CAE。运用CAE方法可以实现现代制造业在高效、高速、高精度、低成本、节约资源和高性能等多方面的要求。因CAE的分析的理论基础是有限元法，随着有限元分析方法与CAD和CAM技术相结合，计算机硬件水平的日益提高，CAE技术被广泛应用于航空、航天、建筑、化工、汽车、电子、机械等工业部门。
1.2、CAE技术的发展
CAE技术的发展是随着有限元基础理论的提出及发展、CAD技术发展、计算机仿真技术的发展而兴起的，特别是20年的计算机在高速化和小型化方面取得的巨大成就，以及CAE软件功能的不断完善。使得它在科学研究中被中普遍采用，在工程中进入到实用化阶段。
CAE理论基础起源于20世纪40年代。20世纪60至70年代，随着有限元分析技术的不断的被结合到CAD、CAM中，便形成了CAE分析技术的框架。20世纪90年代是CAE技术的成熟壮大时期。主要发展是将CAE与CAD和CAM软件集成CAD/CAE/CAM系统，从而形成一个完整、方便的实用产品。如著名的CAD软件CATIA、UG、Pro/E都增加了基本的CAE前后处理及一般的线性、模态分析功能。当今，在西方国家，CAE技术已实现了实用化。随着网络技术的不断发展和普及，通过网络传递信息，将对CAE技术的发展起到不可估量的促进作用。现已应用于结构力学、结构动力学、热力学、流体力学、电路学、电磁学等诸多工程领域，进而发展到多物理场耦合分析领域，比如流体与结构力学的耦合、电路学与电磁学的耦合等[2]。
2、CAE技术在发动机设计中的应用
近年来计算机软件和技术以及有限元理论的迅速发展推动了内燃机动态分析的进程,使有限元动态响应分析在内燃机中逐步获得应用同时也大大提高了对内燃机复杂零件进行有限元分析的效率精度和可信度.CAE技术在发动机设计领域中的应用主要体现在这样几方面：（1）应用有限元和模态分析等方法对发动机活塞、连杆、曲轴等零部件及机体的结构进行强度分析、振动分析、模态分析和热分析，并运用结构强度与寿命评估的理论、方法和规范，对结构的安全性、可靠性以及使用寿命做出评价与估计，分析活塞疲劳强度、分析发动机重要零部件的受力及受力后的位移、形变状况，分析其热力耦合性能等；（2）运用过程优化设计方法在满足设计、工艺等约束条件下，对发动机产品结构形状和参数进行优化设计，以使发动机结构性能及工艺过程达到最优；（3）运用多体动力学的理论和虚拟样机技术（VPT）对整机或机构进行运动学和动力学仿真，给出整机或机构的运动轨迹、速度、加速度以及动反力等数值，通过对比可以获得最优的设计方案，方便修改设计缺陷。最终，能让设计者设计出高性能、低排放、低油耗、低噪声、轻量化、小型化的现代发动机。
3、内燃机活塞仿真分析的发展现状与趋势
活塞是内燃机的关键零部件之一，它的工作情况直接关系到内燃机的工作可靠性和使用耐久性，同时直接影响到内燃机的排放性能。活塞的结构和所处的工作环境十分复杂，在工作状态下受到高压燃气压力、高速往复运动产生的惯性力、侧向推力和摩擦力等周期性载荷作用，产生机械应力和机械变形。高压气体燃烧产生的高温使活塞顶部乃至整个活塞温度很高，且温度分布很不均匀，导致活塞产生热应力和热变形。热负荷和机械负荷将导致活塞产生裂纹、活塞环胶结以及拉