0 引言

自21世紀(jì)以來(lái)，汽車技術(shù)日新月異地發(fā)展，同時(shí)“能源與環(huán)?！背蔀槿蚧慕裹c(diǎn)問(wèn)題，在這種新的形勢(shì)下，各國(guó)對(duì)汽車內(nèi)燃機(jī)的要求不斷變化，“節(jié)能減排”成為車用內(nèi)燃機(jī)的新主題和重要的技術(shù)方向，這不僅要求內(nèi)燃機(jī)為汽車提供強(qiáng)勁的動(dòng)力，還要求內(nèi)燃機(jī)保持較低的油耗以及對(duì)環(huán)境的危害降低到最低限度。因此，車用內(nèi)燃機(jī)技術(shù)與時(shí)俱進(jìn)，不斷進(jìn)行技術(shù)革新，許多先進(jìn)的新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝、新的加工方法得以應(yīng)用，促進(jìn)了內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)理論與技術(shù)的發(fā)展。

1 新結(jié)構(gòu)、新材料、新技術(shù)、新工藝的應(yīng)用

（1）結(jié)構(gòu)：如新型燃燒室結(jié)構(gòu)（GDI燃燒室、HCCI燃燒室、稀薄燃燒室）、多氣門結(jié)構(gòu)、可變配氣相位與可變進(jìn)氣技術(shù)、可變?cè)鰤浩?、頂置凸輪機(jī)構(gòu)，等等。

（2）新技術(shù)：如缸內(nèi)直噴技術(shù)、混合動(dòng)力技術(shù)、汽油電控多點(diǎn)噴射、柴油機(jī)高壓共軌噴射、可變壓縮比，等等。

（3）新工藝：如以鑄代鍛、壓力鑄造、表面處理技術(shù)。

（4）新材料：如活塞環(huán)、進(jìn)氣管、齒輪、風(fēng)扇（高分子塑料）、活塞（復(fù)合材料）、缸套、軸瓦（新配方金屬）、油底殼（三明治夾層、高分子涂層）等，主要目的是減輕質(zhì)量，減小阻力，減小磨損，隔振，降噪。

2 現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析方法

2.1虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR，virtual reality）

由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的迅猛發(fā)展，現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)方法有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和本質(zhì)的改變。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)方法主要是依靠“圖板十經(jīng)驗(yàn)十發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)架”的設(shè)計(jì)方法，周期長(zhǎng)，開發(fā)成本高，難以適應(yīng)當(dāng)今社會(huì)的要求。同時(shí)，計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的巨大進(jìn)步和相關(guān)基礎(chǔ)理論如有限元分析（FEA）、計(jì)算流體力學(xué)（CFD）等的研究為計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）的發(fā)展和應(yīng)用提供了必要的前提條件和堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)正在滲入汽車工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域，如汽車的虛擬造型、虛擬設(shè)計(jì)、虛擬工藝制造、虛擬試驗(yàn)、虛擬裝配等，不僅為汽車開發(fā)人員創(chuàng)造了更為自由的工作環(huán)境，而且，從根本上動(dòng)搖了一系列被視為經(jīng)典的汽車產(chǎn)品開發(fā)理論和原則。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的推廣和應(yīng)用將使汽車工業(yè)的思想觀念、開發(fā)方式、部件供應(yīng)、組織形式、市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)及人才培訓(xùn)方面產(chǎn)生全方位的創(chuàng)新和變革。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是近年發(fā)展起來(lái)的高級(jí)計(jì)算機(jī)技術(shù)，是建立在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、仿真學(xué)、并行技術(shù)、人工智能、多媒體技術(shù)及高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等技術(shù)基礎(chǔ)之上的。

全球虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展方興未艾，美、日等發(fā)達(dá)國(guó)家及歐洲地區(qū)預(yù)備將該項(xiàng)技術(shù)作為競(jìng)爭(zhēng)未來(lái)市場(chǎng)的關(guān)鍵手段。對(duì)汽車工業(yè)而言，虛擬現(xiàn)實(shí)既是一個(gè)最新的技術(shù)開發(fā)方法，更是一個(gè)復(fù)雜的仿真工具，它旨在建立一種人工環(huán)境．人們可以在這種環(huán)境中以一種“自然”的方式從事駕駛、操作和設(shè)計(jì)等實(shí)時(shí)活動(dòng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)也可以廣泛用于汽車設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和培訓(xùn)等方面。美國(guó)通用公司是全球汽車界最早利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的公司之一。它采用的虛擬現(xiàn)實(shí)軟件具有3個(gè)圖形流水線部件，可分別投影在設(shè)計(jì)師的左邊、前面和地面上的大屏幕上，另外一臺(tái)單獨(dú)的桌面系統(tǒng)有時(shí)用做右面的第四面墻，設(shè)計(jì)師借助于該軟件就能設(shè)計(jì)一輛惟妙惟肖的汽車。在戴姆勒—克萊斯勒公司耗資巨大的梅賽德斯汽車設(shè)計(jì)中心里，設(shè)計(jì)人員可在該中心提供的“虛擬現(xiàn)實(shí)中心”的虛擬環(huán)境中進(jìn)行工作，車身設(shè)計(jì)師可以在這里檢查車體的線條和輪廓，檢測(cè)車身表面的光潔度，分析汽車的空氣動(dòng)力學(xué)性能等。通用和戴姆勒股份公司轉(zhuǎn)讓給美國(guó)瑟伯勒斯資本管理公司后，戴姆勒一克萊斯勒公司正式更名為戴姆勒股份公司）采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)一種新車型的時(shí)間從1年以上縮短到2個(gè)月左右，開發(fā)成本最多可降到原先的1/10，而按常規(guī)，單單就車型開發(fā)時(shí)間看，新款汽車的設(shè)計(jì)至少需要12～18個(gè)月。

虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)（VD，virtual design）是利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)新產(chǎn)品的重要技術(shù)。在設(shè)計(jì)初期，可直接在虛擬環(huán)境（計(jì)算機(jī)環(huán)境）中創(chuàng)建產(chǎn)品模型，即虛擬樣機(jī)（VP，virtual prototyping），并將其置于虛擬環(huán)境中進(jìn)行試驗(yàn)。這樣不僅可以使產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能得到模擬，人、機(jī)交互性能也能得到測(cè)試，使產(chǎn)品缺陷在最初的設(shè)計(jì)階段就能被及時(shí)發(fā)現(xiàn)并加以改進(jìn)，從而可以作出前瞻性的決策和優(yōu)化實(shí)施方案。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)滲入到不斷發(fā)展的CAD、CAM（計(jì)算機(jī)輔助制造）、CAS（計(jì)算機(jī)輔助造型）、CAT（計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)）、CAE（計(jì)算機(jī)輔助工程分析）等各個(gè)領(lǐng)域，并形成一個(gè)具有集成性的并行工程的網(wǎng)絡(luò)。虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)結(jié)合了計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)技術(shù)、計(jì)算機(jī)輔助工程分析技術(shù)和應(yīng)用工程軟件仿真計(jì)算技術(shù)，提高了現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)效率，壓縮了產(chǎn)品的開發(fā)周期。

內(nèi)燃機(jī)作為一種十分復(fù)雜的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，針對(duì)其的設(shè)計(jì)過(guò)程涉及運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、熱、力、噪聲等問(wèn)題，而CAD/CAE技術(shù)在其中可以充分發(fā)揮優(yōu)勢(shì)、有的放矢地解決問(wèn)題。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，越來(lái)越多的生產(chǎn)廠家、企業(yè)、研發(fā)機(jī)構(gòu)為了提高工程及產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低研究開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，推出優(yōu)秀的創(chuàng)新產(chǎn)品，從而盡快地占領(lǐng)更多的市場(chǎng)，將C,AD/CAE技術(shù)作為實(shí)現(xiàn)工程及產(chǎn)品創(chuàng)新的有力工具和重要的技術(shù)支撐，因此，CAD/CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)制造過(guò)程中。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)的開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中的主要應(yīng)用如下：

（1）對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行需求分析，明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，進(jìn)行產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)。

（2）運(yùn)用CAD技術(shù)進(jìn)行零件造型設(shè)計(jì)。早期的CAD就是單純的二維繪圖，在內(nèi)燃機(jī)行業(yè)中最早使用的是AutoCAD、CAXA，它們是真正的電子圖板，隨著軟件業(yè)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，大量三維CAD軟件層出不窮，如UG、Pro/E、SolidWorks、CATIA等，它們卓越的參數(shù)化設(shè)計(jì)和基于特征的設(shè)計(jì)功能受到廣大內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)工作人員的青睞。這些現(xiàn)代CAD軟件可以完成復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)零件的三維實(shí)體造型。零件造型完成后，利用三維CAD軟件完成的三維發(fā)動(dòng)機(jī)整體圖軟件的渲染模塊對(duì)零件進(jìn)行材質(zhì)、色彩、環(huán)境、光澤等真實(shí)感顯示。

（3）虛擬裝配。先對(duì)已造型的零件進(jìn)行相鄰各相關(guān)件色彩搭配的渲染，再通過(guò)約束關(guān)系或無(wú)約束的精確定位方式進(jìn)行部件裝配及發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)裝配，并對(duì)裝配件進(jìn)行干涉檢查。若有干涉，可以修改零件尺寸和形狀，直至干涉檢查至合格為止。裝配后，可對(duì)已虛擬裝配的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)模擬，顯示機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的效果。

（4）CAE分析。在完成零件的三維造型后，利用CAE軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行靜力分析、動(dòng)力分析（如汽車發(fā)動(dòng)振動(dòng)特性分析、排氣管的動(dòng)力響應(yīng)分析等）、屈曲分析、強(qiáng)度分析、疲勞壽命分析、熱傳導(dǎo)分析、設(shè)計(jì)靈敏度及優(yōu)化分析等。若對(duì)初步設(shè)計(jì)的虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行有限元分析，發(fā)現(xiàn)不合要求，則重新轉(zhuǎn)入步驟(1)，直至合格為止。

CAE是用計(jì)算機(jī)輔助進(jìn)行復(fù)雜工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性、動(dòng)力響應(yīng)、熱傳導(dǎo)、三維多體接觸、彈塑性等力學(xué)性能的分析計(jì)算以及結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)，是一種近似數(shù)值分析方法。CAE技術(shù)在現(xiàn)代內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，運(yùn)用CAE技術(shù)，可以對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)中的運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的流動(dòng)、燃燒過(guò)程進(jìn)行分析。

CAE技術(shù)在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中的主要應(yīng)用有：

（1）結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是保證內(nèi)燃機(jī)工作安全性、可靠性的重要指標(biāo)，因此結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析應(yīng)用最為廣泛。它可以判斷內(nèi)燃機(jī)結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下是否安全，哪些部位會(huì)發(fā)生應(yīng)力集中，哪些部位強(qiáng)度不足，以此來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

（2）動(dòng)力學(xué)仿真分析。動(dòng)力學(xué)仿真基于多體動(dòng)力學(xué)理論，可在研究階段預(yù)測(cè)內(nèi)燃機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)甚至整車的動(dòng)力學(xué)性能，對(duì)這些性能進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提高產(chǎn)品性能的目的。

（3）其他分析。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、模態(tài)分析、疲勞分析、熱分析、噪聲分析等也都是內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中經(jīng)常要進(jìn)行的仿真內(nèi)容，絕大多數(shù)的大型有限元軟件都能做以上分析。

設(shè)計(jì)的零件在經(jīng)過(guò)CAE軟件分析合格后，可利用CAM技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行加工及相關(guān)處理。CAM的核心是計(jì)算機(jī)數(shù)值控制（簡(jiǎn)稱數(shù)控），是將計(jì)算機(jī)應(yīng)用于生產(chǎn)制造過(guò)程或系統(tǒng)。CAM技術(shù)已經(jīng)成為CAX（CAD、CAE、CAM等）體系的重要組成部分，可以直接在CAD系統(tǒng)上建立起來(lái)的參數(shù)化、全相關(guān)的三維幾何模型（實(shí)體+曲面）上進(jìn)行加工編程．生成正確的加工軌跡。運(yùn)用CAM軟件可以對(duì)零件進(jìn)行加工工藝分析，根據(jù)零件加工面的形狀特征確定工藝方案，選擇機(jī)床和工藝裝備及切削用量，確定加工工藝路線及工藝規(guī)程，同時(shí)還可生成加工刀具軌跡并對(duì)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)或快速仿真校驗(yàn)，對(duì)選定的數(shù)控設(shè)備進(jìn)行后置處理。

在完成設(shè)計(jì)零件的虛擬制造后，可進(jìn)行用戶評(píng)價(jià)虛擬發(fā)動(dòng)機(jī)樣機(jī)環(huán)節(jié)，用戶在專業(yè)技術(shù)人員的協(xié)助下檢測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)性能，對(duì)其做出公正的評(píng)價(jià)。設(shè)計(jì)人員結(jié)合用戶的意見(jiàn)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行部分或全部的修改，重新轉(zhuǎn)入步驟（1）（對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品進(jìn)行需求分析，明確產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技術(shù)要求，進(jìn)行產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)），直至用戶滿意。

2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)

內(nèi)燃機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)是指結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化，以質(zhì)量最輕、應(yīng)力最小、變形最小或阻力最小等為優(yōu)化目標(biāo)，多采用線性規(guī)劃法、復(fù)合形法、懲罰函數(shù)法、遺傳算法等。

2.3工程數(shù)據(jù)庫(kù)

工程數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)于內(nèi)燃機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是十分重要的，它被用于積累和管理技術(shù)數(shù)據(jù)，擺脫對(duì)某個(gè)技術(shù)人員的依賴，提高設(shè)計(jì)技術(shù)的繼承性，方便技術(shù)咨詢、數(shù)據(jù)查詢，利于設(shè)計(jì)流程管理。

2.4可靠性設(shè)計(jì)方法

可靠性設(shè)計(jì)也稱為概率設(shè)計(jì)，主要是利用應(yīng)力強(qiáng)度干涉模型，求出零件的失效概率和可靠度?？煽慷仁橇慵煽啃栽O(shè)計(jì)的準(zhǔn)則，以零件可靠度不低于規(guī)定值作為結(jié)構(gòu)安全的判據(jù)。