基本信息
- 项目名称：
- 柴油发动机数字样机的建立与分析及涡轮增压器的创新改良
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 为了降低研制成本，缩短研制周期，采用SOLIDWORKS设计三缸柴油发动机的数字样机，并对其关键部位进行有限元分析，根据分析结果设计优化方案，对修改前后的模型进行对比。为发动机的优化设计提供新的思路和方法。最后提出了由ECU控制的双涡轮增压器的设计。
- 详细介绍：
- 数字化样机（Virtual Prototyping, VP）是以“虚拟现实”（Virtual Reality）技术为基础，以机械产品为对象，一个完整基于计算机的产品研制的集中信息载体，即在功能、行为和感官特性方面与实际产品尽可能相似的数字模型。通过对该模型评估和测试分析，优化候选物理模型的设计方案，从而达到缩短产品开发周期，促进产品的数字化，提高产品创新能力的目的。 发动机作为汽车的核心部件，发挥着输出汽车动力的巨大作用。传统发动机的研制主要通过建立实体样机进行试验测试，直到符合标准后才开始量产，这样不仅成本巨大，开发周期长，效率也低。为了降低开发陈本，缩短产品开发周期，我们利用三维软件Solidworks对其进行实体参数化建模、虚拟装配、运动仿真，形成数字样机模型。同时，使用ANSYS对其关键部位进行有限元分析，通过对连杆的静力分析和发动机机体的模态分析，提出了优化方案。并对比修改前后的数据。保证其可靠性。从而为下一代物理样机的研发提供参考。 另外，我们提出了通过ECU（车载电脑）控制驱动的双涡轮增压器的设计。充分利用能源，达到节能减排的效果。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 本作品目的是发动机关键部件结构的改良和性能的优化创新，通过计算机辅助设计软件（CAD）对发动机进行整体的数字建模，利用有限元分析软件对数字模型的部件进行分析，根据计算结果讨论改进方案。同时为了提高整体动力和能源利用率，用CAD软件设计了双涡轮增压器，并且提出了通过ECU控制电机来达到提高涡轮增压器效率的方法。
科学性、先进性及独特之处
- 通过对柴油发动机的700多个零部件进行了实地测量及其一比一的参数化数字建模，保证了其作为数字样机的可靠性。为对其进行有限元分析提供基础。有限元数值模拟技术具有实验方法和理论解析方法无可比拟的优势，因此已经成为内燃机性能研究的重要手段。涡轮增压器的设计有效减少了传统涡轮响应滞后的问题，提高了发动机的功率及扭力。ECU辅助控制概念的提出将使涡轮增压器向更加智能化迈进一步，提高能源利用率。
应用价值和现实意义
- 数字样机的建立可以降低开发陈本，缩短产品开发周期，同时，对其进行有限元分析，分析结果可为下一代物理样机的设计及制造奠定基础。另外发动机数字样机同样可以用于企业对外的宣传以及学校上的教学科研。通过对双涡轮增压器的改进设计，可以充分提高涡轮增压的效率，节能减排。在全球能源日益减少的情况下，这样的改进无疑促进了环保。
学术论文摘要
- 数字化样机（Virtual Prototyping, VP）是以“虚拟现实”（Virtual Reality）技术为基础，以机械产品为对象，一个完整基于计算机的产品研制的集中信息载体，即在功能、行为和感官特性方面与实际产品尽可能相似的数字模型。通过对该模型评估和测试分析，优化候选物理模型的设计方案，从而达到缩短产品开发周期，促进产品的数字化，提高产品创新能力的目的。 发动机作为汽车的核心部件，发挥着输出汽车动力的巨大作用。传统发动机的研制主要通过建立实体样机进行试验测试，直到符合标准后才开始量产，这样不仅成本巨大，开发周期长，效率也低。为了降低开发陈本，缩短产品开发周期，我们利用三维软件Solidworks对其进行实体参数化建模、虚拟装配、运动仿真，形成数字样机模型。同时，使用ANSYS对其关键部位进行有限元分析，通过对连杆的静力分析和发动机机体的模态分析，提出了优化方案。并对比修改前后的数据。保证其可靠性。从而为下一代物理样机的研发提供参考。 另外，我们提出了通过ECU（车载电脑）控制驱动的双涡轮增压器的设计。充分利用能源，达到节能减排的效果。
获奖情况
- 三缸柴油发动机的CAD模型在3D动力网2010全国三维数字创新大赛上获得福建省一等奖
鉴定结果
- 无
参考文献
- 1.龚曙光.ANSYS工程实例分析[M].北京:机械工业出版社.2003. 2.刘涛,杨凤鹏.精通ANSYS[M].北京:清华大学出版社.2001. 3.吉卫喜.机械制造技术[M].北京:机械工业出版社.2008. 4.(美) Saeed Moaveni.有限元分析:ANSYS理论与应用:theory and application with ANSYS[M].北京:电子工业出版社.2008. 5.王林超. 现代汽车构造与检修--发动机 北京:国防工业出版社.002 6.张准等．柴油机缸体振动的模态分析和改进设计．江苏工学院学报.1992 7.顾宏中．涡轮增压柴油机热力过程模拟计算[M]．上海交通大学出版杜.1997 8.徐兀．汽车发动机现代设计[M]．北京：人民交通出版社.1995 9.李俊宝，李衍等．柴油机缸体振动响应分析与结构修改[M]．内燃机学报．1997(2) 10.魏涛，刘涛等．多缸柴油机机体结构有限元模态分析内燃机与动力装置[M].2006(4) 11.晋兵营，餍志立等.YT4135Z柴油机机体有限元模态分析闭．河南科技大学学报(自然科学版).2003(9)；51～53 12.刘玉梅，袁文华．紫油机机体三维建模及有限元模态分析[M]御l械工程师．2007 13.崔燕娟，下忠．485柴油机机体有限元模拟及结构改进．j型内燃机与摩托车.2009(5) 14.廖日东，左正兴等.发动枧零部件有限元技术应用的新进展[M]．内燃枫学报.1999.17(2) 15.杨忐慧．汽车发动机机体有限元分析[M]．武汉理工大学．硕十学位论文．2007．5
同类课题研究水平概述
- 美国通用公司在柴油机的设计开发中已经将有限元结构分析扩展到分析极限变形、燃烧引起的热应力以及动态响应分析上，同试验概念结合起来进行新产品结构的优化。 美国SAE(美国汽车工程协会)、比利时鲁汶大学等研究机构，对发动机机体有限元模型的建立进行了相关研究。特别是结合静态分析和试验模态分析等方法，修正和完善机体的有限元分析模型取得了突出的成效。 德国柴油机在结构分析工作中较早利用了有限元技术。Kentucky大学的A．ESeybert针对柴油机的油底壳以及其他零部件进行了有限元分析，实现了声振耦合分析。 比利时LMS公司、奥地利AVL公司将有限元分析技术应用到实际工程设计中，借助其强大的试验能力，在分析确定缸体激励力方面取得了重大进展，使得通过计算机模拟得到动态响应的结果同实际情况相当接近。 Zissmos．EMourelato研究了曲轴的动态响应；Robert Southall等利用有限元技术开发了满足欧三标准的Perkins V6 HSDI(Hi曲Speed Direct Injection)柴油机。 国外其他的主要柴油机生产厂商如CUMMINS，MTU，TOYOTA，NISSAN2等广泛开展了柒油机零部件有限元分析。福特公司利用有限元分析计算，成功解决了机体出现裂纹的问题。
