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、零部件级的甚至整车级的适应。因为时间在增长、成本在增长。这也是为什么目前各大公司相对成本比较低。我们也是不断与CAE的仿真流程，逐步减少代替台架试验。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？就是我们怎么把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分析一下什么原因引起的，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，显然你会想到多方法，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，看什么组合最合适。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，因为底部温度变化太激烈了，目的会引起断裂。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，确实到荷载达到一定程度的时候，会使你材料慢慢失效。

这个是在机体上出现的问题，典型问题是你台架试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，我们不得不考虑。因为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，怎么布置是合理的。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，他们怎么也不承认。为什么呢？我们的发动机已经生产这么多了，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，成本增加了，这个成本算了下不算加工成本，500个亿，非常大的数据。他怎么不相信我的观点，当时查看数据之后，跟我讲的一模一样。后来他们不得不承认他们理论方法是错误的，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，我提了三点方法，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。我提一个分子，我认为很关键的被很多人忽略的点，就是建立模拟结构实际受载过程的计算流程，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，国外最大的供应为什么在中国挣这么多钱？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考虑下一步的结果。

高度疲劳引起的，所以真正判断模型是不是吻合，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，因为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合理的。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，当然中间还有一个。慢慢拉到安全系数，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，但是不能告诉你。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。一个活塞会对摩擦后期问题产生巨大影响。我们分析过程中，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模拟准确，这是我的观点。第二个问题，应用分析问题你会抓住一些关键点。

大家很容易问到一个问题，活塞没出来温度场模拟怎么出来的？这个实验是找了相近的活塞做了实验。我们取了将近40个接近分布在活塞各个部分，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，我们数据库怎么建立起来的？就是一步一步累积起来。这个数据有两方面的功能，一方面这个部件通过了强度试验。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，你也必须得到模拟，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，相当于一切为二。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。

这个是装配应用分析，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，因为我们知道活塞在工作过程中是属于高度，很多软件里，因为是现状的，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，是不是满足我们的要求。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，这个过程最重要的一点是，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来说，这是一种方法，这种方法尽管高效，尽管成本低。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。在座各位有什么问题？

【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××，我们一直搞功用发动机，做燃烧的做燃烧，做结构的做结构。我们经常困惑就是，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，但是温度分布就不均匀，喷雾喷下去以后，分布是非常不均匀的。分析中，很多情况是算温度按照温度测点标的模型。这个燃烧引起温度分布，考虑不考虑？

【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。一般在测试过程中我们会测几点，假设是四个冲程，每个都测一下，数据出来无非是一个后处理过程。这是非常重要的过程，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，我们会分析每一个冲程找一个时间节点分析。好在是模型，模型搭建好了，无非是时间算的问题。数据进去出来。只不过我们分析过程中，怎样考虑这个问题？怎样选择更好的控制过程，来达到整个分析的结果相对合理。

【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，可能因为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，这部分模拟吗？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。

对于您我有一个问题，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，因为这是长期思路问题，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？搞对了，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，说不定相对水平下降了。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，靠什么？靠努力。三一晚上是要工作的，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按照一个故事给我讲。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什么这么些？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。逐渐在改变，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，不是说怎么就能解决问题的。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，这个里面包含了很多内容。因为出来以后，事实上，我们是按几个分析的，所以必须考虑历史过程，必须考虑几何状态。不是一个简单的，以前我们没有软件，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：盖世汽车）