早在二十世紀八十年代，我國就提出了"甩圖板"的口號，成為我國制造業(yè)信息化建設起步的號角。今天越來越多的企業(yè)正在把信息化作為推動本企業(yè)發(fā)展的重要手段，而在信息化的應用上以CAD/CAE技術最為廣泛。
我國內燃機傳統的設計過程中，由于前期設計階段缺乏試驗用的樣機，往往參考國外同類型樣機，依靠工程設計人員的經驗，經過大量試驗與測試，進行改進設計，因此很難避免設計中存在潛在的缺陷。這樣，有關裝配、操作和維護的問題往往只會在設計后期或在最終產品試車過程中，甚至在投入使用一段時間后才能暴露出來，所以產品往往不得不返回到構造設計階段以進行必要的修改，這樣的設計過程不僅效率低，費用還高。
早期的CAD就是單純的二維繪圖，在內燃機行業(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)、計算機技術的蓬勃發(fā)展，大量三維CAD軟件層出不窮，如UG、Pro/E、SolidWorks、CATIA等，它們卓越的參數化設計和基于特征設計功能受到廣大內燃機設計工作人員的青睞。
CAE/CFD軟件是迅速發(fā)展中的計算力學、計算數學與現代計算機科學和技術相結合而形成的一種綜合性、知識密集型的信息產品。隨著市場競爭日益激烈，更多的企業(yè)越來越清楚意識到要想提高工程、產品的設計質量，降低研究開發(fā)成本，縮短開發(fā)周期，推出優(yōu)秀的創(chuàng)新產品，從而盡快地占領更多的市場，那么應該把CAE/CFD技術作為實現工程、產品創(chuàng)新的有力工具和重要的支撐技術。而內燃機作為一種十分復雜的熱力機械，在它的設計中涉及的運動學、動力學、熱、力、噪聲等問題，使CAE/CFD得到了廣泛應用。
圖1 某小型內燃機
二、CAD在內燃機設計中的應用
內燃機中許多零部件的設計，如果采用傳統手工設計方法很難滿足精度要求，而使用CAD技術，尤其是三維CAD技術能直觀表達、設計方便。
在內燃機的計算機輔助設計中，實體造型是其中的重要過程。早期的CAD軟件建模結束后導入CAE分析得出結論之后，往往需要修改設計方案，現在由于參數化建模思想和基于特征建模思想的產生，使某一尺寸發(fā)生變化需重新建模的尷尬徹底消失，圖形的修改變得十分容易，設計效率變得更高。
另外，在給客戶提供零部件改進方案或三維效果圖時，常常是只有實物而沒有任何圖紙或CAD數據，特別是樣件造型中有曲線、曲面時，很難通過測量獲得準確的數據，以至于得不到原件的精確三維圖。由工件產生圖紙或相關尺寸數據的過程屬于逆向工程領域，它可以采用三坐標法獲得，而目前三坐標中又引入了CAD功能，使這項工作變得相對簡單。例如首先用三坐標測量儀獲得工件點云，再利用Imageware等軟件處理點云，導入UG等CAD軟件對數據進行處理，即可得到精確三維圖。
下面列舉幾個CAD方面的例子：
①三維測繪到CAD建模
圖2 某小型冷卻風扇三維測繪后實拍圖內燃機冷卻風扇CAD模型
②內燃機設計中的CAD建模
圖3 某小型內燃機總裝三維模型
圖4 某摩托車消聲器CAD模型
三、CAE在內燃機設計中的應用
目前在國內的內燃機設計中廣泛采用了CAE技術，但企業(yè)的重視程度卻不高，尤其是一些中小發(fā)動機生產廠家，這不僅是由于CAE軟件價格昂貴且全英文界面，更主要是對軟件操作人員知識層次要求很高，企業(yè)培養(yǎng)一個自己的科研團隊往往是投入大、回報少，因此它并不像CAD那樣普及，主要模式是內燃機有關的科研院所和生產企業(yè)合作開發(fā)新產品，企業(yè)提要求，科研院所出方案。
在國外，不論是概念設計階段還是產品開發(fā)階段，只要是產品設計就必須用CAE。這不僅是觀念問題，而是由于國外的競爭完全是白熱化的。產品研制周期的延誤、公司的承載能力和產品成本等任何問題都會對企業(yè)造成非常大的影響，CAE技術是幫助他們提高研發(fā)能力最具價值的投入。
伴隨著國內行業(yè)間競爭的日益激烈，不靠創(chuàng)新來提高產品附加值就很難生存和發(fā)展。此時，企業(yè)就會迫于市場壓力而不斷改良產品，CAE在國內的應用也將更為普及與深入。
CAE技術在內燃機設計中的主要應用有：
(1)結構強度分析
結構強度是保證內燃機工作安全性、可靠性的重要指標，因此結構強度分析應用最為廣泛。它可以判斷結構在工作載荷作用下是否安全，哪些部位發(fā)生應力集中，哪些部位強度不足，以此來改進設計。像ANSYS、N等大型CAE軟件都提供了極為方便快捷的分析手段。
(2)動力學仿真分析
動力學仿真基于多體動力學理論，可在研究階段預測內燃機運動機構甚至整車的動力學性能，對這些性能進行優(yōu)化，以達到提高產品性能的目的。就是其中一款十分優(yōu)秀的專業(yè)動力學分析軟件。
(3)其他分析
結構優(yōu)化設計、模態(tài)分析、疲勞分析、熱分析、噪聲分析等也都是內燃機設計中經常要進行的仿真內容，絕大多數的大型有限元軟件都能做以上分析。
下面列舉幾個CAE方面的例子：
①內燃機設計中強度校核
圖5 某小型發(fā)動機飛輪螺栓強度校核
②內燃機設計中的運動機構動力學仿真
圖6 某小型內燃機運動機構動力學仿真
圖7 相應的氣門彈簧受力曲線 圖8 相應的凸輪與挺柱間接觸力曲線
③內燃機設計中的零部件噪聲分析
圖9 某小型內燃機冷卻風扇3600rpm時由于結構振動而輻射噪聲的聲壓云圖
四、CFD在內燃機設計中的應用
隨著計算機技術和湍流理論的發(fā)展，CFD即計算流體力學在研究和應用方面都取得了長足的進步。對于內燃機而言，它的進氣、排氣、冷卻風扇、氣缸等所有和流場密切相關的零部件對發(fā)動機性能影響都十分巨大，與試驗研究相比，CFD開發(fā)時間短，所用的經費少，可以方便靈活地改變初始條件、邊界條件以及幾何邊界條件，對研究對象的外流特性、內流特性，對整體、局部描述都十分清晰，它能使設計人員對流場品質和流動機理有更為深刻的認識，得到一些試驗手段所得不到的理解和結論，因此盡管試驗的可信度高，但由于試驗測試手段的局限，且計算機模擬不受外界干擾等諸多優(yōu)點的存在，CFD技術在內燃機設計階段被普遍采用。
近年來，一些新的湍流模型和燃燒模型的提出使CFD在內燃機領域的應用更加深入，而網格技術的不斷發(fā)展和計算機硬件水平的快速提升使網格數目可以劃分的更多，使計算精度也在不斷提高。國外在計算汽車外流場時，誤差已經控制在5%以下，但國內CFD技術只是在最近五六年內才開始普及，積累經驗還很少，還處于摸索階段。
下面列舉幾個CFD方面的例子：
①內燃機設計中某小型內燃機冷卻風扇內流場分析
圖10 某小型內燃機冷卻風扇內流場速度云圖
②內燃機設計中某小型內燃機進氣道內流場分析
圖11 某小型內燃機進氣道內流場湍流強度云圖
③內燃機設計中某小型內燃機消聲器內流場分析
圖12 某小型內燃機消聲器內部聲功率級云圖
五、內燃機設計中專用軟件簡介
國外的一些內燃機技術服務公司如美國的Gamma Technologies，英國Ricardo，比利時的LMS，奧地利的AVL都有自己的內燃機設計和仿真/分析軟件，主要用于內燃機的動態(tài)特性仿真，各種運行情況下的耗油量分析，噪聲、振動分析，結構力學性能分析，缸內燃燒特性分析等等?？傊疅o論是新機型設計，原有機型改造還是內燃機系統的集成，都可以從這些軟件的使用中得到非常有益的參考結果。
這類軟件往往價格昂貴，而目前通用CAD/CAE/CFD軟件多數支持二次開發(fā)，因此國內的內燃機設計人員在資金不足情況下可以根據自身需要開發(fā)出屬于自己的設計模塊、設計模板，以求進一步縮短產品研發(fā)周期，提高工作效率。
六、總結
國內內燃機行業(yè)要想不斷快速向前發(fā)展，就要依托于CAD/CAE/CFD技術，而廣大內燃機設計人員要想設計出高性能的內燃機就要掌握這項技術。在同國外同行業(yè)競爭中要立于不敗之地關鍵就是創(chuàng)新，而CAD/CAE/CFD軟件為我們創(chuàng)新設計提供了很好的工具。這使我們有理由相信，這項技術必然會在內燃機行業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用，并使內燃機設計邁上一個嶄新的臺階。
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