1 柴油機設計需要有限元分析

目前，柴油機研發目標的要求和難度越來越高，體現在以下一些方面：

柴油機的性能和可靠性指標愈來愈高，其中的一些參數的變化趨勢相互制約，參數優化空間相對變小，研發的風險加大

產品開發需要考慮的變量不斷增加，系統的復雜性增大，（跨行業、跨部門的協作增多）

同時要求縮短產品開發的周期

降低產品開發的成本和風險

提高研發產品的質量

因此，柴油機研發受到很大的挑戰。為滿足現代柴油機的發展需要，必須對傳統的以經驗＋試驗的設計方法進行改進，其中借助功能強大的計算機輔助工程（CAE）是非常有效的手段。

目前，在先進的研發機構，CAE已是柴油機設計工作的主要組成部分。采用CAE，可以在樣機制造之前，即對發動機各項指標進行模擬評估，可以達到不經試驗即可進行優化設計，從而大大提高“首次設計成功”的概率，縮短設計周期，降低設計成本。如AVL公司借助CAE手段，可以將一個產品開發的周期從42個月縮短為24個月。此外，采用CAE模擬手段還能得到一些在實際試驗中也難以得到的各種數據。

作為CAE的一部分，有限元分析（FEA）在發動機的設計中得到了越來越廣泛的應用，其主要用途是對發動機復雜零部件進行溫度場分析、結構的剛度和強度分析以及噪聲振動分析。而不采用FEA技術，對發動機進行類似分析計算是幾乎不可能的。

因此現代的發動機設計已離不開FEA。

2 有限元分析目前的發展水平

從60年代起，有限元法隨著計算機科學的發展，在包括內燃機在內的幾乎所有工程領域得到愈來愈廣泛的應用。有限元技術的出現，為工程設計領域提供了一個強有力的計算工具，經過迄今約半個世紀的發展，它已日趨成熟實用。近幾年來，隨著計算機軟硬件水平的提高，內燃機零部件有限元技術又取得了許多新的進展。

2.1 有限元網格模型(包括節點數據和單元信息)的建立是采用有限元法求解問題的先決條件。

在整個求解過程中，它通常是工作量最大的部分。隨著有限元技術的廣泛使用，有關有限元網格生成技術和可視化研究得到很大發展。

目前大型軟件一般都能以幾何模型為載體，自動生成相應的有限元網格模型；具體操作時可以根據需要選擇合適的單元如桿、梁單元、板、殼單元以及實體單元。這種發展大大提高了有限元網格模型的生成速度和分析效率，節約了大量的時間和人力。這對于有限元技術的實際運用具有重要意義。

目前，發動機中最復雜的零部件包括氣缸蓋、機體、曲軸、活塞、連桿、增壓器渦輪、壓氣機等等，都可以根據CAD實體模型直接建立非常精確的有限元網格模型，

但是，目前自動生成的有限元網格一般只能為四面體單元(這種單元計算精度不高)，要達到一定的計算精度則網格必須具有相當的密度或提高單元的階次，這會增大計算量。六面體單元的使用可以在較小的計算規模下達到較高的計算精度，但對復雜零件難以實現該種單元的網格自動劃分。

2.2 邊界條件的施加技術邊界條件的確定方法大體可分為解析法、試驗法、試算法、多步分析法幾種類型。采用CAE模擬軟件如CFD、動力分析軟件來確定復雜的熱交換和動載邊界條件是當前正在發展中的先進方法。在邊界條件的施加方面，現在可以做到將邊界條件施加于幾何模型，由軟件自動完成邊界條件的移置轉換，使繁雜的邊界條件施加變得直觀方便。

目前，對多個具有相互接觸作用的物體進行接觸邊界條件的施加和計算已是大型FEA商業軟件的標準功能。 一些高級的有限元分析軟件還提供一些特殊的單元如墊片單元、螺釘單元等，使施加這些復雜的邊界條件變得更為方便，計算更快。

2.3 有限元軟件求解能力主要表現在解決非線性問題的能力以及求解規模、計算精度和求解效率等方面的指標。目前，對于很大規模的問題求解還需依賴超高性能的計算機硬件設備。

2.4 主要的FEA軟件供應商已先后將自己的主要軟件做成與多種其他類型的軟件（如各種CFD軟件、動力分析軟件、優化軟件、前后處理軟件等）有友好的數據交換接口，有的甚至將FEA軟件直接與其中的一些軟件（不同類型）集成形成一個完整的FEA分析系統，使用戶在進行FEA分析時可將其他軟件分析結果直接用來加載或作為邊界條件，為多場耦合分析和集成優化提供便利條件。

3 發動機主要研發機構和主要汽車生產商使用CAD和FEA軟件的情況統計

發動機主要研發機構和主要汽車生產商一般都使用專業的FEA商業軟件，目前世界上大型的結構分析軟件主要有：ABAQUS、ANSYS、MSC Nastran、MSC Marc等。此外，一些大型的CAD軟件也帶有FEA功能，如Ideas。

世界著名的發動機研發機構如AVL、Ricardo、FEV等主要使用ABAQUS、MSC Nastran 以及ANSYS等軟件。 據不完全統計，世界主要汽車生產商使用的軟件如下：

4 柴油機設計主要進行的有限元分析項目

某著名發動機咨詢公司在發動機設計時主要進行的 CAE 分析項目如下圖所示：

目前，新發動機開發需要進行的 FEA 分析對象主要有：氣缸蓋、機體、氣缸套、曲軸、活塞、連桿、排氣管、增壓器支架等。

FEA 分析的內容包括受熱零件的溫度場分析、零部件結構的剛度和強度分析以及噪聲振動分析等。

5 有限元分析軟件的進一步發展動向

盡管目前有限元技術應用已達到很高水平，但也存在一些問題。解決這些問題是 FEA 進一步的發展方向。

5.1 在有限的硬件資源條件下，進一步提高分析精度和分析效率，提高進行大規模模型分析的能力。

5.2 繼續提高對復雜零件高質量單元網格進行自動完全劃分的技術。

5.3 繼續將 FEA 軟件與性能優異的 CFD 軟件、動力分析軟件、優化軟件、前后處理軟件等相關軟件集成形成一個高性能的完整的 FEA 分析系統，使用戶能方便地進行多場耦合分析和優化分析。

5.4努力使FEA軟件的使用變得更加方便，降低對使用者的軟件專業素質要求。

5.5 加強對特殊結構或材料特性 (如油膜、密封材料、表面硬化處理、表面鍍層)在 FEA 分析中處理方法的研究。

5.6 進一步探索減少結構優化時的迭代計算量，提高結構優化的效率。

地進行多場耦合分析和優化分析。 努力使FEA軟件的使用變得更加方便，降低對使用者的軟件專業素質要求。

來自：CAD世界網