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概述：風冷式發(fā)動機在摩托車和航空飛行器中較為常見。它通過空氣循環(huán)的方式將發(fā)動機產(chǎn)生的熱量進行散失。金屬散熱片的結構設計增大了發(fā)動機的表面積，從而通過對流方式提升了散熱速率。本案例利用模擬技術比較了三種不同設計在散熱效率方面的差異。這有助于加深對瞬態(tài)熱分析、邊界條件(瞬態(tài)熱分析中的重要因素)以及瞬態(tài)熱分析如何幫助我們做出工程決策的理解。

發(fā)動機活塞作為典型的“高溫高應力”部件，工作時燃燒室一側溫度可達800-1000℃，而冷卻側溫度僅150-200℃，巨大的溫差導致活塞頂部邊緣形成顯著熱應力集中，這一因素占活塞失效誘因的68%。 通過Ansys熱應力分析三步法可徹底破解這一難題：第一步，瞬態(tài)熱應力模擬。針對發(fā)動機啟動、加速、怠速等動態(tài)工況，Ansys能精準捕捉熱應力隨時間的演化規(guī)律，定位應力峰值區(qū)域。

新型軌/姿控發(fā)動機采用往復活塞泵對推進劑進行增壓輸送，可提高空間液體火箭推進系統(tǒng)性能，減輕發(fā)動機質(zhì)量。通過AMESim 軟件建立軌/姿控發(fā)動機往復活塞泵模型，對該模型的建立過程進行了詳細的闡述，并且進行了動態(tài)仿真。結果表明，受氣體壓縮性的影響，活塞的往復運動存在停頓現(xiàn)象，適當調(diào)整液缸內(nèi)彈簧的彈性系數(shù)和液缸、氣缸直徑可以在保持流量不變的前提下有效提高輸出流量的穩(wěn)定性。　　

1.3 邊界條件和載荷利用Ansys 軟件對整個機器模型的自由度進行了約簡，得到了一個方便的約簡模型。本文構造子結構的方式是簡化自由度，能有效分析結構的質(zhì)量和剛度。當發(fā)動機受到激勵引起油盤振動時，發(fā)動機的傳動系統(tǒng)對多個對象進行動態(tài)分析，利用此振動作為邊界條件對油底殼進行頻率響應分析。

CONVERGE首先被成功應用到活塞式發(fā)動機行業(yè)，包括柴油機、汽油機、天然氣/乙醇/氫氣/混合氣體發(fā)動機等，如今，CONVERGE已一躍成為國內(nèi)外發(fā)動機設計領域使用最廣泛的知名CFD分析工具! 滾動活塞式壓縮機具備結構簡單，部件少，制造成本低，效率和可靠性高等優(yōu)點，在小容量冰箱或空調(diào)被大量使用。

總結 活塞式發(fā)動機的非航空領域的試驗仿真技術已經(jīng)非常完善，只需結合已有的成熟技術與航空發(fā)動機的應用特點，進行適當?shù)膫戎嘏c優(yōu)化。螺旋槳的零部件組成相對活塞發(fā)動機更趨簡單，但其材料的復合性、運動特性的多變性使得仿真分析難度更高。利用先進的仿真模擬技術，開展高效的槳發(fā)匹配分析將是我們今后重點研究的工作。

本文以某發(fā)動機缸體為案例通過仿真分析和試驗相結合的方式確定了發(fā)動機結構共振噪聲，最終通過模態(tài)提升的方式提升了發(fā)動機的NVH性能。缸體模態(tài)有限元分析發(fā)動機工作時缸體是主要的受力件，氣體在燃燒室燃燒所產(chǎn)生的氣體壓力，通過活塞連桿傳遞到曲軸，通過缸體傳出。因此發(fā)動機缸體必須要求有足夠的剛度和強度，才能承受如此大的機械負荷并保證發(fā)動機的正常運行。

講解核心知識點時，講師全程結合真實行業(yè)案例舉例，避免抽象表述：比如介紹“瞬態(tài)熱應力與穩(wěn)態(tài)熱應力”的區(qū)別時，不會單純講解“時間依賴性”理論，而是通過“汽車發(fā)動機啟動（溫度快速變化，需瞬態(tài)分析）”與“發(fā)動機持續(xù)運轉（溫度穩(wěn)定，用穩(wěn)態(tài)分析）”的場景對比，搭配溫度場云圖動態(tài)演示，讓學員瞬間理解兩種分析類型的適用場景；講解“熱膨脹系數(shù)對熱應力的影響”時，會以“鋼質(zhì)散熱板與鋁合金電芯的熱應力匹配”為例，通過仿真結果對比

圖5 發(fā)動機動力學模型3.1.3柔性化曲軸系統(tǒng) 將曲軸CAD模型進行有限元網(wǎng)格劃分，并進行模態(tài)縮減，替換發(fā)動機動力學模型中的剛體模型，進行動力學精細化計算，圖6為柔性化后的剛柔耦合發(fā)動機動力學模型。 圖6 剛柔耦合發(fā)動機動力學模型3.1.4激勵力分析 如圖7所示，將測試缸壓加載至活塞端面，進行MBD時域仿真分析，得到曲軸中心軸承處的時域載荷。

全球領先的飛機發(fā)動機制造商賽峰飛機發(fā)動機公司（Safran Aircraft Engines），將采用Ansys行業(yè)領先的有限元分析（FEA）工具作為其新一代飛機發(fā)動機研發(fā)項目端到端的結構與熱仿真解決方案。

止推軸承幾何模型 4、活塞/氣缸模塊 活塞是發(fā)動機汽缸體中作往復運動的機械零件，主要作用是承受氣缸中的燃燒壓力。活塞/氣缸模塊將活塞的運動定義為旋轉和滑動相結合，進行潤滑間隙的模擬計算，獲得活塞在氣缸內(nèi)運動狀態(tài)的重要參數(shù)。 活塞/氣缸幾何模型 Tribo-X后處理分析 可以輸出2D及3D圖形分析結果。

與這種接觸相關的摩擦學參數(shù)對于發(fā)動機性能至關重要。本文對凸輪和從動件副進行了分析，并提出了對用于制造凸輪和從動件的傳統(tǒng)材料進行改進的建議。使用 Solidworks 軟件設計典型內(nèi)燃機中使用的盤式凸輪和球形從動件的 3D 幾何形狀，并使用 CAE 軟件 ANSYS Mechanical 完成凸輪和從動件組件的有限元分析(FEA)。本分析采用的材料是結構鋼和灰口鑄鐵。

燃燒導致壓力在做功沖程中升高，從而將活塞向下推，從而產(chǎn)生動力。 一旦排氣閥打開并將用過的氣體推出，活塞就會返回到其原始位置。 這是了解缸內(nèi)壓力及其對內(nèi)燃機性能影響的完美示例。 缸內(nèi)壓力是由于內(nèi)燃機氣缸或燃燒室內(nèi)部燃燒而產(chǎn)生的壓力。 在本文中，我們將分析缸內(nèi)壓力及其在提高發(fā)動機性能方面的作用。

2.2 發(fā)動機多體動力學模型的建立 采用EXCITE-PU 對曲軸進行動力學建模[3-4]，以及建立由燃燒激勵引起發(fā)動機載荷激勵的多體動力學模型，如圖2 所示。 圖2 發(fā)動機多體動力學模型顯示界面 運用EXCITE-PR 對活塞動力學進行建模[5]，可提供活塞側推力激勵。

部分計算結果圖片如下所示： 圖9 不同時刻主油道、連桿活塞油道和輸油道的壓力分布 圖10 V-16發(fā)動機潤滑系統(tǒng)空化體積分數(shù)分布 圖11 V-16發(fā)動機潤滑系統(tǒng)壓力分布（箭頭處是仿真結果與計算結果的對比點）對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行無量綱分析，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比可知，PumpLinx計算結果與試驗結果吻合度較高，可以有效指導該類型系統(tǒng)的設計優(yōu)化

但內(nèi)燃機質(zhì)量大，振動噪聲高，長時間運行時發(fā)動機溫度和壓力過高，氣缸內(nèi)易積攢煙灰和積碳。由于內(nèi)燃機在運行過程中，活塞撞擊和零配件的間隙過大等都會導致內(nèi)燃機缸蓋和機體振動。內(nèi)燃機表面的振動信號反映了內(nèi)燃機內(nèi)部的工作狀態(tài)，對振動噪聲信號進行測試和分析可以得出內(nèi)燃機內(nèi)部運行狀況和振動噪聲產(chǎn)生的原因。

普通課程的典型特征是“千人一課”，以脫離實戰(zhàn)的通用虛擬案例為核心教學載體，比如反復講解“標準立方體熱應力分析”“簡單梁結構熱變形模擬”，學員跟著步驟能完成操作，但面對自己企業(yè)的發(fā)動機活塞、電池包等真實項目時，就陷入“模型導入報錯、參數(shù)設置迷茫、結果解讀無措”的困境。

日本獨家公共研究機構采用Ansys材料數(shù)據(jù)管理解決方案創(chuàng)建環(huán)保材料庫，以實現(xiàn)高效的飛機發(fā)動機開發(fā) 主要亮點 NIMS使用Ansys材料解決方案Granta MI來分析和選擇耐熱材料，以提高飛機發(fā)動機的能效和熱效率