Особенности использования трёхмерного моделирования для описания

конструкции двигателя внутреннего сгорания

М.Г Шатров,

зав. каф. «Теплотехника и автотракторные двигатели», д.т.н., проф.,

А.Л. Яковенко

аспирант каф. «Теплотехника и автотракторные двигатели»,

МАДИ (ГТУ), dvs@madi.ru, Москва

Проектирование современного поршневого двигателя внутреннего сгорания (ДВС) предполагает широкое использование информационных технологий. Они обеспечивают разработку моделей конструкции ДВС нового типа и служат основой для формирования единого информационного пространства ДВС (ЕИП ДВС) [2], позволяя на другом системном уровне представить образ ДВС, который можно использовать многоаспектно. ЕИП ДВС подразумевает взаимодействие между информационной моделью ДВС и системами трехмерного моделирования (CAD), инженерных расчетов (CAE), производства (CAM) и рядом других систем (рис. 1). Управление данными в ЕИП ДВС осуществляется с помощью PDM-системы.

рис. 1. Структурная схема ЕИП ДВС

Особое место в составе ЕИП ДВС занимают системы трехмерного моделирования. Использование трехмерных моделей предоставляет широкие возможности для описания конструкции двигателя внутреннего сгорания и проведения разного рода исследований ДВС.

На кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели» МАДИ (ГТУ) на базе системы трехмерного моделирования (T-Flex CAD) осуществляется разработка системы автоматизированного проектирования ДВС (САПР ДВС) нового поколения. Все трехмерные модели деталей, узлов и механизмов, включенные в САПР ДВС, являются параметрическими.

Широкое применение параметризации при моделировании обусловлено возможностью оперативно получать заданную конфигурацию объекта проектирования (рис. 2), сократить временные и финансовые затраты на проектирование.

а) б)

рис. 2. Варианты конфигурации поршня:

а - поршень двигателя с искровым зажиганием; б - поршень дизельного двигателя

Одной из особенностей применения параметризации является ее уровень, варьируемый в зависимости от этапа проектирования.

Так, при формировании концепции ДВС достаточно использовать минимальное количество только самых общих и значимых параметров двигателя, например: диаметр цилиндра, ход поршня, длина шатуна и т.д. Менее значимые параметры и размеры детали в этом случае могут задаваться пропорционально базовым параметрам: или масштабированием или по заданной зависимости (таблица, функция). Повышение детализации описания элементов двигателя с помощью данной модели предполагает переход части ранее зависимых параметров в независимые. Однако, при этом общее количество параметров модели не меняется, но в зависимости от уровня описания количество независимых параметров естественно будет возрастать как от перехода из зависимых, так и для более детального описания конструкции. А при необходимости еще более подробной проработки конструкции необходимо включать в модель большее число независимых параметров.

Таким образом, при создании моделей САПР ДВС осуществлялась адаптация моделей для конкретных технических решений двигателя и уровня решаемой задачи.

Здесь также важно использовать регулярность структуры описываемого объекта. Так, то, что ДВС является многоцилиндровым и его цилиндры могут располагаться в пространстве друг относительно друга под разными углами, предполагает необходимость создания отдельных типовых элементов конструкции (модулей), которые можно компоновать в зависимости от потребностей. Поэтому формирование параметризованных обобщенных моделей элементов конструкции для описания значительного спектра возможных технических решений является актуальным.

Общая методика разработки трехмерных обобщенных моделей, описывающих объект проектирования, включает в себя: формирование структуры обобщенной модели и выделение набора наиболее значимых параметров, задание необходимой формы описания требуемых зависимых параметров, разработку унифицированной модели, позволяющей в зависимости от поставленной задачи формировать геометрическую модель в двух- и трехмерной постановке и с заданным уровнем детализации. На рис. 3 представлен пример реализации такого подхода.

рис. 3. Последовательность формирования модели объекта проектирования

Это позволяет многоаспектно использовать полученные модели как при научных исследованиях (прочностной расчет, формирование камеры сгорания, газодинамика свежего заряда, гидродинамика масляного слоя, взаимное перемещение элементов двигателя и ударные явления в нем) так и в учебном процессе.

Одним из направлений использования разработанных моделей является формирование конечно-элементных моделей конструкции корпусных деталей ДВС для выполнения расчетов их напряженно-деформированного состояния и оценки их собственных и вынужденных колебаний с целью снижения акустического излучения двигателя. В этом случае применение параметризации ускоряет проведение исследований влияния того или иного конструктивного параметра на прочностные характеристики, собственные формы и частоты колебаний объекта. По результатам данного исследования формулируются основные стратегии изменения конструкции объекта для получения требуемого эффекта.

В разработанной в МАДИ (ГТУ) модели расчета структурного шума [1] для вычисления его уровня необходимо определить площадь, массу, длину двигателя, а также некоторые массово-геометрические параметры поршневой и шатунной групп. На стадии концептуальной проектирования данные параметры могут выбираться по прототипу или рассчитываться приближенно по предложенным формулам. Детальная проработка конструкции предполагает применение трехмерных моделей, которые позволяют повысить реалистичность расчетных результатов. При этом присутствует возможность повысить качество оценки влияния конструктивных параметров ДВС на уровень его структурного шума, особенно при перекладках поршня.

С использованием разработанных трехмерных моделей было выполнено исследование влияния коэффициента короткоходности K=S/D на уровень структурного шума ДВС от рабочего процесса для двигателей 4ЧН 11/12,5 и 8ЧН 12/12 при постоянстве рабочего объема двигателя и длины шатуна. Некоторые результаты показаны на рис. 4.

В результате при увеличении K от 0,8 до 1,2 для модели 4ЧН 11/12,5 масса уменьшилась на 5,3%, а площадь поверхности – на 7%. При этом длина ДВС снизилась на 7,7%. Уровень акустической мощности снизился на 2,3 дБ.

Для модели 4ЧН 11/12,5 масса уменьшилась на 6%, а площадь поверхности – на 4,6%, длина ДВС снизилась на 7%, а уровень акустической мощности - на 1,1 дБ.

Уменьшение акустической мощности при увеличении коэффициента K обусловлено одновременным сокращением площади наружной поверхности ДВС, его длины и диаметра цилиндра. Последний непосредственно влияет на спектральную плотность G(kf₀) силового возбуждения конструкции двигателя при реализации рабочего процесса, которая пропорциональна квадрату диаметра цилиндра:

,

где - площадь поперечного сечения цилиндров, р_г – давление в цилиндре, i – количество цилиндров.

Таким образом, происходит уменьшение средней по наружной поверхности ДВС скорости колебаний, пропорциональной G(kf₀), что в свою очередь вызывает снижение излучаемой акустической мощности.

а) б)

рис. 4. Изменение уровня акустической мощности от рабочего процесса и массово-геометрических параметров ДВС при варьировании K:

а - 4ЧН 11/12,5; б - 8ЧН 12/12

а) б)

в)

рис. 5. Трехмерные модели топливных насосов бензиновых двигателей:

а – шестеренчатый; б – лопастной; в - роликовый

Особое значение для современного общества приобретает подготовка специалистов, в должной мере владеющих основами 3-D моделирования, а также умеющих работать в коллективе. Поэтому для обеспечения процесса разработки ДВС также важна подготовка специалистов, обеспечивающих сопровождение разработанных моделей. В соответствии с этим на кафедре разработана методология создания моделей деталей, узлов и механизмов ДВС, которая используется при обучении студентов приемам работы в системе трехмерного моделирования и САПР ДВС.

В качестве примера использования учебной методики на рис. 5 представлены результаты выполнения моделирования топливных насосов бензиновых двигателей. Перед учебной группой была поставлена задача разработки трехмерных параметрических моделей и чертежей трех типов топливных бензиновых двигателей: лопастного, шестеренчатого и роликового. После разработки моделей отдельных деталей осуществлялось формирование сборочных моделей насосов. На этом этапе происходит активная коллективная работа студентов, обусловленная необходимостью согласования посадочных размеров сопрягаемых деталей. После формирования моделей насосов была осуществлена запись анимации сборки и работы отдельных узлов и насосов целиком.

Полученные по итогам работы навыки позволяют выпускникам в дальнейшем успешно решать свои профессиональные задачи.

Рассмотренная форма использования в МАДИ (ГТУ) 3-D моделирования позволяет гармонизировать процесс взаимодействия научных исследований и учебного процесса. При этом от науки в учебный процесс передаются результаты исследований, а в науку приходят подготовленные специалисты и новые способы представления информации.

В итоге сформированные трехмерные модели используются многоаспектно:

- для отображения возможных конструктивных решений в учебном процессе, визуализации работы механизмов и систем ДВС;

- на основе полученных трехмерных моделей формируются конечно-элементные модели конструкции ДВС, которые в дальнейшем могут применяться для виброакустических исследований, оценки напряженно-деформированного состояния деталей двигателя;

- определяются массово-геометрические параметры моделей, необходимые при выполнении исследований ДВС;

- фотореалистические изображения моделей используются при составлении электронных технических руководств.

Литература

1. Алексеев И.В. Основы теории поршневых двигателей внутреннего сгорания с пониженными уровнями акустического излучения: Дисс. …д-ра техн. наук. - М., 1985. - 287 с.

2. Шатров М.Г. Формирование компонентов единого информационного пространства для обеспечения жизненного цикла двигателей внутреннего сгорания: Дисс. … д-ра техн. наук. - М., 2007. - 403 с.