浅谈内燃机虚拟制造与研究

1 引言
    内燃机虚拟制造是内燃机整机或零部件实际制造过程在计算机上的本质实现，即采用计算机仿真与虚拟现盛技术，在高性能计算机厦高速网络的支持下群组协同工作．以实现内燃机整机或零部件制造全过程的优化，从而更有效地、更灵活地组织制造生产，使工厂和车间的资源得到合理配置，资源重组使得生产布局更合理更有效，以达到内燃机整机或零部件的开发周期和成本最小化设计质量最优化，生产教串的最大化的目的。由于虚拟制遣技术具存诱人的应用前景，美国，日本等上业发选国家郁已投人大量人力物力开展了虚拟制造的研究与应用。美国已形成了由政府、产业界、大学组成的多层次，多方位的案旨研究开发力量，主要在虚拟制造各个领域关键技术、系统开发和建立虚拟制造环境等技术的研究；日本已经形成了以大阪大学为中心的研究开发力量，主要进行虚拟制造系统的建模和仿真技术的研究，并发出了虚拟工厂的构造环境。我国虚拟制造的研究工作也正在紧锣密鼓推进。
       2 内燃机虚拟制造的关键技术
    内燃机虚拟制造的关键技术包括建模技术、仿真技术、控制技术和支撑技术等。
2.1 建模技术
    建模技术是指用来开发虚拟制造系统中各种模型的所有技术和方法。主要包括产品、过程及生产系统建模技术、虚拟公司建模技术虚拟制造环境与现实制造环境之间结构、功能等映射关系的管理、维护、监控的更新问题及基于开放式并行处理环境下的虚拟制造开放式体系结构的研究。
2.2 仿真技术
    仿真技术是指运行和操作构成虚拟制造系统的各种模型的所有方法和技术。分布式交互仿真技术和虚拟现实技术在仿真中的应用是虚拟制造对仿真提出的新要求。虚拟现实的基本原理是这样的：计算机产生一个三维空间，将用户置身于该环境中，借助干高速图形计算机和多维输入辅出设备(如数据手套立带头盔等)，利用双向数据传送来实现人机交互，使人产生一种身身临其境的感觉。虚拟现实技术是综台利用了计算机图形系统，各种显示和控制接口设备及多媒体计算机仿真技术等，在计算机上生成特殊的，可交互的三维环境(虚拟环境)中提供沉浸感的技术。
2.3 控制技术
    控制技术是指建模过程仿真过程所应用的各种管理、组织与控制技术和方法。其中主要包括：虚拟制造方法论，模型及仿真结果的验证和确认技术等。
2.4 支撑技术
    支撑技术是支持虚拟制造系统开发、控制和运行的基础性技术。主要包括：数据库技术，计算机软硬件拄术等。

3 虚拟设计在内燃机制造中的应用
3.1 虚拟设计在内燃机谴计中的应用
    内燃机虚姒设计是以CAD／CAM／CAE等计算机软件为平台．建屯内燃札整机或零部件模型，采用运动动力等方法进行分析，并通过虚拟技术，以三维模型及动画的形式实现内燃机整机或零部件设计的本质过程。这种设计可使用户直接参与产品设计，身临其境地测试产品性能和真实感受产品的使用性能，实现全局优化和一次性开发成功的目的，有数提高内燃机设计、缩短设计周期、降低设计成本。
    英国RICARDO在内燃机虚拟设计开发了VALDYD、WAVE等仿真软件，用WAVE仿真软件对车用5缸涡轮增压柴油机进行排气系统瞬时温升仿真分析，排气管中壁面温度和气体温度吻合得很好。我国大连机车车辆厂利用UG软件，用其中的“机构”模块进行内燃机机构运动范围、力、加速度、工作包络空间与物件间干涉情况的虚拟分析，从而在内燃机产品问世前就能确定其外观特性和运动状况。
3.2 虚拟切削加工在内燃机零件加工中的应用
    虚拟切削加工是通过在计算机中对产品的数字化主模型进行加工过程的仿真模拟，可以预先检查设计的合理性可加工性和加工方拄。仿真就是在计算机上模拟真实现实系统的运行，是真实现实系统的映射，所以，建模是仿真的前提和基础。对于可加工的内燃机零件，还可优化它们的加工程序、走刀路线、切削参数、下料余置工艺结构、设备类型及控制精度，并在加工仿真过程中发现可能出现的加工缺陷和刀、夹具与工件的干涉以及与机床的碰撞等。对不可加工或加工性不好的模型，可以对模型进行修改再模拟。切削加工过程的仿真模拟，为实际的切削加工打下了基础，为保障加工质量，缩短加工、时间降低加工成本起到十分关键的作用。
3.3 虚拟装配在内燃机装配中的应用
    虚拟装配是在虚拟环境中，利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型进行预装配，在满足产品性能与功能的条件下，通过分析、评价、规划、仿真等改进产品的设计和装配的结构，实现产品可装配性和经济性。据统计，产品的装配费用占整个生产成本的30％～50％乃至更高，因此对产品装配工艺进行以提高质量和效率、降低成本为目标的改进和再规划是增强制造业竞争力的重要环节，虚拟装配技术可缩短产品的设计开发周期、降低成本、提高质量。
    采用二维图纸进行线性设计和平面设计，在很大程度上无法预先发现设计造成的装配干扰(装配干涉或不到位)等问题，其结果往往要等到所有零件加工制造好后实际装配才发现。传统上，一旦出现装配干扰问题，往往只有不惜代价重新设计或修改设计，再进行零件的加工制造和装配，并且还不能保证装配成功，造成时间和资金的很大浪费。通过使用装配过程模拟软件，应用虚拟装配技术(VAT)，设计人员在产品原型实际加工之前就可以全方位地检查零部件之间的装配间隙和干涉，也可通过程序自动检查装配状态。美国底特律柴油机公司、德国Cadform公司和英国Cosworth公司用于内燃机的虚拟装配，德国奔驰、宝马，大众等大公司的报告显示，应用虚拟制造技术、以“数字汽车”模型来代替木制或铁皮制模型设计内燃机等其他零部件，建立了三维实体模型，并进行了运动分析，还进行了模拟数控加工和质量检查等，大大缩短了设计周期，降低了设计成本，可将新车型开发的时间从1年以上缩短到2个月左右，开发成本最多可降低到原先的1／10。
       4 结束语
    尽管我国在虚拟制造系统研究、虚拟制造技术研究等方面已取得了很大的进步，并得到一定的应用，但同西方发达国家相比，在宏观上还缺乏总体发展规划、研究的进展和研究的深度还属于初级阶段，与国际的研究水平尚有很大的差距，因此发展我国的拟制造应该以企业的需求为动力，通过政府的政策和计划的协调，适当吸收国外的成熟经验，继续深入开展虚拟制造关键技术的研究，为虚拟制造提供有力支撑，为内燃机工业的腾飞提供坚实的基础。

（责编：LEO）

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