优化发动机性能

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Litens汽车集团的TorqFiltr曲柄振动控制技术专利，通过使用弧形弹簧分离机构从发动机扭振中解耦（分离）驱动系统惯量。该产品尺寸较小但却包含了一个由一系列的组件构成的复杂机构，通过复杂的摩擦接触而非固定连接方式来传送动力到各个部件。但是该产品必须被频繁地定制，从而实现给指定的汽车发动机传递最优性能的目的。在过去，这一直是一项耗时、不断试错的过程。

近期，Litens开发了能够准确模拟TorqFiltr运转的技术：在初始样件试制前，能够精确评估可供选择的设计（思路、产品等）的性能，并且迭代出最优设计。Litens公司CAE技术和材料工程方面的首席工程师SteveJia博士说：“MSC软件公司的Marc非线性有限元分析（FEA）软件已经被用于准确预测设计（思路、产品等）在动力载荷条件下部件是如何移动和相互作用的”，他还说：“很难估计虚拟产品开发（VPD）已经为我们节约了多少成本，但是我们确信这个数字每年高达上百万美元。”

一、动力拉伸控制

高度静力载荷和动力载荷对皮带的拉伸作用显著降低了传动皮带的寿命、附件结构的承载寿命，增加噪声，浪费燃油，同时增重、提高成本。Litens指出，在传送过程中通过控制机构进行预设（静力）并运行（动力）皮带拉伸，会使得驱动系统在各种条件下能够更为高效、安静，并传输最大的动力。

Litens TorqFiltr通过调节弹簧对系统惯量的刚度来控制系统共振频率。由于弹簧刚度相对传统的橡胶分离结构较软，来自发动机振动的大部分在传到皮带前已经被吸收掉了。这会导致在驱动系中的所有部件分离，由于较少且小的激励，驱动系统中的各个部件都只具有很小的共振峰值。TorqFiltr弹簧由钢材制成，不会像橡胶材料一样老化。另外，对于自动离合系统消除了皮带由橡胶减震器共振带来的变化，因此不需要单独的单向离合器。

TorqFiltr设备通过四个螺栓以及驱动轴上的孔连接到发动机的曲轴，如图1左边所示驱动轴有两个wingtab压住弧形弹簧（图中红色部分），弧形弹簧连接到两个壳状结构上（图中黑色部分）。壳状结构连接到离合器弹簧上，离合器弹簧与用于驱动皮带的皮带轮有一个带摩擦的接合关系，弧形弹簧吸收更多的来自发动机和离合器的单方向传动过程中的角振动能量。有趣的是：在载荷路径上部件间的连接都不是通过固定连接的方式，并且扭矩的传递也是通过有摩擦的接触而不是固定连接来实现。因此，接触条件（包括幅值、位置和接触力的方向等）都是随着扭矩或设备的转动连续变化的。

二、设计挑战

Jia博士说，该设备遇到了巨大的设计挑战，首先，设计者需要完全了解在动力载荷条件下设计的特性，以确保在第一时间提交最合适的产品。其次，需要确定、考察接触机构的作用―反作用力、应力以及各个部件的变形的幅值、位置和方向，以便获得最优设计。第三，由于成本竞争激烈且汽车行业又是一个重量敏感的行业，因此需要在设计阶段减掉不必要的材料，以达到最小化重量。Jia博士说：“我们能够确定曲柄从物理实验解耦（分离）的整体动力性能，然而可以从物理试验获取的信息是很有限的，因为没有价格合理的有效的传感器能告诉我们在小装配体的内部发生了什么，我们只能猜测内部可能发生的事情，例如接触位置、力、应力以及各个部件的变形等。”

三、选择合适的仿真技术

Litens已经评估了一系列不同的仿真技术。大变形动力学仿真系统，例如MSC的Adams软件针对复杂机构提供了优异的仿真结果。然而，他不是用来处理本次应用中涉及的弹塑性非线性分析的产品。市场上众多的有限元分析软件多数局限于线形材料属性和小应变以及小转动。虽然一些软件包声称能够处理非线性问题，然而实际不具备可靠的求解此类问题并且连续变化部件间的接触条件、大转动、滑动摩擦接触以及弹塑性材料行为的能力。

事实上，Marc设计之初就是专用于求解各种非线性问题的产品，能够针对高度非线性（如：材料非线性、大应变、大位移以及接触等）问题获得稳定的收敛解。同时，Marc还提供多物理场分析能力，能够使工程师模拟各种耦合问题，例如：结构、热、流体、声、电以及磁场间的耦合问题等。

具体来说，Litens分析专家从公司的设计工程师处获得了详细的计算机辅助设计模型（三维模型），然后将这些几何模型导入到Patran中（公司选择patran作为前处理器）。此过程最大的挑战是：在前处理中协调细部的网格。例如，一方面，分析专家需要考虑离合器插入到底部弹簧壳槽中的结构具有0.2mm的倒角，另一方面，分析专家也需要保持网格的尺寸尽可能大，以确保更少的求解时间。此时Patran给出Litens分析专家完全掌控网格分布的工具：分析专家通常在特殊区域手动生成面网格并且使用自动网格划分器填充其余关键结构。接下来，模型就可以被递交到高性能计算机（32CPU/核以及253G 内存），用以求解。

四、了解设计是如何起作用的

仿真结果能够使Litens更好地了解设计的效果，部件间是如何彼此相互作用以及产品在大角度位移转动下整个系统的工作状态等。

Jia博士称：“我们能够看到当产品满负荷转动时每个部件是如何移动并彼此相互作用，可以明确接触的位置、接触力、应力及变形等许多信息，这些信息可以指导我们优化产品设计。例如，我们的离合器最初基于过去的经验被设计为S形，然而有限元分析结果显示C形离合器可以在不增加成本的同时提供更好的性能。Marc的仿真结果与物理实验结果具有较高的一致性，误差基本在5%～10%之间，有些情况甚至小于5%，这大大增加了我们使用仿真驱动产品设计流程的信心。”图3显示了旋转中某点的最大主应力。该图显示了最高应力发生在弧形弹簧处。通过仿真手段可以轻松地发现每一个点上的应力值，以便工程人员确定该点是否需要改进从而避免失效等。同时，某些部位显示应力水平较低，说明有机会减重以节约成本。另外，为了清楚看到弧形弹簧上的应力分布，应力色带被设置到900MPa。Litens分析专家降低色带显示的数值以便明确区分部件间应力水平的差异。图中看到的应力水平比较接近的区域都以绿色显示。

5.其他材料

垫片材料、低抗拉材料、岩石、冰雪材料、土壤模型，生物材料、泡沫材料、塑料材料。

三、丰富的单元类型

1.结构分析单元

缆绳单元、梁单元、薄膜单元、壳单元、连续体元、间隙―摩擦元、半无限元、弯管单元、剪切板单元、加强筋单元、不可压单元、常膨胀单元、假定应变单元。

2.传热分析单元

三维杆单元、平面和轴对称单元、平面和轴对称半无限元、六面体元/四面体元、半无限块体单元、轴对称或空间壳体单元。

3.其他分析单元

声场分析、电场分析、滑动轴承分析、磁场分析、电―磁场分析、压电分析、密封空腔结构分析、土壤分析、流体分析、电磁分析，包括4节点、10节点四面体单元和2节点线单元，可以实现复杂结构的网格划分以及边界条件的施加。

Rebar单元的后处理可以显示rebar和在rebar层平面中参考轴投影的夹角变化。

四、先进的网格适应技术

Marc不但支持二维三角形和四边形网格的自动重分，还支持三维四面体网格、三维六面体网格和壳单元的自动重划分。

将自动网格重分技术与节点反力松驰技术结合，可以分析裂纹开裂等自由面的增生问题。

自适应网格生成技术是以某种误差判据为依据的。一旦误差准则在指定的单元中被满足，这些单元会按给定的单元细分级别在指定的载荷增量步内被重新划分。

Marc的自动网格重分和自适应网格生成技术支持并行求解。将自动网格重分技术与自适应网格生成技术与并行分析技术相结合，可以达到效率与精度上的完美结合；Marc的单元死活技术允许在分析过程中根据需要随时增加或删除单元。也可通过用户子程序接口，定义判定单元死活的条件。Marc软件的单元死活技术能够与网格自适应技术和网格重划技术组合运用。比如，将自适应技术与单元死活技术组合，可以进行多次堆焊焊接的工艺过程仿真。

五、优异的并行求解算法

用多CPU并行计算的方法来解决。该方法的特点是各区域单独计算，包括单元组装、矩阵分解、应力计算，最后输出整个模型的结果。

并行分析时可以采用单个输入文件而不必每个区域分别拥有一个输入文件；采用专门的并行单元技术、材料模型、接触算法使得CPU和内存实现了很高的效率。

Marc软件的并行版本能在共享内存或分布内存的多CPU服务器或工作站上运行。也可以在联网的UNIX工作站或者集群机中运行，甚至在基于Windows网络平台的PC机群中运行。Marc并行分析的计算速度可以达到线性甚至超线性。