２８内燃机与配件２０１４年第１期基于ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ的发动机零部件网格划分ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｓｈｏｆｔｈｅＥｎｇｉｎｅＰａｒｔｓＢａｓｅｄｏｎＨｙｐｅｒｍｅｓｈ任润国尉庆国（中北大学）樊卓闻［摘要］使用ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软件对发动机主要零部件进行网格划分。根据发动机不同零部件自身的结构特点，结合ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软件提供的各种二维和三维的网格划分工具，总结出针对发动机气门、凸轮轴、曲轴、连杆、活塞、气缸盖、机体和油底壳的六面体、四面体及二维四边形网格划分的思路和方法，从而提高发动机主要零部件网格划分的效率和网格的质量。［关键词］发动机；有限单元；网格划分；ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ；Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｓｈｏｆｔｈｅｍａｉｎｐａｒｔｓｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅｓｏｆｔｗａｒｅ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇＯＵＳｗａｓｇｅｎｅｒａｔｅｄｂｙｕｓｉｎｇｈｙｐｅｒｍｅｓｈｔｏｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｅｎｇｉｎｅｐａｒｔｓａｎｄｕｔｉｌｉｚｉｎｇｔｈｅｖａｉｌ－２Ｄａｎｄ３Ｄｍｅｓｈｉｎｇｔｏｏｌｓｐｒｏｖｉｄｅｄｂｙｈｙｐｅｒｍｅｓｈｓｏｆｔｗａｒｅ，ｔｈｅｉｄｅａｓａｎｄｍｅｔｈｏｄｓｏｆｇｅｎｅｒａｔｉｎｇａｔｈｅｘａｈｅｄｒａｌｍｅｓｈ，ｔｅｔｒａｈｅｄｒａｌｍｅｓｈａｎｄ２Ｄｑｕａｄｒｉｌａｔｅｒａｌｍｅｓｈｗｈｉｃｈａｉｍｃｒａｎｋｓｈａｆｔ，ｃｏｎｎｅｃｔｉｎｇｒｏｄ，ｐｉｓｔｏｎ，ｃｙｌｉｎｄｅｒｈｅａｄ，ｅｎｇｉｎｅｂｏｄｙｍｅｔｈｏｄｓｃａｎｅｎｇｉｎｅｖａｌｖｅ，ｃａｍｓｈａｆｔ，ａｎｄｏｉｌｐａｎｗｅｒｅｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．Ｔｈｅｓｅｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔｍｅｓｈｏｆｔｈｅｅｎｇｉｎｅｐａｒｔｓ．ＦｉｎｉｔｅＥｌｅｍｅｎｔＭｅｓｈＧｅｎｅｒａｔｉｏｎＨｙｐｅｒｍｅｓｈＫｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｎｇｉｎｅ１前言随着计算机辅助工程（ＣＡＥ）技术的发展及日益２气门、凸轮轴和曲轴的网格划分气门、凸轮轴和曲轴在结构上都可看成是由一广泛的运用，以有限元法为代表的ＣＡＥ技术正越来越快地融入到发动机及其零部件的设计流程中Ｉｌｌ。在设计发动机零部件时，会根据其所起的作用及工作条件，使用商业ＣＡＥ软件对零部件进行相关的结构强度刚度分析、模态分析、动力学分析、疲劳及可靠性分析、振动噪声分析和热结构耦合分析等各种有限元分析。有限元分析的应用可有效地缩短发动机零部件的设计周期和降低发动机零部件的开发成本。鉴于有限元分析在发动机零部件开发设计的流程中所起的重要作用，有限元分析结果的准确性和可靠性就显得尤其重要。而网格划分质量的好坏是影响分析结果准确性的主要因素之－－Ｉ２１，因此针对不同发动机零部件的高效的网格划分方法对于发动机零部件的开发和设计有着重要的意义。个或多个拉伸、旋转和扫掠体构成的。如气门通常可认为是一个截面绕着中心轴线旋转３６０。而成的旋转体。这些零部件在工作时都要经受高速的往复运动，丁作条件恶劣，受到的载荷比较复杂［３］，因此需要对这些零部件进行复杂工况下的有限元分析。为了提高分析精度一般都将其网格划成六面体网格。对气门划分网格，若直接在其截面上划分２Ｄ网格，然后通过旋转生成３Ｄ网格，则在旋转中心附近的网格质量会变得非常差，这些网格的雅可比、长宽比及扭曲等指标都会不合格。若要保证旋转中心附近的六面体网格质量，就要将气门模型进行切割。首先根据对称平面将模型分为四份，保留其中的四分之一模型，然后以气门旋转轴线的端点为圆心生成一个圆环．使圆环沿着气门模型的旋转轴线扫掠万方数据任润国尉庆国樊卓闻：基于ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ的发动机零部件网格划分２９切割．在气门模型上切出一个四分之一圆柱体，保留的四分之一的气门模型就成了由一个拉伸体和旋转体组成的模型，如图ｌ所示。以上对实体模型的编辑操作可用ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ中的Ｇｅｏｍ面板下的ｓｏｌｉｄｅｄｉｔ子面板里的功能完成。圆角、倒角、孔特征及不规则的曲面，对连杆和活塞模型进行六面体网格划分的难度比凸轮轴和曲轴要大得多。由于连杆和活塞是发动机非常重要的部件，对它们进行有限元分析时，应尽可能地对连杆和活塞划分六面体网格而不是四面体网格，这有利于提高分析精度。◆／一图１气门分割后的四分之一模型圈２起始处的２Ｄ网梧为了控制生成的六面体网格质量，可先在拉伸图７连杆体局部模型分块体的拉伸起始面和旋转体的旋转起始面用２Ｄ面板的ａｕｔｏｍｅｓｈ功能划出２Ｄ四边形网格，之后以这些网格为基础使用３Ｄ面板中的ｓｏｌｉｄｍａｐ功能生成３Ｄ六面体网格，如图２所示。生成四分之一的体网格后使用Ｔ００１面板的ｒｅｆｌｅｃｔ功能镜像生成剩下四分之三的体网格．如图３所示。图８四分之一活塞模型分块一～图３镜像后完墨的模型网格图４凸轮轴重夏结构的分割对连杆和活塞划分六面体网格，首先应根据对称平面将模型切分为四部分，然后选择其中的四分之一进行分块处理。每一个切分出来的部分都应该满足ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软件六面体网格划分的映射条件，即每个分块都应该是一个拉伸、旋转或扫掠体，每个分块都至少有一对可进行网格映射的面，其中进行网格映射的起始面可由多个面组成，但目标面只能由一个面组成。因此分块方式可能不止一种，四分之一连杆体模型的局部分块和四分之一活塞模型的分块如图７和图８所示。在进行模型分块时可打开ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软件可视化工具栏上Ｍａｐｐａｂｌｅ功能进行模型映射检查。模型分块完成后可利用３Ｄ面板下ｓｏｌｉｄ凸轮轴和曲轴都是由多个拉伸体组成的，而且都是由一个相同的结构，通过旋转一定的角度组合在一起的。如对于凸轮轴而言这个重复的相同结构通常是由一或两个凸轮和一个轴颈组成的。对凸轮轴和曲轴的六面体网格划分应先将重复的相同结构逐个切分，然后再将其分割成一个个简单的拉伸体。凸轮轴重复结构的分割如图４所示。之后对拉伸体的拉伸起始面进行四边形网格划分，最后通过这些２Ｄ网格生成３Ｄ六面体网格。凸轮轴和曲轴重复结构的网格划分如图５和图６所示。以上操作所用的ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ中的功能与气门网格划分相同。ｍａｐ子面板中的ｍｕｌｔｉｓｏｌｉｄｓ功能对模型进行网格预划分，以检查所切分的体块是否能逐个完成六面体网格的划分．同时判断各个体块网格映射的顺序，对映射网格起始面的２Ｄ网格进行质量控制。之后可用ｓｏｌｉｄｍａｐ子面板中的ｇｅｎｅｒａｌ功能分别对３连杆和活塞的网格划分一～圈５凸轮轴重复结构的网格划分图６曲轴重复结构的网格划分各体块进行网格划分．也可用ｍｕｌｔｉｓｏｌｉｄｓ功能对各体块进行自动网格划分。连杆和四分之一活塞模型的网格划分如图９和图１０所示。连杆和活塞在结构上并不是由一些拉伸、旋转和扫掠体简单地组合在一起构成的，而且还有许多一一万方数据３０内燃机与配件２０１４年第ｌ期４气缸盖和机体的网格划分气缸盖和机体的结构非常复杂，要对它们进行六面体网格划分需要耗费大量的人力和时间。一般情况下会选择对气缸盖和机体进行四面体网格划分，而非六面体。在进行大变形和碰撞分析时更是如此。在ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软件中划分四面体网格一般有两种方式。一是先用２Ｄ面板下的ａｕｔｏｍｅｓｈ子面板对气缸盖和机体的表面进行２Ｄ网格划分。并对表面网格进行质量控制．然后进入到３Ｄ面板下的ｔｅ．ｔｒａｍｅｓｈ子面板中的Ｔｅｔｒａｍｅｓｈ功能按钮．软件会根据已有的２Ｄ网格自动划分３Ｄ四面体网格。第二种方式是进入到３Ｄ面板下的ｔｅｔｒａｍｅｓｈ子面板中的ＶｏｌｕｍｅＭｅｓｈ。点击ｃｒｅａｔｅ进入ＴｅｔｒａＭｅｓｈｐｒｏｃｅｓｓＭａｎａｇｅｒｐｒｏ．对复杂模型进行四面体网格划分。ＴｅｔｒａＭｅｓｈｃｅｓｓＭａｎａｇｅｒ提供了基于流程自动化的复杂模型四ｐｒｏｃｅｓｓ面体网格划分解决方案ｆ４１，运用ＴｅｔｒａＭｅｓｈＭａｎａｇｅｒ可对机体等复杂模型进行高效的几何清理，对孔、圆角、倒角等特征及重要表面进行手动或自动的分类，对其表面网格进行尺寸和形状的控制。机体不同直径的孔的分类如图１３所示，孔表面网格的划分如图１４所示．机体顶面和气缸表面的网格控制如图１５所示。对以上重要表面划分完２Ｄ网格后，在对其它表面划分２Ｄ网格，最后根据面网格生成四面体网格，如图１６所示。在ＴｅｔｒａＭｅｓｈｐｒｏｃｅｓｓＭａｎａｇｅｒ中还可对网格进行质量检查，清除掉不合格网格，对不满意的网格进行重新划分。ｔｅｔｒａ按钮，直接对气缸盖和机体模型进行四面体网格划分。在网格划分之前可在该面板下选择单元形状．勾选Ｕｓｅｃｕｒｖａｔｕｒｅ和Ｕｓｅｐｒｏｘｉｍｉｔｙ选项对曲率较大处和细小特征处进行网格细化和优化控制。以气缸盖所划分的网格为例，进行细化和优化之前的网格如图１１所示．细化和优化后的网格如图１２所示。还可在Ｔｅｔｒａｍｅｓｈｐａｒａｍｅｔｅｒｓ面板中控制四面体网格的最大尺寸以及网格的生成速度和生成方图１３对不同直径的孔进行分类式。网格生成速度越慢．生成方式由网格质量为主导，生成的网格质量就越高，数量也越多。图１１细化和优化前的网格图１２细化和优化后的网格划分四面体网格还可通过在下拉式菜译中选择图１６机体的四面体网格划分万方数据任润国尉庆国樊卓闻：基于ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ的发动机零部件网格划分３ｌ５壳结构的网格划分一般而言．如果构件的边长是其厚度的５倍以上，就可按板壳来处理【５｜。发动机零部件中油底壳和气缸盖罩在划分网格时都可按壳结构来处理。在进行２Ｄ四边形网格划分前，应使用Ｇｅｏｍ面板下ｍｉｄｓｕｒｆａｃｅ子面板进行模型的中面抽取，然后进入到２Ｄ面板的ａｕｔｏｍｅｓｈ子面板中．选择网格形状为四边形．最后进行网格划分。为了使生成的网格更加均匀和整齐，形状更接近于矩形，可将抽取的中面划分成大小不同的四边形区域后，再进行网格划分。能．总结出针对不同发动机零部件的网格划分方法有利于提高有限元分析的效率与准确性，还可帮助从事相关有限元分析的人员快速掌握发动机主要零部件的网格划分技巧。参考文献【１】谭继锦，张代胜．汽车结构有限元分析【Ｍ】．北京：清华大学出版社，２００９：１５６．【２】杜平安，于亚婷等．有限元法原理、建模及运用［Ｍ】．北京：国防工业出版社．２０１１：１９１．【３】陈家瑞．汽车构造【Ｍ】．北京：人民交通出版社，２０１０：４０－－１０４．【４】王钰栋，金磊等．ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ＆ＨｙｐｅｒＶｉｅｗ应用技巧与高级实例［ＭＪ．北京：机械工业出版社，２０１２：１４３．【５】葛彦竹．基于Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ的某中型货车车架仿真分析与改进设计『Ｄ１．长春：吉林大学，２０１０：２７．６总结未来发动机零部件的设计与优化会更加广泛和深入地运用有限元分析技术．网格划分是有限元分析的关键环节，依靠ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ软件的网格划分功作者简介：任润国（１９８４一），男，中北大学硕士研究生，研究方向为汽车结构建模与仿真。（上接第２５页）【１３】李铁军．柴油机电控技术实用教程【Ｍ】．北京：机械工业出版社．２０１２．【２３】庄继晖，谢辉，朱仲文．基于模型的电控柴油机自动标定平台的开发【Ｊ】．汽车工程．２０１３，３５（７）：６２４－６２８．【２４］张跃涛，王绍光，张云龙．发动机自动化性能试验及标定［１４】李岩．基于ＸＣＰ协议的标定系统设计与实现【Ｄ】．长春：吉林大学，２０１２．系统［Ｊ１．清华大学学报．２００１，４ｌ（８）：９４—９６．【２５】刘野．气体燃料发动机电控系统优化标定的研究【Ｄ］．北京：北京交通大学，２００８．『１５１孙伟，张云龙，袁大宏．基于ＣＡＮ总线的电控发动机标定系统的研制【Ｊ】．汽车技术．２００４（９）：ｌ】一１４．【１６】张翔．ＶＩＳＩＯＮ软件在汽车发动机标定中的应用【Ｊ］．上海汽车．２００６：２７—２９．［２６】张筠奚妮．一种通用的电控发动机标定平台开发【Ｊ】．汽车工程．２００２，２４（４）：３２７—３３０．ｆ１７１王威，何西常，周广猛等．电控柴油机优化标定研究现状和展望【Ｊ】．内燃机．２０１１（１）：３－６．［１８】虞育松，李国岫，李彩芬．电控发动机自动优化标定系统的研究【Ｊ】．柴油机．２００５，２７（２）：１０－１２．ｆ１９］周广猛，刘瑞林，李骏等．基于模型的电控发动机标定技术【Ｊ】．汽车技术．２０１ｌ（１）：１－４．『２０］汪俊君，张凡武，陈卫方等．基于扭矩的汽油机控制模型优化匹配研究【Ｊ】．汽车科技．２０１０（１）：５７—６１．［２ｌ】李国岫．车用发动机电控系统优化标定方法的研究【Ｊ］．柴油机设计与制造．２００５，１４（１）：７—１０．【２７】汤莎莎．基于ＣＣＰ协议的通用发动机标定系统研究［Ｄ］．江苏：江苏大学，２００７．【２８］苏瑜，周文华，竺春狄．电控柴油机ＥＣＵ通用性标定平台的研究与开发【Ｊ】．浙江大学学报．２０１０，４４（８）：１５３０—１５３４．【２９】嵇翠华．电控柴油机标定系统的研制［Ｄ】．江苏：江苏大学．２００６．［３０】刘传宝，张洪涛．电控柴油机离线标定系统的研究［Ｊ】＿汽车工程．２００９，３１（６）：５０３—５０６．【３１］任亮，李进，杨福源．电控柴油机在线标定系统设计［Ｊ］内燃机工程．２００５，２６（２）：５－８．【２２】黄流军．发动机标定方法及性能预测的探讨［Ｊ】．汽车科技．２００８（４）：ｌｌ一１４．［３２】黄镇平．电控柴油机标定系统的研究【Ｊ］．内燃机工程．２００２，２３ｆ５）：７６—７８．万方数据
