關(guān)于船用柴油機(jī)研發(fā)及CAE應(yīng)用的分析

程德彬

（海軍駐洛陽四零七廠軍事代表室，河南 洛陽 471039）

作為船舶最重要的配套設(shè)備，船用柴油機(jī)的發(fā)展一直都同我國(guó)船舶行業(yè)的發(fā)展息息相關(guān)。但是，作為一個(gè)世界造船大國(guó)，我國(guó)的船用配套設(shè)備制造業(yè)的發(fā)展同國(guó)外相比，仍有很大的差距。有鑒于此，有必要借助于CAE技術(shù)，提高我國(guó)船舶柴油機(jī)的研發(fā)水平。

近些年來，國(guó)內(nèi)的造船業(yè)迎來了生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)的高峰期，因而同時(shí)也促使了柴油機(jī)制造行業(yè)的發(fā)展，特別對(duì)于高速大功率的船用柴油機(jī)而言，更是如此。但是應(yīng)當(dāng)注意的是，雖然如此，其發(fā)展仍無法滿足我國(guó)船舶制造業(yè)對(duì)于配套設(shè)備的需求。同世界先進(jìn)的船舶制造水平而言，我國(guó)船舶行業(yè)的研發(fā)水平，仍存在著很大的差距。因此，加快發(fā)展船用柴油機(jī)等相關(guān)船舶配套業(yè)，已經(jīng)成為世界造船大國(guó)的一個(gè)重要基礎(chǔ)之一，更是提高造船業(yè)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的主要挑戰(zhàn)之一。

1 我國(guó)船用柴油機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀

我國(guó)船舶配套設(shè)備，雖然已在國(guó)際前幾名的行列中，但是，這些發(fā)展僅僅體現(xiàn)在制造量方面的改變，并不代表中國(guó)船用柴油機(jī)的研發(fā)水平的迅速提升。多方面因素的限制，導(dǎo)致我國(guó)現(xiàn)代船用高速大功率柴油機(jī)并未在我國(guó)正式開展起來，我國(guó)柴油機(jī)零部件的制造，仍是依靠常規(guī)的技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的，因而導(dǎo)致我國(guó)大型船用柴油機(jī)研發(fā)能力的嚴(yán)重不足。

因此，為實(shí)現(xiàn)造船業(yè)的快速發(fā)展，柴油機(jī)的研發(fā)必須首先發(fā)展起來。不斷加大對(duì)船用高速柴油機(jī)的研發(fā)力度，提高我國(guó)船用柴油機(jī)的制造水平，進(jìn)而增強(qiáng)船舶業(yè)的整體配套能力及市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

我國(guó)船用柴油機(jī)，要想真正實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)足的發(fā)展，必須先對(duì)日韓兩國(guó)船用高速大功率柴油機(jī)的研發(fā)技術(shù)進(jìn)行借鑒，同時(shí)根據(jù)我國(guó)的具體情況，采用先進(jìn)的CAE設(shè)計(jì)技術(shù)，將分析研究設(shè)計(jì)方法作為切入點(diǎn)，逐漸實(shí)現(xiàn)我國(guó)船用柴油機(jī)的自主研發(fā)的最終目標(biāo)。

2 柴油機(jī)研發(fā)對(duì)CAE技術(shù)的需求

同我國(guó)國(guó)內(nèi)的汽車及機(jī)車等內(nèi)燃機(jī)的研發(fā)情況相比，我國(guó)的船用高速大功率柴油機(jī)，主要是通過許可證引進(jìn)設(shè)計(jì)的方式，實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)過程的。所以，如今CAE技術(shù)在船用柴油機(jī)研發(fā)過程中的應(yīng)用，必須要考慮其側(cè)重點(diǎn)，應(yīng)重點(diǎn)對(duì)零部件及其子系統(tǒng)的改進(jìn)，進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化，主要考慮如下方面的內(nèi)容：

（1）對(duì)原來所設(shè)計(jì)易損件的工作進(jìn)行分析，并對(duì)柴油機(jī)在使用過程中的故障進(jìn)行診斷；

（2）原有設(shè)計(jì)中由于信息的制造不全面，因而需要補(bǔ)充設(shè)計(jì)的組件或者零件；

（3）需對(duì)原來設(shè)計(jì)中，在工藝或者制造流程適應(yīng)方面較差的零部件的設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，特別是大缸徑柴油機(jī)；

（4）因市場(chǎng)供應(yīng)及成本高等原因，需重新進(jìn)行設(shè)計(jì)或改造，或是選用變更后的材料，進(jìn)行零部件的校驗(yàn)；

（5）在此基礎(chǔ)上進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化，通過對(duì)計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)性能及其可靠性的提高，進(jìn)而形成我國(guó)的研發(fā)技術(shù)。

3 CAE技術(shù)在船用柴油機(jī)研發(fā)的應(yīng)用范圍

（1）對(duì)強(qiáng)度、剛度及其動(dòng)力學(xué)的分析。對(duì)此類的分析，主要包括了對(duì)諸如活塞、連桿及曲軸等運(yùn)動(dòng)件系統(tǒng)的非線性靜力分析，以及對(duì)連桿、小頭襯套、大頭蓋以及軸瓦受拉及其受壓工況等狀態(tài)的非線性及其失穩(wěn)分析等等。

（2）熱分析。主要包括了對(duì)燃燒室零件穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)溫度場(chǎng)的分析，對(duì)排氣管及增壓器溫度的分析，對(duì)活塞汽缸蓋所進(jìn)行的溫度場(chǎng)的分析等等。

（3）對(duì)流體動(dòng)力學(xué)的分析。主要包括了對(duì)進(jìn)排氣道、供油系統(tǒng)，燃燒室流體動(dòng)力學(xué)以及燃燒性能模擬、缸內(nèi)噴霧及其燃燒、冷卻系統(tǒng)流動(dòng)阻力及其流道設(shè)計(jì)等方面的分析設(shè)計(jì)等。

（4）對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析。主要包括了對(duì)凸輪、曲柄連桿的機(jī)構(gòu)、閥門及力矩補(bǔ)償器等高加速度的非線性運(yùn)動(dòng)部件及其齒輪和鏈條等系統(tǒng)的分析。

（5）疲勞分析。主要包括了對(duì)曲軸及連桿等運(yùn)動(dòng)件疲勞壽命的評(píng)估，對(duì)管路及支架等受迫振動(dòng)點(diǎn)疲勞壽命的分析，以及對(duì)排氣閥及閥座的沖擊疲勞的分析等。

（6）對(duì)電磁的分析。主要包括了對(duì)電控柴油機(jī)中，各控制電路板所存在的EMC問題，導(dǎo)線信號(hào)的屏蔽及其信號(hào)間的Crosstalk以及電磁閥的動(dòng)作等方面的分析。

（7）對(duì)耦合場(chǎng)的分析。主要包括了對(duì)燃燒室及增壓器流體、熱及其結(jié)構(gòu)耦合的分析，以及對(duì)中冷器熱及其流體耦合的分析。

4 船用柴油機(jī)和虛擬樣機(jī)研發(fā)的平臺(tái)建設(shè)

通常來說，船用柴油機(jī)和虛擬樣機(jī)研發(fā)過程中的平臺(tái)建設(shè)，主要分為3個(gè)階段：

4.1 基本能力建設(shè)階段

其主要的內(nèi)容包括所購置軟件的裝機(jī)，初高級(jí)培訓(xùn)及項(xiàng)目的領(lǐng)航等內(nèi)容，此階段需要達(dá)到的目標(biāo)如下：

（1）對(duì)船用柴油機(jī)研發(fā)所需的CAE工具進(jìn)行全面的分析；

（2）通過培訓(xùn)初步實(shí)現(xiàn)企業(yè)分析隊(duì)伍的建設(shè)，主要包括了分析專家層、執(zhí)行層及人員層的建設(shè)；

（3）進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)所需的基本CAE分析技能及其初步分析流程的建立；

（4）結(jié)合項(xiàng)目領(lǐng)航進(jìn)行初步CAE分析規(guī)范的建立。

此階段作為整個(gè)項(xiàng)目的基礎(chǔ)，必須引起足夠的重視，培訓(xùn)相關(guān)人員應(yīng)具備足夠的CAE能力，因此應(yīng)對(duì)培訓(xùn)品質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格的控制。參與培訓(xùn)的相關(guān)人員，應(yīng)能夠達(dá)到培訓(xùn)課程所需的所有達(dá)標(biāo)考試，并進(jìn)行等級(jí)劃分。建立考評(píng)制度，對(duì)相關(guān)培訓(xùn)人員的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行監(jiān)督，同時(shí)及時(shí)針對(duì)考評(píng)效果調(diào)整培訓(xùn)課程，以確保培訓(xùn)的效果。

4.2 資源設(shè)計(jì)整合階段

此階段主要是要通過各種同設(shè)計(jì)分析有關(guān)的CAD、CAE、CAT等工具，以及不同的設(shè)計(jì)資源，進(jìn)行整合，并借助于流程管理平臺(tái)，對(duì)虛擬樣機(jī)的研發(fā)流程進(jìn)行定義，以實(shí)現(xiàn)協(xié)同虛擬樣機(jī)開發(fā)平臺(tái)的形成。此階段需要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)如下：

（1）實(shí)現(xiàn)不同設(shè)計(jì)工具之間CAE有關(guān)數(shù)據(jù)的順暢流動(dòng)；

（2）實(shí)現(xiàn)CAE有關(guān)數(shù)據(jù)最大限度的共享；

（3）對(duì)不同的設(shè)計(jì)角色，進(jìn)行職責(zé)的定義及其規(guī)劃；

（4）制定以CAE為驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)流程；

（5）實(shí)現(xiàn)客戶化軟件的開發(fā)；

（6）實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)開發(fā)、流程管理平臺(tái)同PDM的集成。

此階段作為虛擬樣機(jī)數(shù)字化研發(fā)平臺(tái)實(shí)施過程中的核心階段，需進(jìn)行大量同企業(yè)及船用柴油機(jī)研發(fā)設(shè)計(jì)相關(guān)工作的進(jìn)行，同時(shí)還需各個(gè)領(lǐng)導(dǎo)層的大力支持及其協(xié)調(diào)。

4.3 分析規(guī)范及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立階段

此階段主要是進(jìn)行船用柴油機(jī)的整體及其各個(gè)零部件的逐個(gè)總結(jié)及其審核，并根據(jù)試驗(yàn)及其加工制造、行業(yè)或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及其反饋等方面的數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析規(guī)范及其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立。

主要任務(wù)包括：

（1）分析規(guī)范框架及其檔案管理方案的建立；

（2）分析檔案詳細(xì)計(jì)劃的建立；

（3）模型化知識(shí)庫的建立；

（4）專用分析程序的形成及其在CAE工作平臺(tái)中的固化；

（5）高級(jí)分析模板的建立。此階段品質(zhì)控制相當(dāng)重要，一旦出現(xiàn)錯(cuò)誤和疏漏，必將為設(shè)計(jì)帶來難以估計(jì)的損失，因此，必須對(duì)其品質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)。對(duì)每種規(guī)范，都必須進(jìn)行一定數(shù)量的事實(shí)例證作為依據(jù)。

5 結(jié)束語

總之，針對(duì)我國(guó)船用柴油機(jī)的研發(fā)現(xiàn)狀，加強(qiáng)CAE技術(shù)在船用柴油機(jī)研發(fā)過程中的應(yīng)用，能夠準(zhǔn)確把握船用柴油機(jī)研發(fā)過程中的信息需求，提高高質(zhì)量的技術(shù)支持，有效提高我國(guó)船用柴油機(jī)的研發(fā)和制造水平，更好地滿足我國(guó)船舶制造業(yè)對(duì)于配套設(shè)備的發(fā)展需求，這對(duì)我國(guó)船舶制造業(yè)的更好發(fā)展是非常有利的。

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