柴油機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)估方法及數(shù)據(jù)庫(kù)研究

石磊，張犇，曹鵬程

1.海軍駐上海地區(qū)第四代表室，上海 201108

2.哈爾濱工程大學(xué) 動(dòng)力與能源工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001

3.軍事科學(xué)院 系統(tǒng)工程研究院，北京 102300

為在大功率柴油機(jī)自主化研制中實(shí)現(xiàn)“同步設(shè)計(jì)、同步評(píng)估”奠定基礎(chǔ)，建立符合我國(guó)大功率柴油機(jī)研發(fā)體系的評(píng)估技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。隨著我國(guó)大功率柴油機(jī)自主化設(shè)計(jì)需求不斷提高，就目前的設(shè)計(jì)能力而言，柴油機(jī)設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)積累較少，未能形成系統(tǒng)完善的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)。但在自主研發(fā)柴油機(jī)的過(guò)程中，又不能利用國(guó)外諸如德國(guó)FEV 發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)有限公司（FEV Group）、奧地利李斯特公司（AVL）的評(píng)估體系開(kāi)展第三方評(píng)估，所以需要建立健全可擴(kuò)展的柴油機(jī)設(shè)計(jì)獨(dú)立評(píng)估平臺(tái)和體系，為柴油機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)估工作提供參考。本文結(jié)合實(shí)際開(kāi)發(fā)了一套針對(duì)大功率柴油機(jī)的設(shè)計(jì)評(píng)估系統(tǒng)，從柴油機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程的主要技術(shù)指標(biāo)分解方法研究入手，開(kāi)展評(píng)估系統(tǒng)設(shè)計(jì)和建立校核評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)是總體設(shè)計(jì)要求中的關(guān)鍵，也是柴油機(jī)分系統(tǒng)及部件設(shè)計(jì)的輸入，更是設(shè)計(jì)評(píng)估的基礎(chǔ)和依據(jù)。主要技術(shù)指標(biāo)包括性能、結(jié)構(gòu)等方面，主要技術(shù)指標(biāo)分解就是將各類(lèi)技術(shù)指標(biāo)按照整機(jī)、分系統(tǒng)和部件級(jí)逐級(jí)分解和細(xì)化，貫穿到柴油機(jī)整個(gè)設(shè)計(jì)體系當(dāng)中，作為指導(dǎo)柴油機(jī)系統(tǒng)、分系統(tǒng)設(shè)計(jì)及整機(jī)到零部件設(shè)計(jì)的技術(shù)綱領(lǐng)，并隨設(shè)計(jì)逐步深化、完善和補(bǔ)充，研究找出大功率柴油機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中主要技術(shù)指標(biāo)之間的矛盾和制約關(guān)系，指導(dǎo)柴油機(jī)設(shè)計(jì)和校核評(píng)估。

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)分類(lèi)及耦合關(guān)系

柴油機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)估主要技術(shù)指標(biāo)包含8 種指標(biāo)，如圖1 所示。柴油機(jī)是一個(gè)復(fù)雜的熱機(jī)系統(tǒng)，整機(jī)指標(biāo)、分系統(tǒng)和關(guān)重件的技術(shù)指標(biāo)之間又存在影響和制約，甚至各指標(biāo)的權(quán)衡之間也存在矛盾，具體耦合關(guān)系如圖2[1]。

圖1 柴油機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)估主要技術(shù)指標(biāo)

圖2 主要技術(shù)指標(biāo)耦合關(guān)系

1.2 主要技術(shù)指標(biāo)分解方法

在大功率柴油機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，柴油機(jī)的指標(biāo)貫穿始終。從最初的方案設(shè)計(jì)到技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)等，柴油機(jī)各類(lèi)指標(biāo)之間相互矛盾、互相平衡，一個(gè)指標(biāo)的提升或降低通常會(huì)造成其他多個(gè)指標(biāo)的變化，影響其他系統(tǒng)和部件的設(shè)計(jì)。所以明確柴油機(jī)動(dòng)力性能指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度指標(biāo)等指標(biāo)體系之間的相互作用關(guān)系對(duì)于大功率柴油機(jī)的研發(fā)設(shè)計(jì)有著指導(dǎo)意義[2]。

針對(duì)柴油機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)分解與評(píng)估方法主要是結(jié)合國(guó)內(nèi)大功率柴油機(jī)設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程，通過(guò)理論計(jì)算、故障案例分析、平臺(tái)和樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，梳理柴油機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)的響應(yīng)和支撐關(guān)系，形成柴油機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)體系分解圖。依據(jù)柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)要求、運(yùn)行范圍與限制特性，分析各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)響應(yīng)、控制和落實(shí)情況，評(píng)估柴油機(jī)總體技術(shù)指標(biāo)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中分解的完整性。按照柴油機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)分解的方法和流程，開(kāi)展評(píng)估系統(tǒng)頂層和功能流程設(shè)計(jì)。

2 評(píng)估系統(tǒng)頂層設(shè)計(jì)

2.1 評(píng)估系統(tǒng)整體框架

柴油機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)估系統(tǒng)中，以柴油機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)分解體系作為基礎(chǔ)，支持整個(gè)評(píng)估系統(tǒng)，構(gòu)成評(píng)估系統(tǒng)框架以及評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)框架。評(píng)估方法作為整個(gè)評(píng)估系統(tǒng)的核心，由評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)以及仿真計(jì)算模型組成，同時(shí)指標(biāo)關(guān)系樹(shù)以及評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)為評(píng)估方法提供結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)支持[3]。評(píng)估系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 評(píng)估系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)

2.2 評(píng)估系統(tǒng)功能拓?fù)?/h3>

評(píng)估系統(tǒng)功能模塊客戶端包含用戶和管理員，相關(guān)功能結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 客戶端功能結(jié)構(gòu)

用戶功能模塊中，指標(biāo)分解樹(shù)模塊是依照指標(biāo)分解體系建立的各設(shè)計(jì)指標(biāo)間的樹(shù)狀分解體系，幫助使用人員梳理各指標(biāo)間的關(guān)系以及相應(yīng)設(shè)計(jì)參數(shù)；評(píng)估方法模塊是根據(jù)柴油機(jī)設(shè)計(jì)各階段評(píng)估工作要求建立的參考化評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)；仿真計(jì)算評(píng)估模塊主要利用評(píng)估系統(tǒng)中固化的仿真軟件對(duì)當(dāng)前設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行評(píng)估分析，以指導(dǎo)下一階段設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展；數(shù)據(jù)查詢模塊的主要功能是對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、分析等[4]。

管理員功能在涵蓋了用戶使用功能的基礎(chǔ)上，還可以對(duì)用戶信息、模型信息、任務(wù)信息以及數(shù)據(jù)信息進(jìn)行操作管理。其中，用戶信息管理模塊用來(lái)對(duì)評(píng)估系統(tǒng)的使用者進(jìn)行管理，包括用戶的信息及權(quán)限等方面；模型信息管理模塊主要用來(lái)對(duì)評(píng)估系統(tǒng)內(nèi)仿真計(jì)算軟件的固化模型進(jìn)行管理，包括增添、修改和刪除等功能；任務(wù)信息管理模塊主要是對(duì)仿真分析計(jì)算中的計(jì)算任務(wù)進(jìn)行管理，以確保評(píng)估系統(tǒng)中仿真任務(wù)的正常進(jìn)行；數(shù)據(jù)信息管理模塊主要是對(duì)評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)中所存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，在用戶查詢使用數(shù)據(jù)的功能上增加了刪除、修改和添加的功能，以此來(lái)確保數(shù)據(jù)庫(kù)的準(zhǔn)確性與時(shí)效性。

2.3 評(píng)估系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

為了便于使用，提升整個(gè)系統(tǒng)工作效率，評(píng)估系統(tǒng)采用星型連接進(jìn)行數(shù)據(jù)通信[5]。通過(guò)將系統(tǒng)安裝在中心服務(wù)器上，來(lái)提升處理、計(jì)算和存儲(chǔ)性能，提高工作效率。數(shù)據(jù)計(jì)算以及信息支持由第三方計(jì)算軟件以及評(píng)估系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)提供[6-7]，評(píng)估系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 評(píng)估系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

柴油機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)估系統(tǒng)通過(guò)不同端口之間的數(shù)據(jù)通信，將用戶、系統(tǒng)和數(shù)據(jù)三者分離，方便了系統(tǒng)的管理與使用，提高了使用效率。評(píng)估系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖6 所示。系統(tǒng)由客戶端與服務(wù)端組成，主要包括界面設(shè)計(jì)層（user interface，UI）、系統(tǒng)框架層以及數(shù)據(jù)層3 方面內(nèi)容。評(píng)估系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)主要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖6 各模塊通信邏輯

表1 數(shù)據(jù)庫(kù)主要儲(chǔ)存內(nèi)容

3 評(píng)估系統(tǒng)功能及運(yùn)行測(cè)試

3.1 評(píng)估系統(tǒng)功能分析

評(píng)估系統(tǒng)采用Java 語(yǔ)言搭建人機(jī)交互界面，可以給使用者提供更加便利的系統(tǒng)服務(wù)。評(píng)估系統(tǒng)客戶端主界面如圖7 所示，包含指標(biāo)分解、評(píng)估流程、總體評(píng)估、分系統(tǒng)評(píng)估、關(guān)重件校核和評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)6 大部分。指標(biāo)分解功能下涵蓋了柴油機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)估中的8 大指標(biāo)；評(píng)估流程功能細(xì)分為方案設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)、性能試驗(yàn)和通用質(zhì)量特性檢測(cè)；總體評(píng)估功能包含機(jī)型參數(shù)設(shè)置、排隊(duì)情況查看、結(jié)構(gòu)查看；分系統(tǒng)評(píng)估功能包含燃油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)[8]；關(guān)重件校核功能包含曲軸、活塞、凸輪軸、汽缸蓋、活塞環(huán)等部件的校核；評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)包含了運(yùn)動(dòng)件數(shù)據(jù)庫(kù)和固定件數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖7 評(píng)估系統(tǒng)客戶端主界面

評(píng)估系統(tǒng)服務(wù)器主調(diào)度界面如圖8 所示。在服務(wù)器上，管理員還擁有客戶端功能外的其他功能，例如可以了解服務(wù)器上用戶的使用情況，同時(shí)還可以對(duì)用戶賬戶信息、系統(tǒng)模型等進(jìn)行修改和管理。

圖8 評(píng)估系統(tǒng)服務(wù)器主調(diào)度界面

3.2 校核評(píng)估運(yùn)行測(cè)試

對(duì)柴油機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)估系統(tǒng)，以高壓油軌分系統(tǒng)計(jì)算校核評(píng)估和機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核評(píng)估為算例，開(kāi)展運(yùn)行測(cè)試。

3.2.1 測(cè)試算例1：共軌系統(tǒng)噴油器性能指標(biāo)校核評(píng)估

由于高壓共軌系統(tǒng)是集電磁、機(jī)械及液力的多物理場(chǎng)耦合于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，多物理場(chǎng)參數(shù)耦合作用對(duì)循環(huán)噴油量的穩(wěn)定性及一致性表現(xiàn)出復(fù)雜的影響規(guī)律，而循環(huán)噴油量的穩(wěn)定性、一致性決定了匹配柴油機(jī)性能、排放的穩(wěn)定性和一致性。因此在對(duì)燃油系統(tǒng)進(jìn)行分析評(píng)估時(shí)，主要包括共軌系統(tǒng)噴油特性評(píng)估、共軌噴油器制造誤差對(duì)噴油一致性影響評(píng)估以及共軌噴油器噴油穩(wěn)定性評(píng)估3 個(gè)方面。

點(diǎn)擊用戶端主界面中分系統(tǒng)評(píng)估按鈕，在其子菜單中選擇燃油系統(tǒng)則會(huì)進(jìn)入高壓共軌噴油器性能仿真模塊[9]，如圖9 所示。

圖9 高壓共軌系統(tǒng)噴油性能評(píng)估模塊

輸入初始條件參數(shù)、電磁閥組件參數(shù)、控制器組件參數(shù)和針閥組件參數(shù)后，點(diǎn)擊分析即可查看噴油量分析、噴油過(guò)程分析等結(jié)果[10-11]，如圖10 所示。

圖10 噴油性能分析界面

3.2.2 測(cè)試算例2：機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核評(píng)估

柴油機(jī)固定件是為整機(jī)正常工作提供基礎(chǔ)性保障的，因此其各項(xiàng)指標(biāo)的先進(jìn)性及可靠性尤其重要。其中機(jī)體作為發(fā)動(dòng)機(jī)的骨架，安裝了大量的零部件，因而機(jī)體的強(qiáng)度和剛度對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能及可靠運(yùn)行都起到重要作用[12]。

機(jī)體模型十分復(fù)雜，且具有一定的對(duì)稱性，通常只在模態(tài)計(jì)算時(shí)才建立完整模型，做強(qiáng)度分析時(shí)采用部分模型，利用其對(duì)稱性從模型上切出局部進(jìn)行有限元建模分析[13]，模型如圖11 所示。

圖11 機(jī)體三維模型

評(píng)估系統(tǒng)作為柴油機(jī)設(shè)計(jì)評(píng)估的綜合性平臺(tái)，不僅涵蓋了自主研發(fā)的性能計(jì)算軟件，還集成了多種國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的計(jì)算軟件。評(píng)估系統(tǒng)通過(guò)多軟件計(jì)算結(jié)果調(diào)度使用和計(jì)算結(jié)果校核分析，可獲得柴油機(jī)關(guān)重件等校核對(duì)象的設(shè)計(jì)評(píng)估數(shù)據(jù)并指導(dǎo)柴油機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程，提高設(shè)計(jì)可靠性。通過(guò)在Pro/E 軟件中建立零件的三維實(shí)體模型，將模型導(dǎo)入有限元前處理軟件ANSA 中進(jìn)行約束邊界條件設(shè)置、載荷施加，得到有限元分析模型并導(dǎo)入ANSYS 軟件中進(jìn)行仿真計(jì)算[14]。模型的質(zhì)量與邊界條件的準(zhǔn)確性是有限元分析的關(guān)鍵因素[15]。對(duì)機(jī)體溫度分布及熱物理參數(shù)計(jì)算采用熱分析的方法。

4 設(shè)計(jì)評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)建立

數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL 關(guān)系型管理系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)不同數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)緩存，大幅增加了讀取速度并提高了使用靈活性。除此之外，該數(shù)據(jù)庫(kù)具有拓展能力，不僅可以根據(jù)需要設(shè)計(jì)功能模塊，還具有整合第三方應(yīng)用的能力。

依據(jù)設(shè)計(jì)評(píng)估的流程和方法，按照固定件、運(yùn)動(dòng)件和關(guān)重件設(shè)計(jì)評(píng)估分類(lèi)，建立柴油機(jī)總體設(shè)計(jì)評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外同類(lèi)機(jī)型設(shè)計(jì)研發(fā)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立設(shè)計(jì)評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)形式主要是各機(jī)型主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)分解情況，用于校核計(jì)算的一維性能校核計(jì)算模型和三維計(jì)算網(wǎng)格化模型。形成的固定件、運(yùn)動(dòng)件和關(guān)重件設(shè)計(jì)評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)見(jiàn)表2。數(shù)據(jù)庫(kù)機(jī)型主要有620、622、PA6、956 和279，包含機(jī)體強(qiáng)度校核計(jì)算分析模型、氣缸蓋溫度場(chǎng)模擬分布模型、曲軸模態(tài)模型、曲軸剛體動(dòng)力學(xué)模型、連桿疲勞校核模型、活塞溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力分析模型、配氣機(jī)構(gòu)凸輪型線校核計(jì)算模型等近20 種模型。

表2 數(shù)據(jù)庫(kù)部分固定件、運(yùn)動(dòng)件和關(guān)重件情況表

5 結(jié)論

本文研究柴油機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)分解方法，給出了柴油機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)及其指標(biāo)間的耦合關(guān)系，通過(guò)分解完整性分析驗(yàn)證了分解方法的有效性。依據(jù)柴油機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)分解體系作為基礎(chǔ)，研究設(shè)計(jì)評(píng)估流程和方法，開(kāi)展評(píng)估系統(tǒng)以及評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)搭建。評(píng)估系統(tǒng)通過(guò)不同端口之間的數(shù)據(jù)通信，將用戶、系統(tǒng)和數(shù)據(jù)三者分離，方便了系統(tǒng)的管理與使用，提高了使用效率。評(píng)估數(shù)據(jù)庫(kù)中包含大量設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、評(píng)估數(shù)據(jù)及計(jì)算數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確的評(píng)估提供保障。通過(guò)實(shí)際算例測(cè)試，對(duì)評(píng)估系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，為我國(guó)大功率柴油機(jī)自主設(shè)計(jì)評(píng)估體系形成提供參考。