船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件CAE智能仿真研究

單文舉

(吉林大學(xué)珠海學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣東 珠海 519041)

0 引 言

船舶動(dòng)力裝置主要包括柴油機(jī)、推進(jìn)器等眾多設(shè)施，采用直接傳動(dòng)方式作為柴油機(jī)與船舶螺旋槳的傳動(dòng)方式。船舶動(dòng)力裝置中包含眾多復(fù)雜形狀的零部件，對(duì)其進(jìn)行仿真具有重要意義。通過(guò)船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件仿真分析，明確船舶動(dòng)力裝置運(yùn)行時(shí)，復(fù)雜形狀零部件運(yùn)行狀態(tài)，獲取不同工況下動(dòng)力裝置的運(yùn)行性能，為動(dòng)力裝置故障判斷以及故障定位提供依據(jù)。

針對(duì)船舶動(dòng)力裝置仿真模擬的研究較多，吳猛猛等利用CFD技術(shù)模擬船舶動(dòng)力裝置的噪聲聲場(chǎng)，該方法以流體介質(zhì)和電磁閥工作壓力作為理論基礎(chǔ)，通過(guò)CFD技術(shù)模擬動(dòng)力裝置穩(wěn)態(tài)情況下以及非穩(wěn)態(tài)情況下的噪聲變化，有效提升船舶動(dòng)力裝置的運(yùn)行安全性。徐思豪等針對(duì)船舶結(jié)構(gòu)，構(gòu)建了船舶有限元模型，該方法利用CATIA軟件構(gòu)建船舶結(jié)構(gòu)模型，適用于船舶結(jié)構(gòu)快速生成中。以上2種方法雖然可以實(shí)現(xiàn)船舶的有效模擬，但是僅適用于模擬形狀簡(jiǎn)單的零部件與設(shè)備，并未考慮復(fù)雜形狀結(jié)構(gòu)零部件對(duì)船舶模擬的影響。船舶動(dòng)力裝置具有多樣性和復(fù)雜性，仿真難度。研究船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件CAE智能仿真方法，利用CAE技術(shù)構(gòu)建船舶動(dòng)力裝置的復(fù)雜形狀零部件仿真模型，實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件的仿真分析，提高仿真分析效率。

1 動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件CAE仿真

1.1 船舶動(dòng)力裝置模型庫(kù)

船舶動(dòng)力裝置包括柴油機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、蒸汽輪機(jī)等。船舶動(dòng)力裝置的眾多零部件是決定船舶運(yùn)行狀態(tài)的重要部分，船舶動(dòng)力裝置中的復(fù)雜形狀零部件制造過(guò)程極為復(fù)雜，對(duì)于動(dòng)力裝置運(yùn)行狀態(tài)起著決定作用。船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件CAE仿真過(guò)程中，需要構(gòu)建仿真模型庫(kù)，船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件CAE智能仿真的動(dòng)力裝置模型庫(kù)如圖1所示。

圖1 船舶動(dòng)力裝置模型庫(kù)Fig. 1 Model library of ship power plant

可以看出，智能仿真過(guò)程中的船舶動(dòng)力裝置模型庫(kù)，主要包括原動(dòng)裝置模型庫(kù)、螺旋槳模型庫(kù)以及傳動(dòng)裝置模型庫(kù)。其中傳動(dòng)裝置中的齒輪、燃?xì)廨啓C(jī)中的渦輪、燃燒室、轉(zhuǎn)子、柴油機(jī)的曲軸中均包含大量復(fù)雜形狀零部件。構(gòu)建的船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件模型作為船舶動(dòng)力裝置模型庫(kù)內(nèi)的模型，其是船舶動(dòng)力裝置仿真的重要依據(jù)。

1.2 船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件的CAE分析

船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件的設(shè)計(jì)與分析流程圖如圖2所示。

可以看出，CAE設(shè)計(jì)與分析集成主要包括CAD設(shè)計(jì)模型、CAE分析模型以及CAE離散模型3部分：

1）CAD設(shè)計(jì)模型

圖2 CAE設(shè)計(jì)與分析集成流程Fig. 2 CAE design and analysis integration process

通過(guò)CAD設(shè)計(jì)模型，確定船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零件的幾何信息、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息以及所需要的性能參數(shù)。CAD設(shè)計(jì)模型是CAE智能仿真的基礎(chǔ)，是復(fù)雜形狀零件幾何模型的展示方式。

2）CAE分析模型

CAE分析模型主要包括分析零部件幾何信息、材料信息、邊界條件信息、載荷信息等內(nèi)容。

3）CAE離散模型

CAE離散模型是CAE智能仿真分析的數(shù)值模型的形式化描述，通過(guò)CAE離散模型為CAE智能仿真提供數(shù)值計(jì)算軟件，主要包括網(wǎng)格劃分、選擇單元以及選擇分析軟件等部分。

船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零件CAE智能仿真分析過(guò)程如下：

1）前處理

前處理指利用CAE軟件具有的建模功能，參數(shù)化定義待分析模型。前處理是CAE分析中最重要的部分，通過(guò)前處理構(gòu)建與船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀相符的有限元分析模型。CAD智能仿真分析過(guò)程中通過(guò)前處理完成大量工作。前處理過(guò)程主要包括以下部分：

①構(gòu)建工作文件名

在CAE軟件前處理器運(yùn)作前，需要構(gòu)建仿真分析模型的文件名，通過(guò)所構(gòu)建文件名，區(qū)分差異分析對(duì)象。

②定義單元屬性

單元是所構(gòu)建船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零件CAE仿真分析模型的組成元件，將船舶動(dòng)力裝置的復(fù)雜形狀零件離散為多個(gè)有限元單元的組合體，構(gòu)建有限元模型。線單元、殼單元和實(shí)體單元是有限元模型構(gòu)建的典型實(shí)體單元。

③定義材料屬性

通過(guò)定義船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零件的材料屬性，便于有限元仿真分析時(shí)，分析零件的泊松比、密度、彈性模量。

④劃分網(wǎng)格屬性

完成材料屬性定義后，利用信息元理論劃分所構(gòu)建船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零件的網(wǎng)格，劃分網(wǎng)格屬性時(shí)，需要為模型分配單元類型、單元特征以及單元坐標(biāo)系等單元屬性。網(wǎng)格劃分的精度，決定了有限元分析性能，復(fù)雜形狀零件的網(wǎng)格劃分得越細(xì)時(shí)，具有越高的仿真分析結(jié)果。

2）加載與求解

利用加載與求解過(guò)程加載與求解網(wǎng)格化處理后船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件模型。完成船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零件模型構(gòu)建后，需要對(duì)所構(gòu)建模型設(shè)置約束以及加載載荷大小。CAE智能仿真分析時(shí)，可以分析模型在受到集中載荷、表面載荷、體積載荷等不同載荷以及不同約束條件時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)。

3）后處理

求解獲取的結(jié)果通過(guò)矢量顯示、梯度顯示等方式展示，還可以通過(guò)圖表方式展示計(jì)算結(jié)果。加載與求解結(jié)果利用后處理過(guò)程輸出。通過(guò)后處理判斷所劃分模型網(wǎng)格是否精確，獲取所構(gòu)建模型在不同載荷時(shí)的狀態(tài)變化結(jié)果。后處理需要設(shè)置讀入內(nèi)容，將后處理結(jié)果傳送至船舶動(dòng)力裝置模型庫(kù)內(nèi)，通過(guò)圖表方式輸出分析結(jié)果。

1.3 基于信息元的CAE模型網(wǎng)格劃分

船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件智能仿真分析涉及多參數(shù)、多特征信息，將信息元理論應(yīng)用于CAE模型的網(wǎng)格劃分。信息元是事物屬性的抽象研究方法，信息元方法通過(guò)屬性名與描述值展示事物的屬性。利用樹(shù)狀分層結(jié)構(gòu)描述不同事物信息間的結(jié)構(gòu)關(guān)系，構(gòu)建船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件的信息結(jié)構(gòu)樹(shù)。分析船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件的相關(guān)知識(shí)，組織與描述船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件信息，構(gòu)建數(shù)字化分析船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件的可重用信息元，即分析元。依據(jù)所構(gòu)建信息結(jié)構(gòu)樹(shù)的關(guān)系組織所構(gòu)建的分析元，將利用信息元技術(shù)構(gòu)建的分析樹(shù)和分析元作為可重構(gòu)單元，作為船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件分析結(jié)果。

分析元是船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件仿真分析的核心，是一種細(xì)粒度的組織與描述方式。船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件分析元表達(dá)式如下：

式中：與分別表示動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件的模型及其參數(shù)，與分別表示邊界條件模型以及仿真分析工具；表示零部件仿真分析結(jié)果。

智能仿真分析過(guò)程中，需要考慮船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件的邊界條件、網(wǎng)格劃分、材料屬性以及加載方式等眾多信息，利用邊界模型統(tǒng)一描述以上信息。

依據(jù)固定組織方式，利用樹(shù)狀結(jié)構(gòu)表示構(gòu)建船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件模型過(guò)程中形成的分析元。利用分析元構(gòu)建的分析對(duì)象樹(shù)表達(dá)式如下：

式中：與分別表示分析元集合以及分析對(duì)象樹(shù)，表示所構(gòu)建船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件的邊界模型集合。

由于復(fù)雜形狀零部件中包含眾多不同結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)可以分解為不同部件與零件。利用設(shè)計(jì)模型與設(shè)計(jì)參數(shù)確定船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件的模型設(shè)計(jì)結(jié)果，其表達(dá)式如下：

將信息元技術(shù)作為CAE模型網(wǎng)格劃分的理論基礎(chǔ)，精準(zhǔn)劃分船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零件模型的網(wǎng)格。

2 仿真測(cè)試

為了驗(yàn)證船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零件CAE智能仿真方法的仿真分析方法有效性。選取某型號(hào)為8468TEU的大型集裝箱船舶動(dòng)力裝置系統(tǒng)作為研究對(duì)象，船舶螺旋槳的槳葉數(shù)量為6個(gè)，螺旋槳直徑為9.5 m，螺旋槳螺距為9.75 m。該船舶動(dòng)力裝置的柴油機(jī)機(jī)型為T(mén)O14000ET-J10，柴油機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 柴油機(jī)技術(shù)參數(shù)Tab. 1 Technical parameters of diesel engine

選取Abaqus軟件作為CAE智能仿真分析的軟件，構(gòu)建動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件的實(shí)體模型。選取柴油機(jī)曲軸作為復(fù)雜形狀零部件的仿真分析對(duì)象，柴油機(jī)曲軸是柴油機(jī)的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)，在船舶加熱、冷卻、自重變形等不同工況時(shí)作用明顯，是典型的動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零部件。采用本文方法利用Abaqus軟件構(gòu)建柴油機(jī)曲軸的CAE實(shí)體模型如圖3所示。

圖3 柴油機(jī)曲軸實(shí)體模型Fig. 3 Diesel engine crankshaft solid model

可以看出，采用本文方法可以有效構(gòu)建船舶動(dòng)力裝置的柴油機(jī)曲軸的實(shí)體模型。利用Abaqus軟件構(gòu)建的柴油機(jī)曲軸CAE模型的單元數(shù)量與節(jié)點(diǎn)數(shù)量分別為56 485個(gè)以及82 648個(gè)。柴油機(jī)曲軸是船舶動(dòng)力裝置中典型的復(fù)雜形狀零部件，模型構(gòu)建過(guò)程極為復(fù)雜，本文方法可以有效構(gòu)建柴油機(jī)曲軸的實(shí)體模型，為船舶動(dòng)力裝置的CAE仿真分析提供模型基礎(chǔ)。

采用本文方法對(duì)柴油機(jī)曲軸進(jìn)行網(wǎng)格劃分的結(jié)果如圖4所示。

圖4 柴油機(jī)曲軸網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig. 4 Meshing result of diesel engine crankshaft

可以看出，采用本文方法可以有效對(duì)所構(gòu)建的柴油機(jī)曲軸實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為后續(xù)柴油機(jī)曲軸的數(shù)值分析提供基礎(chǔ)。

對(duì)所構(gòu)建的柴油機(jī)曲軸CAE模型，施加10 kN的扭轉(zhuǎn)變形力，統(tǒng)計(jì)柴油機(jī)曲軸CAE模型在扭轉(zhuǎn)變形后的受力情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。

圖5 扭轉(zhuǎn)變形受力結(jié)果Fig. 5 Torsional deformation force results

可以看出，采用本文方法構(gòu)建的柴油機(jī)曲軸CAE模型，可以有效模擬柴油機(jī)曲軸在受到扭轉(zhuǎn)變形時(shí)的受力結(jié)果。柴油機(jī)受到10 kN的扭轉(zhuǎn)變形力時(shí)，變形的最大受力點(diǎn)為88.542 kN。距離扭轉(zhuǎn)位置較遠(yuǎn)的部分，未存在受力情況，與實(shí)際曲軸扭轉(zhuǎn)變形受力情況相符。

采用本文方法構(gòu)建的曲軸設(shè)置于柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況中。統(tǒng)計(jì)船速為52.6 km/h時(shí)，不同負(fù)荷大小時(shí)，柴油機(jī)壓縮壓力與最大爆發(fā)壓力變化，將柴油機(jī)壓力變化結(jié)果與實(shí)際柴油機(jī)運(yùn)行的壓力變化結(jié)果對(duì)比，對(duì)比結(jié)果如圖6所示。

圖6 柴油機(jī)運(yùn)行壓力變化Fig. 6 Diesel engine operating pressure changes

可以看出，采用本文方法構(gòu)建的柴油機(jī)曲軸模型，可以有效應(yīng)用于船舶航行的柴油機(jī)實(shí)際運(yùn)行工況中。柴油機(jī)運(yùn)行的壓縮壓力與最大爆發(fā)壓力模擬結(jié)果與實(shí)際壓力結(jié)果相差較小，驗(yàn)證本文方法所構(gòu)建柴油機(jī)曲軸CAE模型具有較高的實(shí)用性，可以有效仿真模擬柴油機(jī)在船舶航行時(shí)的實(shí)際變化狀態(tài)。

3 結(jié) 語(yǔ)

利用CAD技術(shù)設(shè)計(jì)船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零件模型，將CAD模型轉(zhuǎn)換至CAE仿真軟件中，實(shí)現(xiàn)船舶動(dòng)力裝置復(fù)雜形狀零件的的智能仿真。仿真測(cè)試驗(yàn)證該仿真方案具有較高的實(shí)用性與可行性。