關于船用柴油機研發及CAE應用的分析

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備，船用柴油機的發展一直都同我國船舶行業的發展息息相關。但是，作為一個世界造船大國，我國的船用配套設備制造業的發展同國外相比，仍有很大的差距。有鑒于此，有必要借助于CAE技術，提高我國船舶柴油機的研發水平。

近些年來，國內的造船業迎來了生產經營的高峰期，因而同時也促使了柴油機制造行業的發展，特別對于高速大功率的船用柴油機而言，更是如此。但是應當注意的是，雖然如此，其發展仍無法滿足我國船舶制造業對于配套設備的需求。同世界先進的船舶制造水平而言，我國船舶行業的研發水平，仍存在著很大的差距。因此，加快發展船用柴油機等相關船舶配套業，已經成為世界造船大國的一個重要基礎之一，更是提高造船業國際競爭力的主要挑戰之一。

1 我國船用柴油機的研發現狀

我國船舶配套設備，雖然已在國際前幾名的行列中，但是，這些發展僅僅體現在制造量方面的改變，并不代表中國船用柴油機的研發水平的迅速提升。多方面因素的限制，導致我國現代船用高速大功率柴油機并未在我國正式開展起來，我國柴油機零部件的制造，仍是依靠常規的技術來實現的，因而導致我國大型船用柴油機研發能力的嚴重不足。

因此，為實現造船業的快速發展，柴油機的研發必須首先發展起來。不斷加大對船用高速柴油機的研發力度，提高我國船用柴油機的制造水平，進而增強船舶業的整體配套能力及市場競爭力。

我國船用柴油機，要想真正實現長足的發展，必須先對日韓兩國船用高速大功率柴油機的研發技術進行借鑒，同時根據我國的具體情況，采用先進的CAE設計技術，將分析研究設計方法作為切入點，逐漸實現我國船用柴油機的自主研發的最終目標。

2 柴油機研發對CAE技術的需求

同我國國內的汽車及機車等內燃機的研發情況相比，我國的船用高速大功率柴油機，主要是通過許可證引進設計的方式，實現其生產過程的。所以，如今CAE技術在船用柴油機研發過程中的應用，必須要考慮其側重點，應重點對零部件及其子系統的改進，進行驗證和優化，主要考慮如下方面的內容：

（1）對原來所設計易損件的工作進行分析，并對柴油機在使用過程中的故障進行診斷；

（2）原有設計中由于信息的制造不全面，因而需要補充設計的組件或者零件；

（3）需對原來設計中，在工藝或者制造流程適應方面較差的零部件的設計進行改進，特別是大缸徑柴油機；

（4）因市場供應及成本高等原因，需重新進行設計或改造，或是選用變更后的材料，進行零部件的校驗；

（5）在此基礎上進行經驗的轉化，通過對計算機技術的應用進行模擬，實現柴油機性能及其可靠性的提高，進而形成我國的研發技術。

3 CAE技術在船用柴油機研發的應用范圍

（1）對強度、剛度及其動力學的分析。對此類的分析，主要包括了對諸如活塞、連桿及曲軸等運動件系統的非線性靜力分析，以及對連桿、小頭襯套、大頭蓋以及軸瓦受拉及其受壓工況等狀態的非線性及其失穩分析等等。

（2）熱分析。主要包括了對燃燒室零件穩態及瞬態溫度場的分析，對排氣管及增壓器溫度的分析，對活塞汽缸蓋所進行的溫度場的分析等等。

（3）對流體動力學的分析。主要包括了對進排氣道、供油系統，燃燒室流體動力學以及燃燒性能模擬、缸內噴霧及其燃燒、冷卻系統流動阻力及其流道設計等方面的分析設計等。

（4）對運動學的分析。主要包括了對凸輪、曲柄連桿的機構、閥門及力矩補償器等高加速度的非線性運動部件及其齒輪和鏈條等系統的分析。

（5）疲勞分析。主要包括了對曲軸及連桿等運動件疲勞壽命的評估，對管路及支架等受迫振動點疲勞壽命的分析，以及對排氣閥及閥座的沖擊疲勞的分析等。

（6）對電磁的分析。主要包括了對電控柴油機中，各控制電路板所存在的EMC問題，導線信號的屏蔽及其信號間的Crosstalk以及電磁閥的動作等方面的分析。

（7）對耦合場的分析。主要包括了對燃燒室及增壓器流體、熱及其結構耦合的分析，以及對中冷器熱及其流體耦合的分析。

4 船用柴油機和虛擬樣機研發的平臺建設

通常來說，船用柴油機和虛擬樣機研發過程中的平臺建設，主要分為3個階段：

4.1 基本能力建設階段

其主要的內容包括所購置軟件的裝機，初高級培訓及項目的領航等內容，此階段需要達到的目標如下：

（1）對船用柴油機研發所需的CAE工具進行全面的分析；

（2）通過培訓初步實現企業分析隊伍的建設，主要包括了分析專家層、執行層及人員層的建設；

（3）進行產品開發所需的基本CAE分析技能及其初步分析流程的建立；

（4）結合項目領航進行初步CAE分析規范的建立。

此階段作為整個項目的基礎，必須引起足夠的重視，培訓相關人員應具備足夠的CAE能力，因此應對培訓品質進行嚴格的控制。參與培訓的相關人員，應能夠達到培訓課程所需的所有達標考試，并進行等級劃分。建立考評制度，對相關培訓人員的學習情況進行監督，同時及時針對考評效果調整培訓課程，以確保培訓的效果。

4.2 資源設計整合階段

此階段主要是要通過各種同設計分析有關的CAD、CAE、CAT等工具，以及不同的設計資源，進行整合，并借助于流程管理平臺，對虛擬樣機的研發流程進行定義，以實現協同虛擬樣機開發平臺的形成。此階段需要實現的目標如下：

（1）實現不同設計工具之間CAE有關數據的順暢流動；

（2）實現CAE有關數據最大限度的共享；

（3）對不同的設計角色，進行職責的定義及其規劃；

（4）制定以CAE為驅動的設計流程；

（5）實現客戶化軟件的開發；

（6）實現設計開發、流程管理平臺同PDM的集成。

此階段作為虛擬樣機數字化研發平臺實施過程中的核心階段，需進行大量同企業及船用柴油機研發設計相關工作的進行，同時還需各個領導層的大力支持及其協調。

4.3 分析規范及其評價標準的建立階段

此階段主要是進行船用柴油機的整體及其各個零部件的逐個總結及其審核，并根據試驗及其加工制造、行業或國家標準及其反饋等方面的數據，進行分析規范及其評價標準的建立。

主要任務包括：

（1）分析規范框架及其檔案管理方案的建立；

（2）分析檔案詳細計劃的建立；

（3）模型化知識庫的建立；

（4）專用分析程序的形成及其在CAE工作平臺中的固化；

（5）高級分析模板的建立。此階段品質控制相當重要，一旦出現錯誤和疏漏，必將為設計帶來難以估計的損失，因此，必須對其品質進行嚴格把關。對每種規范，都必須進行一定數量的事實例證作為依據。

5 結束語

總之，針對我國船用柴油機的研發現狀，加強CAE技術在船用柴油機研發過程中的應用，能夠準確把握船用柴油機研發過程中的信息需求，提高高質量的技術支持，有效提高我國船用柴油機的研發和制造水平，更好地滿足我國船舶制造業對于配套設備的發展需求，這對我國船舶制造業的更好發展是非常有利的。

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