船用柴油機(jī)研發(fā)與CAE技術(shù)的應(yīng)用分析

摘 要：當(dāng)前，在設(shè)計(jì)和研發(fā)船用柴油機(jī)的過程中，大都會用到計(jì)算機(jī)工程仿真（CAE）技術(shù)，其在國外的發(fā)動機(jī)行業(yè)中具有廣泛應(yīng)用，而我國對CAE技術(shù)的利用仍處于初級階段。本文結(jié)合我國船用低速大功率柴油機(jī)的設(shè)計(jì)手段現(xiàn)狀，探討了CAE技術(shù)在制造船用低速大功率柴油機(jī)中的具體應(yīng)用，望能為此領(lǐng)域研究提供切實(shí)依據(jù)。

關(guān)鍵詞：低速柴油機(jī);CAE仿真技術(shù);設(shè)計(jì)手段

近年來，國際航運(yùn)需求逐漸增加，而我國的船舶建造水平也得到了很大提升，極大的推動了我國造船行業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。與此同時(shí)，也促進(jìn)了船用柴油機(jī)行業(yè)的快速發(fā)展，尤其是船用低速大功率柴油機(jī)制造業(yè)。相比于世界先進(jìn)國家，我國大型船舶的配套設(shè)備在國內(nèi)市場中的競爭力仍較為低下。因此，為了提升我國造船行業(yè)的國際競爭優(yōu)勢，提高船用設(shè)備研制水平，需加強(qiáng)對船舶配套業(yè)的大力發(fā)展。而為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需加強(qiáng)對船用低速柴油機(jī)設(shè)計(jì)手段的研究，并研發(fā)出新型的船用零部件制造技術(shù)。本文主要結(jié)合CAE技術(shù)展開探討，提出了其在船用大功率柴油機(jī)研發(fā)過程中的應(yīng)用價(jià)值。

1.船用低速大功率柴油機(jī)設(shè)計(jì)手段發(fā)展情況

1.1國內(nèi)設(shè)計(jì)研究手段分析

針對我國船用大功率柴油機(jī)而言，其在具體設(shè)計(jì)上，盡管已有一些基礎(chǔ)，但仍缺乏核心技術(shù)，而單純從型號、規(guī)格、品種層面來考量，其僅能滿足國內(nèi)市場當(dāng)中的部分裝船需要，與造船技術(shù)相比較，設(shè)計(jì)工作存在一定滯后情況，尤其是低速柴油機(jī)的相關(guān)設(shè)計(jì)技術(shù)。此外，以許可證方式將Wartsila與MAN-B&W公司的設(shè)計(jì)技術(shù)引進(jìn)到國內(nèi)，在對大功率柴油機(jī)進(jìn)行生產(chǎn)上，較之韓國、日本，我國不管是在制造技術(shù)上，還是在聯(lián)合開發(fā)、二次開發(fā)上，均有著一定差距。諸如仿真分析技術(shù)、關(guān)鍵零部件技術(shù)等現(xiàn)代柴油機(jī)的核心技術(shù)仍未掌握，較之歐美等發(fā)達(dá)國家，仍然有著比較大的差距。經(jīng)過近些年來的不斷發(fā)展，我國尚未建立自主品牌，因此，國內(nèi)在設(shè)計(jì)研究手段上，仍比較缺乏，設(shè)計(jì)技術(shù)仍需持續(xù)提升與優(yōu)化。

1.2船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展情況

傳統(tǒng)的大功率傳統(tǒng)柴油機(jī)設(shè)計(jì)方法，主要是以“經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)”為基礎(chǔ)，在產(chǎn)品還未制造前，難以對產(chǎn)品性能進(jìn)行準(zhǔn)確、全面把握與衡量，而且也難以知曉或發(fā)現(xiàn)所存在的設(shè)計(jì)曲線。只有制造出產(chǎn)品且開展全面試驗(yàn)驗(yàn)證，方能明確性能，知曉其中的不足，然后再進(jìn)行深層化的設(shè)計(jì)與改進(jìn)，即采用的是“設(shè)計(jì)-制造-測試-改進(jìn)”的流程。針對此種設(shè)計(jì)流程而言，其往往對相關(guān)設(shè)計(jì)人員有著比較高的要求，除了總體性能難以得到切實(shí)保證之外，還有著較長的開發(fā)周期，以及比較大的投入。此外，產(chǎn)品在使用、維修期間的信息難以準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、完整且快速的向設(shè)計(jì)人員反饋，這對于產(chǎn)品的改進(jìn)以及新產(chǎn)品的開發(fā)造成影響。而針對現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念與手段來講，是基于全生命周期中（制造、使用維護(hù)等），大范圍的采用現(xiàn)代信息技術(shù)，比如ERP、CAX等。在具體的設(shè)計(jì)階段，通過開展數(shù)字化預(yù)測設(shè)計(jì)，能夠幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)過程中，對產(chǎn)品的預(yù)期性能進(jìn)行全面了解。而在制造過程中，可以借助產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，得到設(shè)計(jì)階段的全部數(shù)據(jù)，開展數(shù)字化制造。而在使用維護(hù)中，可以構(gòu)建數(shù)字化的產(chǎn)品使用信息與維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，把各種信息向制造商、設(shè)計(jì)人員快速且準(zhǔn)確的傳送。借助數(shù)字化技術(shù)所構(gòu)建的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫與知識庫，可以幫助設(shè)計(jì)人員及時(shí)改進(jìn)或升級產(chǎn)品，因而可使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)生產(chǎn)水平得到大幅提升，縮短研發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)研發(fā)成本的降低，促進(jìn)市場競爭力的提升。

1.3創(chuàng)建CAE仿真平臺，提升設(shè)計(jì)水平

在較長一段時(shí)間內(nèi)，我國在設(shè)計(jì)柴油機(jī)時(shí)，始終秉持二維的繪圖方法，采用手工簡單計(jì)算結(jié)合類推設(shè)計(jì)方法的方式，過度依賴試驗(yàn)。需要指出的是，手工簡單計(jì)算與類推設(shè)計(jì)方法相結(jié)合，會造成設(shè)計(jì)質(zhì)量對設(shè)計(jì)工程師的個(gè)人設(shè)計(jì)“感覺”有較大依賴性，缺少清晰、準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)評價(jià)依據(jù)與優(yōu)化手段;此外，類推法在一些領(lǐng)域的具體應(yīng)用上，存在明顯受限，因而對發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)質(zhì)量的總體提升造成不利影響，使我們的設(shè)計(jì)工作對試驗(yàn)的校核過度依賴。而對于傳統(tǒng)的低速大功率柴油機(jī)來講，通常體積比較大，在制造原型機(jī)時(shí)，不僅耗時(shí)且費(fèi)能，有著比較長的周期以及較大的投入，因而會增加成本，延長設(shè)計(jì)周期。因此，需采取切實(shí)措施，將此些問題有效解決掉。

當(dāng)前，CAE分析、三維繪圖是比較常用的設(shè)計(jì)方法，尤其是CAE與CAD的應(yīng)用，共同構(gòu)建了先進(jìn)且優(yōu)質(zhì)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)平臺。需要指出的是，通過CAE與CAD之間的深層交互，工程師在設(shè)計(jì)過程中，能夠?qū)Σ捎蜋C(jī)及其各個(gè)零件的性能進(jìn)行預(yù)測，及早發(fā)現(xiàn)其中問題與不足，從而快速進(jìn)行改進(jìn)與優(yōu)化。應(yīng)用虛擬樣機(jī)技術(shù)，有助于試驗(yàn)成功率的大幅提升，減少試驗(yàn)次數(shù)。這對整體設(shè)計(jì)質(zhì)量的提升，以及設(shè)計(jì)周期的縮短、設(shè)計(jì)成本的減少，提供輔助與條件。因此，CAE乃是一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)工具，其能夠?yàn)橄嚓P(guān)設(shè)計(jì)工作的開展提供助力。

2.CAE技術(shù)在船用低速大功率柴油機(jī)方面的應(yīng)用

（1）分析各種零件的剛度、強(qiáng)度及動力學(xué)。包含諸如曲軸、活塞等運(yùn)動件的系統(tǒng)非線性靜力分析，以及大頭蓋、小頭襯套、軸瓦的受拉、受壓工況狀態(tài)的失穩(wěn)及非線性分析，除此之外，還有曲軸的動力、靜力分析等。（2）熱分析。主要包含燃燒室零件的瞬態(tài)溫度場以及穩(wěn)態(tài)分析，增壓器與排氣管的溫度分析等。（3）流體動力學(xué)分析。在柴油機(jī)系統(tǒng)當(dāng)中，有許多與計(jì)算流體力學(xué)（CFD）有關(guān)的氣體流動優(yōu)化問題、傳熱問題、多相流問題、流固熱耦合問題及燃燒問題等。而在設(shè)計(jì)、優(yōu)化柴油機(jī)系統(tǒng)時(shí)，其往往密切相關(guān)于CFD技術(shù)的應(yīng)用，包含供油系統(tǒng)分析、排氣道分析、燃燒室流體動力學(xué)模擬等。（4）運(yùn)動學(xué)分析。主要包含閥門、曲柄連桿機(jī)構(gòu)、凸輪結(jié)構(gòu)等非線性運(yùn)動的構(gòu)件的運(yùn)動學(xué)分析，以及鏈條、齒輪等系統(tǒng)的運(yùn)動學(xué)分析。

3.結(jié)語

CAE作為一種設(shè)計(jì)柴油機(jī)的核心技術(shù)，在促進(jìn)船用柴油機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)水平的提高中，發(fā)揮著舉足輕重的作用。針對現(xiàn)代CAE技術(shù)而言，其較好的適應(yīng)了船用發(fā)動機(jī)設(shè)計(jì)分析方面的各種需求，因而在推動船用柴油機(jī)研發(fā)、制造中，發(fā)揮著不可替代的作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬仲翦. 光譜和能譜技術(shù)在船用柴油機(jī)監(jiān)測中的聯(lián)合應(yīng)用[J]. 機(jī)械管理開發(fā)， 2019， 034（001）：112-113.

[2][日]Jason Ozolins， 吳亦寧譯， 劉景寶校. 通用電氣運(yùn)輸公司Tier 4船用柴油機(jī)的開發(fā)[J]. 國外鐵道機(jī)車與動車， 2020， 000（001）：P.27-32.

[3]史章磊， 李亮， 楊耀. 淺析船用柴油機(jī)SCR系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 科技視界， 2018， 000（010）：253-255.

[4]高迎賓， 張宇， 張超，等. 某船用柴油機(jī)發(fā)電機(jī)支架系統(tǒng)仿真計(jì)算分析[J]. 裝備制造技術(shù)， 2018， 000（012）：35-37.

作者簡介：

張曉寧（1992.12）男，漢，廣東省珠海市，當(dāng)前職稱：助理工程師，學(xué)歷：本科，研究方向：輪機(jī)工程（陸上）.