柴油機設(shè)計評估方法及數(shù)據(jù)庫研究

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

為在大功率柴油機自主化研制中實現(xiàn)“同步設(shè)計、同步評估”奠定基礎(chǔ)，建立符合我國大功率柴油機研發(fā)體系的評估技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)具有重要意義。隨著我國大功率柴油機自主化設(shè)計需求不斷提高，就目前的設(shè)計能力而言，柴油機設(shè)計的相關(guān)數(shù)據(jù)積累較少，未能形成系統(tǒng)完善的設(shè)計數(shù)據(jù)庫。但在自主研發(fā)柴油機的過程中，又不能利用國外諸如德國FEV 發(fā)動機技術(shù)有限公司（FEV Group）、奧地利李斯特公司（AVL）的評估體系開展第三方評估，所以需要建立健全可擴展的柴油機設(shè)計獨立評估平臺和體系，為柴油機設(shè)計評估工作提供參考。本文結(jié)合實際開發(fā)了一套針對大功率柴油機的設(shè)計評估系統(tǒng)，從柴油機設(shè)計過程的主要技術(shù)指標(biāo)分解方法研究入手，開展評估系統(tǒng)設(shè)計和建立校核評估數(shù)據(jù)庫。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

主要技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)是總體設(shè)計要求中的關(guān)鍵，也是柴油機分系統(tǒng)及部件設(shè)計的輸入，更是設(shè)計評估的基礎(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)分解就是將各類技術(shù)指標(biāo)按照整機、分系統(tǒng)和部件級逐級分解和細化，貫穿到柴油機整個設(shè)計體系當(dāng)中，作為指導(dǎo)柴油機系統(tǒng)、分系統(tǒng)設(shè)計及整機到零部件設(shè)計的技術(shù)綱領(lǐng)，并隨設(shè)計逐步深化、完善和補充，研究找出大功率柴油機設(shè)計過程中主要技術(shù)指標(biāo)之間的矛盾和制約關(guān)系，指導(dǎo)柴油機設(shè)計和校核評估。

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)分類及耦合關(guān)系

柴油機設(shè)計評估主要技術(shù)指標(biāo)包含8 種指標(biāo)，如圖1 所示。柴油機是一個復(fù)雜的熱機系統(tǒng)，整機指標(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 柴油機設(shè)計評估主要技術(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

在大功率柴油機的設(shè)計研發(fā)過程中，柴油機的指標(biāo)貫穿始終。從最初的方案設(shè)計到技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計等，柴油機各類指標(biāo)之間相互矛盾、互相平衡，一個指標(biāo)的提升或降低通常會造成其他多個指標(biāo)的變化，影響其他系統(tǒng)和部件的設(shè)計。所以明確柴油機動力性能指標(biāo)、經(jīng)濟性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)強度指標(biāo)等指標(biāo)體系之間的相互作用關(guān)系對于大功率柴油機的研發(fā)設(shè)計有著指導(dǎo)意義[2]。

針對柴油機主要技術(shù)指標(biāo)分解與評估方法主要是結(jié)合國內(nèi)大功率柴油機設(shè)計研發(fā)過程，通過理論計算、故障案例分析、平臺和樣機試驗數(shù)據(jù)和設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)，梳理柴油機設(shè)計技術(shù)指標(biāo)的響應(yīng)和支撐關(guān)系，形成柴油機設(shè)計技術(shù)指標(biāo)體系分解圖。依據(jù)柴油機總體設(shè)計要求、運行范圍與限制特性，分析各分系統(tǒng)設(shè)計指標(biāo)響應(yīng)、控制和落實情況，評估柴油機總體技術(shù)指標(biāo)在系統(tǒng)設(shè)計中分解的完整性。按照柴油機設(shè)計技術(shù)指標(biāo)分解的方法和流程，開展評估系統(tǒng)頂層和功能流程設(shè)計。

2 評估系統(tǒng)頂層設(shè)計

2.1 評估系統(tǒng)整體框架

柴油機設(shè)計評估系統(tǒng)中，以柴油機主要技術(shù)指標(biāo)分解體系作為基礎(chǔ)，支持整個評估系統(tǒng)，構(gòu)成評估系統(tǒng)框架以及評估數(shù)據(jù)庫框架。評估方法作為整個評估系統(tǒng)的核心，由評估標(biāo)準(zhǔn)以及仿真計算模型組成，同時指標(biāo)關(guān)系樹以及評估數(shù)據(jù)庫為評估方法提供結(jié)構(gòu)以及數(shù)據(jù)支持[3]。評估系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 評估系統(tǒng)整體框架結(jié)構(gòu)

2.2 評估系統(tǒng)功能拓?fù)?/h3>

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

管理員功能在涵蓋了用戶使用功能的基礎(chǔ)上，還可以對用戶信息、模型信息、任務(wù)信息以及數(shù)據(jù)信息進行操作管理。其中，用戶信息管理模塊用來對評估系統(tǒng)的使用者進行管理，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對評估系統(tǒng)內(nèi)仿真計算軟件的固化模型進行管理，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仿真分析計算中的計算任務(wù)進行管理，以確保評估系統(tǒng)中仿真任務(wù)的正常進行；數(shù)據(jù)信息管理模塊主要是對評估數(shù)據(jù)庫中所存儲的數(shù)據(jù)進行管理，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，以此來確保數(shù)據(jù)庫的準(zhǔn)確性與時效性。

2.3 評估系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

為了便于使用，提升整個系統(tǒng)工作效率，評估系統(tǒng)采用星型連接進行數(shù)據(jù)通信[5]。通過將系統(tǒng)安裝在中心服務(wù)器上，來提升處理、計算和存儲性能，提高工作效率。數(shù)據(jù)計算以及信息支持由第三方計算軟件以及評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供[6-7]，評估系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 評估系統(tǒng)通信結(jié)構(gòu)

柴油機設(shè)計評估系統(tǒng)通過不同端口之間的數(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)計層（user interface，UI）、系統(tǒng)框架層以及數(shù)據(jù)層3 方面內(nèi)容。評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要存儲數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖6 各模塊通信邏輯

表1 數(shù)據(jù)庫主要儲存內(nèi)容

3 評估系統(tǒng)功能及運行測試

3.1 評估系統(tǒng)功能分析

評估系統(tǒng)采用Java 語言搭建人機交互界面，可以給使用者提供更加便利的系統(tǒng)服務(wù)。評估系統(tǒng)客戶端主界面如圖7 所示，包含指標(biāo)分解、評估流程、總體評估、分系統(tǒng)評估、關(guān)重件校核和評估數(shù)據(jù)庫6 大部分。指標(biāo)分解功能下涵蓋了柴油機設(shè)計評估中的8 大指標(biāo)；評估流程功能細分為方案設(shè)計、技術(shù)設(shè)計、施工設(shè)計、性能試驗和通用質(zhì)量特性檢測；總體評估功能包含機型參數(shù)設(shè)置、排隊情況查看、結(jié)構(gòu)查看；分系統(tǒng)評估功能包含燃油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(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；評估數(shù)據(jù)庫包含了運動件數(shù)據(jù)庫和固定件數(shù)據(jù)庫。

圖7 評估系統(tǒng)客戶端主界面

評估系統(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，同時還可以對用戶賬戶信息、系統(tǒng)模型等進行修改和管理。

圖8 評估系統(tǒng)服務(wù)器主調(diào)度界面

3.2 校核評估運行測試

對柴油機設(shè)計評估系統(tǒng)，以高壓油軌分系統(tǒng)計算校核評估和機體結(jié)構(gòu)強度校核評估為算例，開展運行測試。

3.2.1 測試算例1：共軌系統(tǒng)噴油器性能指標(biāo)校核評估

由于高壓共軌系統(tǒng)是集電磁、機械及液力的多物理場耦合于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，多物理場參數(shù)耦合作用對循環(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性能、排放的穩(wěn)定性和一致性。因此在對燃油系統(tǒng)進行分析評估時，主要包括共軌系統(tǒng)噴油特性評估、共軌噴油器制造誤差對噴油一致性影響評估以及共軌噴油器噴油穩(wěn)定性評估3 個方面。

點擊用戶端主界面中分系統(tǒng)評估按鈕，在其子菜單中選擇燃油系統(tǒng)則會進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，點擊分析即可查看噴油量分析、噴油過程分析等結(jié)果[10-11]，如圖10 所示。

圖10 噴油性能分析界面

3.2.2 測試算例2：機體結(jié)構(gòu)強度校核評估

柴油機固定件是為整機正常工作提供基礎(chǔ)性保障的，因此其各項指標(biāo)的先進性及可靠性尤其重要。其中機體作為發(fā)動機的骨架，安裝了大量的零部件，因而機體的強度和剛度對發(fā)動機的性能及可靠運行都起到重要作用[12]。

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

圖11 機體三維模型

評估系統(tǒng)作為柴油機設(shè)計評估的綜合性平臺，不僅涵蓋了自主研發(fā)的性能計算軟件，還集成了多種國內(nèi)外先進的計算軟件。評估系統(tǒng)通過多軟件計算結(jié)果調(diào)度使用和計算結(jié)果校核分析，可獲得柴油機關(guān)重件等校核對象的設(shè)計評估數(shù)據(jù)并指導(dǎo)柴油機設(shè)計過程，提高設(shè)計可靠性。通過在Pro/E 軟件中建立零件的三維實體模型，將模型導(dǎo)入有限元前處理軟件ANSA 中進行約束邊界條件設(shè)置、載荷施加，得到有限元分析模型并導(dǎo)入ANSYS 軟件中進行仿真計算[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]。對機體溫度分布及熱物理參數(shù)計算采用熱分析的方法。

4 設(shè)計評估數(shù)據(jù)庫建立

數(shù)據(jù)庫采用MySQL 關(guān)系型管理系統(tǒng)，系統(tǒng)通過不同數(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)庫具有拓展能力，不僅可以根據(jù)需要設(shè)計功能模塊，還具有整合第三方應(yīng)用的能力。

依據(jù)設(shè)計評估的流程和方法，按照固定件、運動件和關(guān)重件設(shè)計評估分類，建立柴油機總體設(shè)計評估數(shù)據(jù)庫。通過分析國內(nèi)外同類機型設(shè)計研發(fā)和試驗數(shù)據(jù)，建立設(shè)計評估數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫形式主要是各機型主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計分解情況，用于校核計算的一維性能校核計算模型和三維計算網(wǎng)格化模型。形成的固定件、運動件和關(guān)重件設(shè)計評估數(shù)據(jù)庫見表2。數(shù)據(jù)庫機型主要有620、622、PA6、956 和279，包含機體強度校核計算分析模型、氣缸蓋溫度場模擬分布模型、曲軸模態(tài)模型、曲軸剛體動力學(xué)模型、連桿疲勞校核模型、活塞溫度場及熱應(yīng)力分析模型、配氣機構(gòu)凸輪型線校核計算模型等近20 種模型。

表2 數(shù)據(jù)庫部分固定件、運動件和關(guān)重件情況表

5 結(jié)論

本文研究柴油機主要技術(shù)指標(biāo)設(shè)計分解方法，給出了柴油機主要技術(shù)指標(biāo)及其指標(biāo)間的耦合關(guān)系，通過分解完整性分析驗證了分解方法的有效性。依據(jù)柴油機主要技術(shù)指標(biāo)分解體系作為基礎(chǔ)，研究設(shè)計評估流程和方法，開展評估系統(tǒng)以及評估數(shù)據(jù)庫搭建。評估系統(tǒng)通過不同端口之間的數(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。評估數(shù)據(jù)庫中包含大量設(shè)計數(shù)據(jù)、評估數(shù)據(jù)及計算數(shù)據(jù)，為準(zhǔn)確的評估提供保障。通過實際算例測試，對評估系統(tǒng)進行驗證，為我國大功率柴油機自主設(shè)計評估體系形成提供參考。