CAE在船用柴油机研发中的应用 - 图文

CAE在船用柴油机研发中的应用 Application of CAE in the development of

marine diesel engine

黑道梦境间谍 指导教师: xxx

摘要：CAE技术在众多领域已得到广泛应用，本文将就CAE技术在船用柴油机连杆设计中的应用现状进行阐述,介绍并分析目前所采用的几种分析方法。通过对我国船用柴油机的研发现状以及CAE技术的需求分析，文在介绍我国船用低速大功率柴油机及其设计研究手段的发展现状的基础上，着重阐述了我国船用低速大功率柴油机制造企业引进和推广应用CAE技术的重要性、需求情况及应用范围，并对引进CAE技术的实施方法提出了建议，对CAE技术的应用前景作了展望。

关键词：CAE；船用柴油机；应用

1 船用低速大功率柴油机发展现状

随着国际航运需求和国内船舶建造水平的迅速提升，近年来我国造船业迎来了难得一遇的生产经营高峰期。这也相应地促进了船用柴油机行业，尤其是船用低速大功率柴油机制造业的较快发展。尽管如此，船用低速大功率柴油机制造业仍然满足不了国内船舶建造的配套需求。我国船舶工业与世界先进水平相比仍存在较大的差距，其中船舶设备配套能力是主要因素之一。目前国产船用设备的实际装船率平均不N5o％，尤其是一些大型船舶和高技术船舶的配套设备基本上依赖于国外，国产配套能力远远跟不上国内市场的需求，更谈不上抢占国际市场。

加快发展船舶配套业，是将我国建设成为世界造船大国的重要基础，是增强造船业国际竞争力的关键因素，是提高船用设备研制水平的重要途径。国际造船业的发展经验表明，以船用主机为代表的关键和重要的船用设备立足于国内配套，是一个国家的船舶工业稳定、健康发展的基础，也是一个国家进入世界先进造船国家行列的标志。

我国的船用低速大功率柴油机制造业已经有了长足进步。沪东重机有限公司和大连船用柴油机厂先后于2006年~2007年开发制造了7K-90MC．C和8K90MC．C大缸径柴油机，沪东重机有限公司2005年在国际排名中也已进入了前5名，但这些发展更多的只是体现在制造数量的变化上，并没能促进中国船用柴油机研究技术的快速提升。由于诸多因素的限制，现代船用低速大功率柴油机重要零部件的设计研究在国内基本上没有开展，柴油机零部件制造仍旧依赖于常规技术手段，这些因素都是导致国内大型船用柴油机的研制能力不足的重要原因。我国柴油机在设计周期、质量、成本及技术附加值，特别是自主知识产权产品的开发和技术创新能力等方面都依然与发达国家存在不小的差距，我们现在依然面临着韩国和日本船用柴油机制造业的巨大竞争压力。从长远来讲，这些因素都必将影响我国船用柴油机制造业未来在国内外市场中的竞争地位。

为了满足造船行业快速发展的需求，柴油机制造业必须同步或超前发展。因此，加大船用低速柴油机设计手段和零部件制造技术研究，提高国内设计开发能力和制造水平，以提升船舶工业整体配套能力和增强市场竞争能力就显得尤为重要。具体而言，就是需借鉴日韩两国在船用低速大功率柴油机制造技术和与设计公司合作开发方面的经验，掌握以计算机工程仿真(CAE)技术的应用为特征的先进设计手段，从分析研究设计方法入手，经过一个渐进的过程，最终实现自主研发船用大功率柴油机的目标。

2 柴油机研发对CAE技术的需求

同我国国内的汽车及机车等内燃机的研发情况相比，我国的船用高速大功率柴油机，主要是通过许可证引进设计的方式，实现其生产过程的。所以，如今CAE技术在船用柴油机研发过程中的应用，必须要考虑其侧重点，应重点对零部件及其子系统的改进，进行验证和优化，主要考虑如下方面的内容：

(1)对原来所设计易损件的工作进行分析，并对柴油机在使用过程中的故障进行诊断； (2)原有设计中由于信息的制造不全面，因而需要补充设计的组件或者零件；

(3)需对原来设计中，在工艺或者制造流程适应方面较差的零部件的设计进行改进，特别是大缸径柴油机；

(4)因市场供应及成本高等原因，需重新进行设计或改造，或是选用变更后的材料，进行零部件的校验；

(5)在此基础上进行经验的转化，通过对计算机技术的应用进行模拟，实现柴油机性能及其可靠性的提高，进而形成我国的研发技术。

3 CAE技术在船用柴油机研发的应用范围

(1)对强度、刚度及其动力学的分析。对此类的分析，主要包括了对诸如活塞、连杆及曲轴等运动件系统的非线性静力分析，以及对连杆、小头衬套、大头盖以及轴瓦受拉及其受压工况等状态的非线性及其失稳分析等等。

(2)热分析。主要包括了对燃烧室零件稳态及瞬态温度场的分析，对排气管及增压器温度的分析，对活塞汽缸盖所进行的温度场的分析等等。

(3)对流体动力学的分析。主要包括了对进排气道、供油系统，燃烧室流体动力学以及燃烧性能模拟、缸内喷雾及其燃烧、冷却系统流动阻力及其流道设计等方面的分析设计等。 (4)对运动学的分析。主要包括了对凸轮、曲柄连杆的机构、阀门及力矩补偿器等高加速度的非线性运动部件及其齿轮和链条等系统的分析。

(5)疲劳分析。主要包括了对曲轴及连杆等运动件疲劳寿命的评估，对管路及支架等受迫振动点疲劳寿命的分析，以及对排气阀及阀座的冲击疲劳的分析等。

(6)对电磁的分析。主要包括了对电控柴油机中，各控制电路板所存在的EMC问题，导线信号的屏蔽及其信号间的Crosstalk以及电磁阀的动作等方面的分析。

(7)对耦合场的分析。主要包括了对燃烧室及增压器流体、热及其结构耦合的分析，以及对中冷器热及其流体耦合的分析。

4船用柴油机连杆分析类型及其适用范围

4．1 连杆静强度分析

在连杆设计中，最基本的要求是保证连杆本体的强度、刚度和疲劳寿命。连杆静强度分析以最严酷的工况为考察目标，主要考虑连杆压缩冲程上止点和排气冲程上止点这两个极限工况，得到连杆杆身应力、各装配件之间的接触压力、变形分布，并根据此工况组合计算疲劳安全系数。该方法的缺点在于计算结果与连杆真正的应力状态有一定的差距，对连杆疲劳的评估不够精细全面，优点在于计算复杂程度较低，易于快速实现，其结果能满足设计基本要求，是目前设计过程中最有效的分析方法。胡玉平等 采用三维接触建立连杆精细模型，通过约束方程和节点自由度耦合建立接触对传递载荷和模拟过盈，采用加速度、角速度施加

惯性载荷，采用ANSYS软件完成求解。该分析考虑因素齐全，边界处理接近实际情况，分析精度达到较高水平。

4．2 连杆动响应分析 连杆动响应分析是静态分析的补充和发展，理论上可以考虑动力放大系数的影响，求得连杆工作状态下的交变应力，提高连杆疲劳强度分析的精度，并且可开展运动副之间EHD耦合分析 。王有智等对连杆的瞬态响应进行了分析 J，得到连杆每个部位的应力随时间变化结果并评估其疲劳寿命。目前常用的做法是采用动力学软件对缩减自由度的连杆子结构模型进行分析并计人大端润滑油膜的影响因素，然后采用有限元软件进行动应力恢复，得到全周期连杆动应力分布，将此结果作为连杆疲劳分析的输入，计算得到全周期连杆疲劳强度分布结果。根据疲劳分析结果得到连杆最危险工况点，考虑预紧载荷和油膜效应，进行静力学分析，将该静力学分析结果与连杆装配工况组合进行疲劳强度分析，完成连杆强度校核。该方法的优点在于模拟连杆真实运动和工作状态，连杆全工作周期疲劳强度模拟更为准确，可用于连杆的精细优化和疲劳寿命评估。缺点在于计算过程复杂，受到计算规模的限制，需要进行较多简化处理。因此在一般情况下，仅在需要精确确定连杆载荷和应力状态的时候才采用。

4．3 连杆可靠性分析 在连杆分析中引入可靠度的概念。在分析时，考虑各参量的随机性，理论上更符合实际产品的统计结果，适用于规模生产连杆的强度评估。将有限元分析、可靠性分析、优化设计相结合开展探索性研究；崔毅等 结合试验数据统计分析，开展连杆可靠性分析研究；根据可靠性基本原理，建立了连杆疲劳强度可靠性的计算模型，对某连杆进行了分析。进行可靠性分析时需考虑众多参数的统计分布规律，需进行大量的试验测试，对于规模化生产的企业，可进行专项研究。但在缺少统计规律的情况下，不易在工程上采用。

4．4 连杆优化设计

在分析阶段可根据不同的设计目标进行连杆结构优化设计。由于连杆设计参数众多，参数之间关联度大，确定设计变量难度较大，设计变量约束条件复杂。因此，可以将连杆的优化设计分为两类，其一，对连杆主要设计参数进行优化。定义了大端外圆直径、杆身厚度、杆身宽度等六个总体尺寸，并进行了灵敏度分析及结构优化。其二，为局部变量的设计优化。等以杆身过渡区的两圆弧半径尺 和 和小头与杆身交线的圆角r为设计变量进行了灵敏度分析及优化。

4．5 特定目的分析

在大多数情况下，连杆分析时会采用一些不影响全局结果的简化手段，如简化螺纹等详细结构。但在螺纹部位的故障诊断分析中，则需要制定特殊的分析流程，如采用子模型法建立详细的螺纹模型进行分析 ，还原其真实工作状态。此类分析，由于其分析目的、对象和分析方法具有很强的针对性和特殊性，一般不归人正常的设计过程。总结以上连杆分析类型，在船用柴油机连杆设计中，静态强度分析仍占主导地位，辅以少量的连杆动响应分析，必要时可对连杆进行单目标、少量参数的优化设计分析。在特定目的分析时，还可以配合采用其

他的分析技术。

5 船用低速大功率柴油机的设计研究手段发展

5．1 国内外设计研究手段比较

1990年代，随着信息技术的发展，国外柴油机的研发模式发生了根本性的转变，由“试验设计”逐步转变为“预测设计”(图1)，从而可以在较短的时间内开发出具有世界先进水平的柴油机。例如，德国MTU公司595系列柴油机的研制周期为9年，而MTU8000系列柴油机采用“预测设计”研发模式，大大减少了反复验证的时间，使得研制周期缩短至3年半。这主要得益于先进的设计及分析软件体系，如柴油机三维设计软件、柴油机性能分析软件、柴油机零部件强度计算软件等的开发和应用。

世界著名的船用低速大功率柴油机专利持有者——丹麦的MAN．B&W~n芬兰的Wartsilti公司，基本垄断了大功率低速柴油机的设计开发。他们主要靠出售专利和技术服务，而不是靠生产产品获取收益，因此处在市场竞争的上游。之所以能做到这点，是因为他们具有很强的设计开发能力，能够运用现代的CAE仿真分析方法，如柴油机三维设计软件、柴油机性能分析软件、柴油机零部件强度计算软件等，结合先进的实验手段，对船用大功率低速柴油机的性能进行全面的研究，并进行“预测设计”，在产品未制造之前就掌握产品的性能，从而很快生成系列化的船用低速柴油机产品制造加工数据库，并以专利的形式出售。

日本、韩国船用大功率柴油机的设计、制造走的是“引进一消化吸收一二次开发一联合开发(自主开发)”的道路。在引进专利的同时投入了大量的人力和资金为解决制造问题进行一些二次开发，期间还运用了大量的现代仿真分析方法，进行柴油机关键零部件的研究与“预测设计”，从而在较短的时间内掌握了船用低速大功率柴油机的关键技术。目前他们已进入与MAN．B&W和Wlinsil萏公司联合开发的阶段，而且日本拥有的自主品牌船用大功率UEC系列低速柴油机已成为世界船用低速机品牌之一。

我国船用大功率柴油机设计虽具有一定的技术基础，但核心技术仍然匮乏，就品种、规格和型号等方面而言，只能满足部分国内市场的装船需要，设计技术特别是低速柴油机设计技术滞后于造船技术的发展。同样以许可证方式引进MAN．B&W和Wlinsi1a公司的设计，在生产大功率柴油机方面与日本和韩国相比，我们无论在制造技术还是在二次开发、联合开发等方面都存在着明显差距。现代柴油机的关键设计技术如仿真分析技术、虚拟制造技术等还没有掌握，关键零部件的加工技术研究与世界先进水平相比同样差距不小。经过近30年的开放和引进，我们还没有培育出成功的自主品牌。

一

5．2 船用柴油机设计技术发展

大功率船用柴油机传统的设计方法是基于“经验的设计”，在产品制造出来之前无法准确把握产品的性能，无法知道设计的缺陷。只有将产品制造出来并进行试验验证才能知道其确切的性能和不足，然后再改进设计，如此进行“设计一制造一测试一改进”循环。这样的设计方法，对设计人员的经验要求非常高，不仅不能保证总体性能，而且开发周期长，投入大。另外，产品在使用维修过程中的信息无法完整、准确和快速地反馈给设计人员，不利于产品的改进和新产品的开发。

而现代设计理念和手段是在设计、制造、使用维护的全生命周期内，广泛运用现代信息

技术

(CAX、PDM、ERP)。在设计阶段进行数字化预测设计，使设计人员在设计阶段就能够详细了解所设计产品的预期性能，并根据性能要求对设计进行改进和优化。在制造阶段，能通过产品数据管理系统直接获得设计阶段的所有数据，进行数字化制造。在使用维护方面，能够建立数字化的产品使用信息和维护网络，将信息完整、准确、快速地反馈给制造商和设计人员。

由数字化技术建立的产品数据库和知识库，能够使设计人员及时对产品改进升级或开发新产品。现代设计技术能提高产品的设计制造水平，缩短研发周期，降低开发和维护费用，大幅提高市场竞争力。

5．3 建立CAE仿真平台，提高设计手段和能力

长期以来，我们的柴油机设计一直承袭二维的绘图手段，类推设计方法和手工简单计算相结合的方式，并且对试验过度依赖。类推设计方法和手工简单计算的结合导致设计质量极大地依赖于设计工程师个人的设计“感觉”，缺乏准确清晰且可传承的设计评价依据和优化手段，况且类推法在某些领域的应用会受到限制，从而影响发动机设计的整体质量，使我们的设计过度依赖试验的校核。而船用低速大功率柴油机都很大，原型机制造费能耗时，周期长，投入大，给整个设计的周期和成本的控制带来困难。另外，对试验中发现的问题的根源的判断，经常感到非常困难，如果仅仅依赖于工程师个人的经验，往往会给设计问题的修正带来实际困难和解决问题的随意性。

三维绘图、CAE分析、少量试验是目前国外普遍使用的设计手段，CAD和CAE技术构成了整个虚拟样机设计平台。通过CAD与CAE的交互，工程师在设计阶段就可以预测所设计的整个柴油机及其零部件的各方面性能，发现问题的根源，进而迅速改进和优化设计。虚拟样机技术的应用，可以大大提高试验的成功率，减少试验次数，甚至可以省略某些试验。这就极大地提高了整体设计的质量、缩短了设计周期、节约了设计成本，所以CAE作为一个有效的设计工具，在整个设计流程中的引入和加强，会给设计手段带来革命性的变化。

综上所述，CAE技术应用的重要性主要体现在以下3个方面：

(1)CAE 极大地缩短了柴油机的开发研制周期。由于CAE技术可以大大减少物理样机的实验次数，因此可以极大地缩短研制周期。

(2)减少开发研制费用。相对于物理样机实验而言，利用CAE分析柴油机整体及零部件的各种性能所需要的费用大幅减少。

(3)保证柴油机达到所期望的性能，并有利于通过优化等手段开发出结构更为合理、造价更为经济、性能更为优越的柴油机。

CAE作为一项非常成熟的计算机仿真分析技术，已经在国外发动机行业应用得相当普遍。如今全球所有著名造船企业以及所有能独立进行船舶柴油机设计研发的机构，无一例外地在柴油机开发设计过程中，大量运用CAE软件进行柴油机零部件的强度／N度计算、疲劳寿命预测、燃烧室流体动力学等分析。CAE已经成为柴油机设计链中必须的常规，没有CAE分析的设计不能进入下一个技术流程。

近20年来，国内相关行业和企业也意识到CAE的重要性，开始利用CAE对关键的零部件进行一些简单的分析，并且已意识到CAE技术分析的重大作用。但由于资金、人力等投入的力度不够，以及实施时间过短等原因，导致CAE应用的广度、深度，以及分析规范与评价标准的建设方面还亟待较大的发展。

5 结语

总之，针对我国船用柴油机的研发现状，加强CAE技术在船用柴油机研发过程中的应用，能够准确把握船用柴油机研发过程中的信息需求，提高高质量的技术支持，有效提高我国船用柴油机的研发和制造水平，更好地满足我国船舶制造业对于配套设备的发展需求，这对我国船舶制造业的更好发展是非常有利的。

参考文献

1.关于船用柴油机研发及CAE应用的分析 程德彬 《装备制造技术》 2012年第8期

2.CAE技术在船用柴油机连杆设计中的应用现状及发展方向 李全 陈志忠 《柴油机》 2012年第6期 3.船用柴油机研发与CAE技术的应用 张坚 《上海造船》 2009年第1期

4.PDM构架下的船用柴油机CAD／CAE／CAPP集成技术研究 冯明志 徐百灵 陈亚杰 李高健 《柴油机》 2006年第5期

5.船用增压四冲程柴油机曲柄连杆机构动力学仿真 乔英志 黄加亮 《船海工程》 2013年第1期 6.船用柴油机曲轴疲劳分析 张琳 《中国水运》 2010年第9期

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