关于船用柴油机研发及CAE应用的分析

程德彬

（海军驻洛阳四零七厂军事代表室，河南 洛阳 471039）

作为船舶最重要的配套设备，船用柴油机的发展一直都同我国船舶行业的发展息息相关。但是，作为一个世界造船大国，我国的船用配套设备制造业的发展同国外相比，仍有很大的差距。有鉴于此，有必要借助于CAE技术，提高我国船舶柴油机的研发水平。

近些年来，国内的造船业迎来了生产经营的高峰期，因而同时也促使了柴油机制造行业的发展，特别对于高速大功率的船用柴油机而言，更是如此。但是应当注意的是，虽然如此，其发展仍无法满足我国船舶制造业对于配套设备的需求。同世界先进的船舶制造水平而言，我国船舶行业的研发水平，仍存在着很大的差距。因此，加快发展船用柴油机等相关船舶配套业，已经成为世界造船大国的一个重要基础之一，更是提高造船业国际竞争力的主要挑战之一。

1 我国船用柴油机的研发现状

我国船舶配套设备，虽然已在国际前几名的行列中，但是，这些发展仅仅体现在制造量方面的改变，并不代表中国船用柴油机的研发水平的迅速提升。多方面因素的限制，导致我国现代船用高速大功率柴油机并未在我国正式开展起来，我国柴油机零部件的制造，仍是依靠常规的技术来实现的，因而导致我国大型船用柴油机研发能力的严重不足。

因此，为实现造船业的快速发展，柴油机的研发必须首先发展起来。不断加大对船用高速柴油机的研发力度，提高我国船用柴油机的制造水平，进而增强船舶业的整体配套能力及市场竞争力。

我国船用柴油机，要想真正实现长足的发展，必须先对日韩两国船用高速大功率柴油机的研发技术进行借鉴，同时根据我国的具体情况，采用先进的CAE设计技术，将分析研究设计方法作为切入点，逐渐实现我国船用柴油机的自主研发的最终目标。

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 船用柴油机和虚拟样机研发的平台建设

通常来说，船用柴油机和虚拟样机研发过程中的平台建设，主要分为3个阶段：

4.1 基本能力建设阶段

其主要的内容包括所购置软件的装机，初高级培训及项目的领航等内容，此阶段需要达到的目标如下：

（1）对船用柴油机研发所需的CAE工具进行全面的分析；

（2）通过培训初步实现企业分析队伍的建设，主要包括了分析专家层、执行层及人员层的建设；

（3）进行产品开发所需的基本CAE分析技能及其初步分析流程的建立；

（4）结合项目领航进行初步CAE分析规范的建立。

此阶段作为整个项目的基础，必须引起足够的重视，培训相关人员应具备足够的CAE能力，因此应对培训品质进行严格的控制。参与培训的相关人员，应能够达到培训课程所需的所有达标考试，并进行等级划分。建立考评制度，对相关培训人员的学习情况进行监督，同时及时针对考评效果调整培训课程，以确保培训的效果。

4.2 资源设计整合阶段

此阶段主要是要通过各种同设计分析有关的CAD、CAE、CAT等工具，以及不同的设计资源，进行整合，并借助于流程管理平台，对虚拟样机的研发流程进行定义，以实现协同虚拟样机开发平台的形成。此阶段需要实现的目标如下：

（1）实现不同设计工具之间CAE有关数据的顺畅流动；

（2）实现CAE有关数据最大限度的共享；

（3）对不同的设计角色，进行职责的定义及其规划；

（4）制定以CAE为驱动的设计流程；

（5）实现客户化软件的开发；

（6）实现设计开发、流程管理平台同PDM的集成。

此阶段作为虚拟样机数字化研发平台实施过程中的核心阶段，需进行大量同企业及船用柴油机研发设计相关工作的进行，同时还需各个领导层的大力支持及其协调。

4.3 分析规范及其评价标准的建立阶段

此阶段主要是进行船用柴油机的整体及其各个零部件的逐个总结及其审核，并根据试验及其加工制造、行业或国家标准及其反馈等方面的数据，进行分析规范及其评价标准的建立。

主要任务包括：

（1）分析规范框架及其档案管理方案的建立；

（2）分析档案详细计划的建立；

（3）模型化知识库的建立；

（4）专用分析程序的形成及其在CAE工作平台中的固化；

（5）高级分析模板的建立。此阶段品质控制相当重要，一旦出现错误和疏漏，必将为设计带来难以估计的损失，因此，必须对其品质进行严格把关。对每种规范，都必须进行一定数量的事实例证作为依据。

5 结束语

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。

[1]冯明志，徐百灵，陈亚杰，等.PDM构架下的船用柴油机CAD／CAE／CAPP 集成技术研究[J].柴油机，2006，28(5)：1-2.

[2]冈野幸雄，李文勇.CAE在提高柴油机可靠性方面的应用[J].国外内燃机车，1994，(8)：45-51.

[3]张 坚.船用柴油机研发与CAE应用[J].沪东中华技术情报，2008，(2)：40-44.

[4]张 坚.船用柴油机研发与CAE技术的应用[J].上海造船，2009，(1)：33-36.

[5]张运泉，沈 捷，杨 剑，等.采用CAE分析柴油机冲缸垫与机体顶面变形大故障[J].柴油机，2009，31(6)：34-37.

[6]李树生，李林科，杨加成，等.CAE在柴油机设计开发中的应用[J].铁道机车车辆，2011，31(B10)：120-123.