船用柴油机研发与CAE技术的应用分析

摘 要：当前，在设计和研发船用柴油机的过程中，大都会用到计算机工程仿真（CAE）技术，其在国外的发动机行业中具有广泛应用，而我国对CAE技术的利用仍处于初级阶段。本文结合我国船用低速大功率柴油机的设计手段现状，探讨了CAE技术在制造船用低速大功率柴油机中的具体应用，望能为此领域研究提供切实依据。

关键词：低速柴油机;CAE仿真技术;设计手段

近年来，国际航运需求逐渐增加，而我国的船舶建造水平也得到了很大提升，极大的推动了我国造船行业的进一步发展。与此同时，也促进了船用柴油机行业的快速发展，尤其是船用低速大功率柴油机制造业。相比于世界先进国家，我国大型船舶的配套设备在国内市场中的竞争力仍较为低下。因此，为了提升我国造船行业的国际竞争优势，提高船用设备研制水平，需加强对船舶配套业的大力发展。而为了实现这一目标，需加强对船用低速柴油机设计手段的研究，并研发出新型的船用零部件制造技术。本文主要结合CAE技术展开探讨，提出了其在船用大功率柴油机研发过程中的应用价值。

1.船用低速大功率柴油机设计手段发展情况

1.1国内设计研究手段分析

针对我国船用大功率柴油机而言，其在具体设计上，尽管已有一些基础，但仍缺乏核心技术，而单纯从型号、规格、品种层面来考量，其仅能满足国内市场当中的部分装船需要，与造船技术相比较，设计工作存在一定滞后情况，尤其是低速柴油机的相关设计技术。此外，以许可证方式将Wartsila与MAN-B&W公司的设计技术引进到国内，在对大功率柴油机进行生产上，较之韩国、日本，我国不管是在制造技术上，还是在联合开发、二次开发上，均有着一定差距。诸如仿真分析技术、关键零部件技术等现代柴油机的核心技术仍未掌握，较之欧美等发达国家，仍然有着比较大的差距。经过近些年来的不断发展，我国尚未建立自主品牌，因此，国内在设计研究手段上，仍比较缺乏，设计技术仍需持续提升与优化。

1.2船用柴油机设计技术发展情况

传统的大功率传统柴油机设计方法，主要是以“经验设计”为基础，在产品还未制造前，难以对产品性能进行准确、全面把握与衡量，而且也难以知晓或发现所存在的设计曲线。只有制造出产品且开展全面试验验证，方能明确性能，知晓其中的不足，然后再进行深层化的设计与改进，即采用的是“设计-制造-测试-改进”的流程。针对此种设计流程而言，其往往对相关设计人员有着比较高的要求，除了总体性能难以得到切实保证之外，还有着较长的开发周期，以及比较大的投入。此外，产品在使用、维修期间的信息难以准确、实时、完整且快速的向设计人员反馈，这对于产品的改进以及新产品的开发造成影响。而针对现代设计理念与手段来讲，是基于全生命周期中（制造、使用维护等），大范围的采用现代信息技术，比如ERP、CAX等。在具体的设计阶段，通过开展数字化预测设计，能够帮助设计人员在设计过程中，对产品的预期性能进行全面了解。而在制造过程中，可以借助产品数据管理系统，得到设计阶段的全部数据，开展数字化制造。而在使用维护中，可以构建数字化的产品使用信息与维护网络，把各种信息向制造商、设计人员快速且准确的传送。借助数字化技术所构建的产品数据库与知识库，可以帮助设计人员及时改进或升级产品，因而可使产品的设计生产水平得到大幅提升，縮短研发周期，实现研发成本的降低，促进市场竞争力的提升。

1.3创建CAE仿真平台，提升设计水平

在较长一段时间内，我国在设计柴油机时，始终秉持二维的绘图方法，采用手工简单计算结合类推设计方法的方式，过度依赖试验。需要指出的是，手工简单计算与类推设计方法相结合，会造成设计质量对设计工程师的个人设计“感觉”有较大依赖性，缺少清晰、准确的设计评价依据与优化手段;此外，类推法在一些领域的具体应用上，存在明显受限，因而对发动机设计质量的总体提升造成不利影响，使我们的设计工作对试验的校核过度依赖。而对于传统的低速大功率柴油机来讲，通常体积比较大，在制造原型机时，不仅耗时且费能，有着比较长的周期以及较大的投入，因而会增加成本，延长设计周期。因此，需采取切实措施，将此些问题有效解决掉。

当前，CAE分析、三维绘图是比较常用的设计方法，尤其是CAE与CAD的应用，共同构建了先进且优质的虚拟样机设计平台。需要指出的是，通过CAE与CAD之间的深层交互，工程师在设计过程中，能够对采油机及其各个零件的性能进行预测，及早发现其中问题与不足，从而快速进行改进与优化。应用虚拟样机技术，有助于试验成功率的大幅提升，减少试验次数。这对整体设计质量的提升，以及设计周期的缩短、设计成本的减少，提供辅助与条件。因此，CAE乃是一个不错的设计工具，其能够为相关设计工作的开展提供助力。

2.CAE技术在船用低速大功率柴油机方面的应用

（1）分析各种零件的刚度、强度及动力学。包含诸如曲轴、活塞等运动件的系统非线性静力分析，以及大头盖、小头衬套、轴瓦的受拉、受压工况状态的失稳及非线性分析，除此之外，还有曲轴的动力、静力分析等。（2）热分析。主要包含燃烧室零件的瞬态温度场以及稳态分析，增压器与排气管的温度分析等。（3）流体动力学分析。在柴油机系统当中，有许多与计算流体力学（CFD）有关的气体流动优化问题、传热问题、多相流问题、流固热耦合问题及燃烧问题等。而在设计、优化柴油机系统时，其往往密切相关于CFD技术的应用，包含供油系统分析、排气道分析、燃烧室流体动力学模拟等。（4）运动学分析。主要包含阀门、曲柄连杆机构、凸轮结构等非线性运动的构件的运动学分析，以及链条、齿轮等系统的运动学分析。

3.结语

CAE作为一种设计柴油机的核心技术，在促进船用柴油机数字化设计水平的提高中，发挥着举足轻重的作用。针对现代CAE技术而言，其较好的适应了船用发动机设计分析方面的各种需求，因而在推动船用柴油机研发、制造中，发挥着不可替代的作用。

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作者简介：

张晓宁（1992.12）男，汉，广东省珠海市，当前职称：助理工程师，学历：本科，研究方向：轮机工程（陆上）.