数字化设计技术在船用柴油机设计中的应用 (1)

第２８卷（２００６）第６期柴油机ＤｉｅｓｅｌＥｎｇｍｅＶ０１．２８（２００６）Ｎｏ．６；？蔷藉赢：ｉ．？二二：二：：：：二二：二二：：：：：：：：：？

数字化设计技术在船用柴油机设计中的应用

刘子强。冯明志，李丽婷。李全，陈登（七一一研究所，上海２０００９０）摘要：重点开展了船用柴油机数字化设计关键技术研究，主要包括：柴油机数字化定义、典型关重件参数化设计、零部件可重用模型、柴油机功能化数字样机、燃烧系统多学科优化、柴油机数字化装配等。形成船用柴油机三维数字化设计能力，从而缩短柴油机典型关重件研发周期。关键词：数字化设计；船用柴油机；关重件中图分类号：ＴＫ４２１文献标识码：Ａ文章编号：１００１．４３５７（２００６）０６．０００８．０３

ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＤｉｇｉｔａｌＤｅｓｉｇｎｉｎＭａｒｉｎｅＤｉｅｓｅｌＥｎｇｉｎｅ

ＬＩＵＺｉｑｉａｎｇ。ＦＥＮＧＭｉｎｇｚｈｉ。ＬＩＬｉｔｉｎｇ，ＬｌＱｕａｎ，ＣＨＥＮＧＤｅｎｇ

（ＳｈａｎｇｈａｉＭａｒｉｎｅｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｒｅｓｅａｒｃｈｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２０００９０）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｄｉ百ｔａｌｄｅｓｉｇｎｏｆｍａｒｉｎｅｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅａｒｅｃａｒｒｉｅｄｏｕｔａｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｔａｓｋ，ｗｈｉｃｈ

ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ：ｄｉｇｉｔａｌｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｏｆｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ，ｐａｒａｍｅｔｅｒｄｅｓｉｇｎｏｆｔｙｐｉｃａｌｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｒｅｕｓａｂｌｅｍｏｄｅｏｆｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｄｉｇｉｔａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅ，ｍｕｌｔｉｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｎｄｄｉｇｉｔａｌａｓｓｅｍｂｌｉｎｇｏｆｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ．

Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｓｅｗｏｒｋ，３Ｄｄｉｇｉｔａｌｄｅｓｉｇｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆｍａｒｉｎｅｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｃａｎｈｅｌｐｔｏｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅＲ＆Ｄｃｙ－

ｃｌｅｏｆｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ’Ｓｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌｄｅｓｉｇｎ；ｍａｒｉｎｅｄｉｅｓｅｌｅｎｇｉｎｅ；ｋｅｙｃｏｍｐｏｎｅｎｔ

１引言

柴油机数字化设计技术应用主要包括：二、三维计算机辅助设计（ＣＡＤ），计算机工程分析（ＣＡＥ），发动机整机虚拟设计和动态仿真，逆向设计工程，计算机辅助试验（ＣＡＴ），柴油机热力性能、排放、振动噪声、流体流场的计算分析和仿真，零部件快速成型制造，产品数据集成化管理，柴油机和电子控制系统的仿真等。柴油机设计是典型的复杂机电系统设计，其数字化设计技术涵盖了流体力学、热力分析、燃烧学、结构动力学、控制理论等多个学科的计算机辅助设计、辅助分析、仿真模拟及可视化等多方面的内容。柴油机的“传统设计”主要采用“设计—试验—修改设计一再试验”这种多次反复的方法，一个型号发动机的开发一般需要十年的时间，耗费巨大。目前，国外应用数字化设计方法，实现了在设计阶段前瞻性地对产品设计、制造、使用全周期进行定量分析，避免了实物样机反复进行的试制、试验、修改过程，节省大量的研发经费，大幅度缩短开发周期。德国ＭＡＮＢ＆Ｗ公司的ＲＫ２８０柴油机开发采用预测设计，其核心思想是将设计、分析、制造乃至管理和服务进行集成，实现１００％的数字化产品描述，通过数字模型有效实现产品可靠性的分析、评估、控制和增长，从而减少物理原型和试验，达到快速进入市场。目前，我国船舶柴油机的研发、生产制造已具有一定的基础，具备了一批科研、开发、试验、制造等基础设施条件。表现在各研发机构和生产部门在单项上基本积累了初步的研发、制造经验，引进了一些较为先进的计算设计仿真软件。但是，由于国内研发体系起步较晚，技术深度不足，总体技术水平较差。本研究重点：开展数字化设计技术在船用柴油机应用的关键技术研究，形成船用柴油机三维数字化设计能力，缩短柴油机典型关重件研发周期。２船用柴油机数字化设计船用柴油机数字化设计研究方向包括：柴油机数字化定义、典型关重件参数化设计、零部件可重用模型、柴油机功能化数字样机、燃烧系统多学科优化、柴油机数字化装配。

　万方数据２００６年１１月刘子强等：数字化设计技术在船用柴油机设计中的应用２．１柴油机数字化定义柴油机数字化定义如下：柴油机数字化是指面向柴油机产品数据管理，以计算机辅助技术为基础，用数字化的形式“虚拟地”设计新产品，并在制造实物原形之前在计算机中对柴油机的形式、配合和功能进行评审，完成新型柴油机设计的过程。柴油机数字化定义包含了柴油机从概念设计、技术设计、施工设计到制造的全过程。工程师在计算机上建立完整的柴油机三维数字化产品模型，用这些数字化模型对柴油机进行设计、评估、修改和完善，直至完全符合设计要求。这种用数字状态下的仿真分析尽可能多的代替传统的实物试验，然后再对原设计重新进行组合或者改进，从而使新型柴油机的开发只需制作少量的实物模型。２．２典型关重件参数化设计曲轴、连杆、活塞是柴油机核心部件，也是在内燃机设计中质量要求最高的部件，为了在概念设计阶段设计出满足性能要求的关重件，反复是一个经常的过程。典型关重件参数化设计就是把柴油机的几个关重件尺寸归纳为几十个参数和参数之间关系。这样，设计人员只要输入几组数据几分钟内就能把头脑中构想的方案立体地反映在屏幕上，而通常即使是对结构与软件十分熟悉的设计人员也至少花费一周时间，因此大大提高了工作效率。以某机关重件为样板模型，利用Ｐｒｏ／Ｔｏｏｌｋｉｔ，对Ｐｒｏ／Ｅｎｇｉｎｅｅｒ的界面和菜单进行二次开发，通过在开发出的对话框中输入所需数据，得到符合要求的三维实体模型（如图１）。图１参数化设计界面开发的样板模型基本能满足设计者根据需要来设计柴油机的关键零部件。２．３零部件可重用模型零部件可重用模型的构建主要有两种方式：一种是参数化建模，另外就是标准件模型。标准件库的使用可以减轻建模的工作量，同时也可以方便地实现根据装配要求更换零件，减少模型占用空间，实现模型资源的共享。标准件库中除了包括一般的国标件、部标件外，还应包括企业内部的通用件。对某柴油机中所使用的国家标准、机械部标准零件进行统计与分类，将这些零件在Ｐｒｏ／Ｅ系统中建立标准零件库。该库共有零件１６６件，分为４３个系列，具有快速查找、生成、更新、扩充功能。如管接头三维实体，见图２。

图２标准件三维实体２．４柴油机功能化数字样机在柴油机设计过程中，每一个运动零部件包括活塞连杆组、凸轮摇臂组均经过分析优化，但并不一定能保证整个运动系统的性能是良好的。因此需要对运动零部件进行动力学分析，建立机械运动的数字化柴油机功能样机，通过判断各运动副输出的数据，来精确预测零部件的运动性与可靠性。柴油机功能化数字样机主要指曲柄连杆机构的刚柔混合多体系统动力学分析，即分析曲轴的变形与受力在周期性变化的燃气压力和运动构件质量惯性力作用下的变化情况。曲轴．连杆．活塞机构多刚体模型见图３。分析的方法是：首先，把曲轴和曲轴支撑实体模型柔性化，运用软件进行模态分析，生成柔性体系统动力学计算所必需的曲轴和曲轴支撑的模态信息文件，即得到各阶模态；然后，将上述所得的模态信息文件导入ＡＤＡＭＳ中，添加相应的运动副和载荷，设置初始条件，即可进行柔性体动力学仿真；最后，分析仿真结果，得到各个时刻曲轴各点处的应力情况，以此来评价曲轴的可靠性。２．５燃烧系统多学科优化柴油机主要部件往往处于应力场和温度场等多物理场的作用之下，为保证提高柴油机的动力性、经济性和排放指标，需要引入燃烧系统的多学科优化。

　万方数据柴油机第２８卷第６期图３曲轴一连杆一活塞机构多刚体模型基于柴油机的设计过程，性能软件ＢＯＯＳＴ对柴油机进行性能分析、建模软件ＰＲＯ／Ｅ对计算模型建模、流体软件ＳｔａｒＣＤ对燃烧室进行温度与流场分析、结构软件Ａｎｓｙｓ对结构进行有限元分析，以上过程的计算数值均与多学科优化软件ＩＳＩＧＨＴ相结合，仿真结果得到一个多方面优化设计。这对一个新型柴油机的设计是至关重要的。优化运算过程监控见图４。该性能数据与真实的物理样机的试验数据十分吻合，并且为该机进一步提高指标提供坚实的技术支持。

图４优化运算过程监控２．６柴油机数字化装配柴油机的零部件众多，因此在实际零部件装配过程中易出现零件间的干涉，甚至无法安装。柴油机数字化装配就是对关重件三维模型进行数字化装配，来检测装配的可视性、可达性与可维护陛，从而为实际的零部件装配提供一定的指导作用。在数字化装配过程研究中采用“变装为拆”的数字化装配思想。首先，在商用ＣＡＤ系统中建立产品的装配模型；然后，对ＣＡＤ系统生成的装

配模型（包括零件模型及其装配体中的最终位置、装配约束关系、装配层次关系）通过数据转化到数字化环境中，对数字化环境中的装配模型进行

人工拆卸操作，根据拆卸过程中产生的拆卸顺序与拆卸路径并基于“可装即可拆”的假定，获取产品的拆卸路径；最后，在以“变装为拆”的装配过程模式中，利用ＣＡＤ系统装配建模提供的装

配约束关系进行运动导航，即数字化拆卸过程中根据零件所受的装配约束拆卸零件的可自由移动方向，并将零件的初始拆卸方向强制为其自由移动的方向，直到零件与其约束零件完全脱离。图５为连杆拆卸过程无效路径的表示。

图５连杆拆卸过程无效的路径在利用专业软件对某柴油机关重件三维实体在计算机上进行的装配过程，拆卸过程的记录可得到关重件装配过程。该记录可以对零部件装配性进行评价，优化装配路径，从而缩短装配时间，为实际的装配过程提供一定意义上的指导作用。

３结论数字化设计技术是实现大型复杂装备系统快速研制的必要手段。本研究对数字化设计在船用柴油机设计中的技术进行深入研究，并将该技术应用于某型柴油机的研发中，这对船用柴油机实现设计、制造的集成，缩短柴油机研制周期，降低研发成本，实现我国船舶工业跨越发展有着一定的推动作用。参考文献【１】陈大荣．船舶内燃机设计［Ｍ】．上海交通大学出版社．１９９１．［２］邵毅，张开富．飞机数字化产品开发（Ｊ】．航空制造技术，２００２（２）：２６－２９．【３】程凯．面向产品并行设计的虚拟装配技术在飞机设计中的应用［Ｊ】．航空制造技术，２００１（４）：２６—２８．［４】张俊红，程晓鸣，郑勇．柴油机曲轴动态疲劳强度分析［Ｊ］．拖拉机与农用运输车，２００５（６）：１６．６８．［５］俞新陆．产品级三维参数化设计系统的研究与开发［Ｊ】．计算机辅助设计与图形学报，２００１，１３（１１）：１０１２－１０１８．

［６］杨旭，张欣等．缸内气体流动的模拟分析［Ｊ】．北方交通大学学报，１９９７，２１（５）．