沪东重机CAE推广及应用技术研究

1 前言：船用低速大功率柴油机发展现状

    随着国际航运需求旺盛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，相应的也促使了船用柴油机行业，尤其是船用低速大功率柴油机制造以较快的速度发展，尽管如此，但还是满足不了国内船舶建造的配套需要。我国船舶工业同世界先进水平相比仍存在较大差距，其中船舶配套设备能力是主要因素之一，国产船用设备的实际装船率平均不到50％，尤其是在一些大型船舶和高技术船舶配套上基本依赖国外，国产配套的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，是提高船舶装备研制水平的重要途径。国际造船业的发展经验证明，以船用主机为代表的关键和重要的船用设备基本立足国内配套，是一国船舶工业稳定、健康发展的基础，也是进入世界先进造船国家行列的标志。

    我国船用低速大功率柴油机的制造有了长足进步，沪东重机股份有限公司(以下称：沪东重机)和大连船用柴油机厂先后于2006年和2007年开发制造了7K90MC-C和8K90MC-C大缸径柴油机。以沪东重机为代表的船舶配套企业在国际排名上已进入了前五名，但这些发展更多的只是体现在制造数量上的变化，没能促进中国船用柴油机研究技术的快速提升。由于诸多方面因素的限制，现代船用低速大功率柴油机重要零部件的设计研究在我们国内基本上没有开展过，柴油机零部件制造仍旧依赖常规技术手段完成，这些因素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与发达国家依然存在不小的差距，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，必将影响我国船用柴油机制造业未来在国内外市场竞争地位。

    因此，为满足造船行业快速发展，柴油机制造业也必须同步或超前发展。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显得尤为重要。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，最终实现自主研发和设计船用大功率柴油机的目标。

2 船用低速大功率柴油机的设计研究手段发展

    2.1 国内外设计研究手段比较

    20世纪90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，己由“试验设计”逐步转变为“预测设计”，如图1所示，可以在较短的时间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”研发模式后，大大减少了反复验证的时间，使得其研制周期缩短至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。

    图1 “预计设计”的基本过程

    世界著名的船用低速大功率柴油机专利持有者是丹麦的MAN-B&W和芬兰的wartsila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，处在市场竞争的上游。之所以能做到这一点，是因为它们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-消化吸收-二次开发-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”，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，目前已走到与MAN-B&W和Wartsild公司联合开发阶段。日本已拥有了自主品牌的船用大功率UEC系列低速柴油机，是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，设计工作滞后于造船技术的发展，特别是低速柴油机设计技术。在引进MAN-B&W和Wartsila公司的专利生产大功率柴油机方面，与日本和韩国相比，无论制造技术和二次开发明显处于劣势。我们的设计开发能力和国外相比还有很大的距离，经过20多年的开放和引进，我们还没有培育出成功的自主品牌，现代柴油机的关键设计技术如：仿真分析技术、虚拟制造技术还没有掌握，关键零部件的设计加工能力，与世界先进水平相比还存在较大差距。

    2.2 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实验验证才能知道其性能和不足，然后改进设计，如此进行“设计-制造-测试-改进”循环。这样的设计方法，对设计人员的经验要求非常高，并且不能保证总体性能，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，并进行数字化制造。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，能够将信息完整、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，使设计人员能够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，大幅提高市场竟争力。

    2.3 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承袭2D的绘图手段，类推的设计方法和手工简单计算的结合，以及对试验的过度依赖。类推的设计方法和手工简单计算的结合导致设计的质量极大的依赖设计工程师个人的设计“感觉”，缺乏准确清晰且可承传的设计评价依据和优化手段，且类推法在某些领域的应用会有所限制，如流体方面，这就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，原型机制造费耗能，时间长代价大，这给整个设计的周期和成本的控制带来困难。另外，对试验中发现问题的根源的判断，经常感到非常困难，依赖于工程师个人的经验，这又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，使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。通过虚拟样机(Virtual Prototype)技术的应用，可以大大提高试验的成功率，减少试验次数，而且某些试验甚至可以省略。这就极大的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丁具，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，许多国外公司也把其公司的CAE应用范围和CAE分析规范和评价标准作为其核心技术进行保护。

    综上所述，CAE技术应用的重要性主要体现在以三个方面：

    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。

    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。

    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，国外已经在发动机行业应用得相当普遍。如今全球的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，大量地运用CAE软件进行柴油机零部件的强度/刚度计算、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。

    近二十年来，国内相关行业和企业意识到CAE的重要性，开始利用CAE对一些关键的零部件进行一些简单的分析，感觉到利用CAE技术分析的重大作用。但是由于资金、人力等投入的力度不够，以及实施的时间过短等原因，导致CAE应用的广度、深度、及分析规范与评价标准的建设方面还亟待较大的发展。

    为了进一步提高沪东重机产品设计验证能力、研制生产能力和科技创新能力，增强行业竞争力，这就需要引进计算机工程仿真技术(CAE)和推广应用来辅助柴油机产品的研究与设计。

3 沪东重机引进CAE的需求和应用

    3.1 沪东重机引进CAE的需求

    与国内汽车、机车用内燃机自行设计的现状相比，沪东重机的大型低速柴油机以许可证方式引进专利进行生产为主，因此，目前CAE系统的应用考虑更侧重于零部件和子系统的改进验证和优化，包括以下几个方面：

    (1)原设计中容易损坏的部件的故障诊断和分析；

    (2)原设计中图纸不全，需要自己补充设计的组件，如支架和管系等；

    (3)由于加工能力不足或原设计导致生产效率低下等原因需要重新设计的部件，特别对于大缸径柴油机；

    (4)由于成本、供货等原因需要重新设计，或材料工艺等参数变更后零部件的校验；

    (5)在此基础上，进一步通过模拟计算提高自身的研发能力，将工程技术人员的经验转化到设计系统的知识系统中，通过优化计算，提高柴油机性能参数和可靠性、降低重量。

    3.2 沪东重机引进CAE的应用范围

    a.各种零部件的强度、刚度、动力学分析

    这一类的分析包括运动件(活塞，连杆，曲轴)的系统非线性静力分析，连杆及小头衬套，大头盖及轴瓦的受拉和受压工况的状态非线性分析和失稳分析，曲轴的静力和动力分析，机体及整机的模态分析，燃烧室、增压器相关部件的高温蠕变分析等。

    b.热分析

    包括燃烧室零件的稳态或瞬态温度场分析，排气管和增压器的温度分析，活塞、气缸盖的温度场分析等。

    c.流体动力学分析

    柴油机系统中存在着大量的与CFD相关的气体流动优化问题、多相流问题、燃烧问题、传热问题、流固耦合问题、流固热耦合问题。柴油机系统的设计及性能的优化与CFD技术的应用密切相关。主要包括进、排气道气道分析，供油系统的分析，燃烧室流体动力学和燃烧性能模拟，缸内喷雾和燃烧，发动机水套冷却，冷却系统流动阻力和流道设计分析等。

    d.运动学分析

    包括凸轮机构、曲柄连杆机构、阀门、力矩补偿器等具有高加速度非线性运动的部件，以及齿轮、链条等系统。

    e.疲劳分析

    包括曲轴、连杆等运动件的疲劳寿命评估，管路、支架等受迫振动点的疲劳分析，排气阀和阀座的冲击疲劳。

    f.电磁分析

    包括电控柴油机各个控制电路板的EMC问题，导线的信号屏蔽，信号间的crosstalk，电磁阀动作。

    g.耦合场分析

    包括燃烧室、增压器的流体、热、结构的祸合，中冷器的热和流体耦合等。

4 沪东重机引进CAE的实施考虑

    现正开始实施的船用柴油机协同虚拟样机开发平台的建设拟分三个阶段进行，由沪东重机专家组和CAE软件公司技术人员成的“沪东重机CAE项目实施工作小组”来共同讨论决定每一阶段实施的内容和时间安排。

    a.第一阶段(约12个月)基本能力建设阶段

    主要内容是进行所购置软件的装机、初级培训、高级培训、项目领航，进行协同虚拟样机开发平，该阶段要达到以下目标：

    (1)配备合适和全面的船用柴油机分析所需的CAE工具；

    (2)通过各级培训，初步建立企业的分析队伍，包括分析的专家层，分析的执行层和设计人员层；

    (3)建立产品开发所需要的基本CAE分析技能、和初步CAE分析流程；

    (4)通过项目领航制定一些初步CAE分析规范。

    这一阶段是整个项目的实施基础，参加培训人员的必须掌握一定的CAE能力，所以培训的效果和质量必须严格控制，参与培训的人员必须通过培训课程所要求达标的检测题，评分标准分为若干等级。通过考评来督导参与培训人员的学习，同时CAE软件公司将及时针对效果作出培训课程的调整，以保证最佳的培训效果。

    b.第二阶段(约18个月)：设计资源整合阶段

    这一阶段将利用各种与设计分析相关的CAD、CAE、CAT、CAM及CAPP工具及对不同设计团队所拥有设计资源进行整合，利用流程管理平台定义虚拟样机研发流程，最终可形成协同虚拟样机开发平台。具体任务包括定义设计流程、异地软件安装培训、客户化软件定制、设计平台整合、分析平台整合与PDM协同测试等。

    这一阶段要达到以下目标：

    (1)与CAE相关数据在不同设计工具间顺畅流动；

    (2)与CAE相关数据在不同设计团队间最大限度的共享；

    (3)完成不同设计角色的职责定义和规划；

    (4)以CAE为驱动的设计流程的制定；

    (5)软件公司完成客户化软件的开发；

    (6)完成设计开发平台、流程管理平台与PDM集成。

    这一阶段是沪东重机虚拟样机数字化开发平台实施的核心阶段，需要做大量的与公司及整个船用柴油机设计管理有关联的工作，需要公司领导层大力的支持和协调，另外，在软件集成和实施阶段，还会有软件公司专业的实施合作伙伴加入，需要各方人员的协调。该阶段的质量控制，主要是对每一个目标的现场测量、调试，每一个目标在实施前需要听取软件公司建议并经“沪东重机CAE项目实施工作小组”讨论重要环节的质量控制点和考核目标。

    c.第三阶段：(约6个月)：分析规范和评价标准建立阶段

    这一阶段是基于前阶段的分析经验，对船用柴油机整体及各零部件进行逐一总结和审核，并结合试验数据，加工制造数据，相应行业或国家标准及用户现场反馈数据，建立各分析的分析规范和评价标准。

    具体任务包括：

    (1)建立本单位的分析规范框架和档案管理方案；

    (2)为分析档案的建立制定详细计划(何时建立哪些零部件及整机的分析规范)；

    (3)按照计划深入研究船用柴油机及其各级结构的模型化方案，建立模型化知识库(载荷如何施加、网格如何划分、载荷步如何设置、进行哪些类型的分析、应该提取哪些计算结果、如何对结果进行修正等)；

    (4)利用CAE工作平台功能，把分析规范形成专用分析程序固化到CAE工作平台中；

    (5)创建高级分析模板，为设计人员使用高级的CAE技术提供方便。

    该阶段的质量控制非常重要，分析规范和评价标准的错误和疏漏将给设计带来难以估计的错误，所以要由公司技术负责领导挂帅，组织公司内外专家形成审查小组严格把关以确保完成。每一个规范必须要有一定数量的事实例证作为依据。

 5 CAE仿真技术为沪东重机带来的应用前景

    CAE作为船用柴油机设计中的现代设计手段和核心技术，当然是提高我国船用柴油机数字化设计中很重要的一个需要发展的环节。现代CAE技术适应了船用发动机设计分析的需求，一方面能够从结构、热、流体、电磁等多个物理领域综合完整地反映船用发动机的内在工作机理，解决研发过程中遇到的几乎所有问题；另一方面克服了传统设计方式的不足，缩短研发周期，降低产品成本，提高产品寿命，大大提升了产品研发力度和研发效率。只要坚持不懈，通过三至五年的努力和必要的资源投入，沪东重机在CAE使用方面将会收到如下收获：

    a.建立船用柴油机协同设计开发平台，这里的协同包括CAD与CAE的协同，CAE内部的协同，CAE与CAT的协同，设计人员与分析人员的协同等诸方面。在该平台上实现整个船舶动力系统内各设计部门之间设计数据、设计方案和设计技术等的共享和协同，进而整合和优化目前的设计资源。

    b.逐步建立船用柴油机CAE应用流程，做好CAE流程的定义、控制和优化，并且利用流程来帮助实现行政职能和技术功能职能的分离。

    c.建立CAE的人才梯队和人才激励机制，实施KBE(Knowledge Base Engineering)和KBA(Knowledge Base Automation)，保证CAE实施的顺畅和CAE技术的积累。

    d.进行二次开发，使非专业分析人员的设计师能直接应用CAE成果，对船用柴油机的典型零部件进行设计和优化分析(包括结构和流体)，使原来相当复杂的二次开发任务变得切实可行。

    e.逐步建立船舶动力系统的CAE分析规范和评价标准。   

    达到了以上各项就是建立了自主船用柴油机协同虚拟样机开发平台，在此基础上自主开发创新能力将有所提高，具备了可在较短的周期内完成自主知识产权船用大功率柴油机的研制开发的基础条件。

    从发展的眼光来看，我们真正的竞争对手来自于国际市场，做大做强我国的船用柴油机制造业是国内船用柴油机制造企业满足造船强国发展的需要。作为国内生产和开发能力最强的船用大功率低速柴油机制造企业，沪东重机在CAE引进和应用方面的成功经验与实施中的不足及改进要求，对国内相关企业在技术发展与产品开发过程中可能具有借鉴作用，以达到快速、高效形成研发能力，确保我国造船强国目标的顺利实现。这是我们长期从事船用柴油机制造的工程技术人员所期盼之事，也是义不容辞的责任和义务。

(本文不涉密)
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