數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

1、數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用劉子強(qiáng),馮明志,李麗婷,李全,陳登(七一一研究所,上海200090摘要:重點(diǎn)開展了船用柴油機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究,主要包括:柴油機(jī)數(shù)字化定義、典型關(guān)重件參數(shù)化設(shè)計(jì)、零部件可重用模型、柴油機(jī)功能化數(shù)字樣機(jī)、燃燒系統(tǒng)多學(xué)科優(yōu)化、柴油機(jī)數(shù)字化裝配等。形成船用柴油機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)能力,從而縮短柴油機(jī)典型關(guān)重件研發(fā)周期。關(guān)鍵詞:數(shù)字化設(shè)計(jì);船用柴油機(jī);關(guān)重件中圖分類號:TK421文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1001-4357(200606-0008-03Application of Digital Design in Marine Diesel EngineLIU Z

2、iqiang ,FENG Mingzhi ,LI Liting ,LI Quan ,CHENG Deng (Shanghai Marine diesel engine research institute,Shanghai 200090Abstract:The key technology research on digital design of marine diesel engine are carried out as an important task,which including:digital definition of diesel engine,parameter desi

3、gn of typical key components,reusable mode of components,functional digital prototype,multidisciplinary optimization of combustion system and digital assembling of diesel engine.Based on these work,3D digital design capacity of marine diesel engine is obtained,which can help to shorten the R&D cy-cl

4、e of diesel engines key components.Keywords:digital design;marine diesel engine;key component電控與監(jiān)測第28卷(2006第6期Vol.28(2006No.6柴油機(jī)Diesel Engine1引言柴油機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用主要包括:二、三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD ,計(jì)算機(jī)工程分析(CAE ,發(fā)動機(jī)整機(jī)虛擬設(shè)計(jì)和動態(tài)仿真,逆向設(shè)計(jì)工程,計(jì)算機(jī)輔助試驗(yàn)(CAT ,柴油機(jī)熱力性能、排放、振動噪聲、流體流場的計(jì)算分析和仿真,零部件快速成型制造,產(chǎn)品數(shù)據(jù)集成化管理,柴油機(jī)和電子控制系統(tǒng)的仿真等。柴油機(jī)設(shè)計(jì)是典型的復(fù)

5、雜機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì),其數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)涵蓋了流體力學(xué)、熱力分析、燃燒學(xué)、結(jié)構(gòu)動力學(xué)、控制理論等多個(gè)學(xué)科的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、輔助分析、仿真模擬及可視化等多方面的內(nèi)容。柴油機(jī)的“傳統(tǒng)設(shè)計(jì)”主要采用“設(shè)計(jì)試驗(yàn)修改設(shè)計(jì)再試驗(yàn)”這種多次反復(fù)的方法,一個(gè)型號發(fā)動機(jī)的開發(fā)一般需要十年的時(shí)間,耗費(fèi)巨大。目前,國外應(yīng)用數(shù)字化設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)了在設(shè)計(jì)階段前瞻性地對產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、使用全周期進(jìn)行定量分析,避免了實(shí)物樣機(jī)反復(fù)進(jìn)行的試制、試驗(yàn)、修改過程,節(jié)省大量的研發(fā)經(jīng)費(fèi),大幅度縮短開發(fā)周期。德國MAN B&W 公司的RK280柴油機(jī)開發(fā)采用預(yù)測設(shè)計(jì),其核心思想是將設(shè)計(jì)、分析、制造乃至管理和服務(wù)進(jìn)行集成,實(shí)現(xiàn)100%的數(shù)字化產(chǎn)品

6、描述,通過數(shù)字模型有效實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品可靠性的分析、評估、控制和增長,從而減少物理原型和試驗(yàn),達(dá)到快速進(jìn)入市場。目前,我國船舶柴油機(jī)的研發(fā)、生產(chǎn)制造已具有一定的基礎(chǔ),具備了一批科研、開發(fā)、試驗(yàn)、制造等基礎(chǔ)設(shè)施條件。表現(xiàn)在各研發(fā)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)部門在單項(xiàng)上基本積累了初步的研發(fā)、制造經(jīng)驗(yàn),引進(jìn)了一些較為先進(jìn)的計(jì)算設(shè)計(jì)仿真軟件。但是,由于國內(nèi)研發(fā)體系起步較晚,技術(shù)深度不足,總體技術(shù)水平較差。本研究重點(diǎn):開展數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在船用柴油機(jī)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)研究,形成船用柴油機(jī)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)能力,縮短柴油機(jī)典型關(guān)重件研發(fā)周期。2船用柴油機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)船用柴油機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)研究方向包括:柴油機(jī)數(shù)字化定義、典型關(guān)重件參數(shù)化設(shè)計(jì)、零部

7、件可重用模型、柴油機(jī)功能化數(shù)字樣機(jī)、燃燒系統(tǒng)多學(xué)科優(yōu)化、柴油機(jī)數(shù)字化裝配。2.1柴油機(jī)數(shù)字化定義柴油機(jī)數(shù)字化定義如下:柴油機(jī)數(shù)字化是指面向柴油機(jī)產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理,以計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)為基礎(chǔ),用數(shù)字化的形式“虛擬地”設(shè)計(jì)新產(chǎn)品,并在制造實(shí)物原形之前在計(jì)算機(jī)中對柴油機(jī)的形式、配合和功能進(jìn)行評審,完成新型柴油機(jī)設(shè)計(jì)的過程。柴油機(jī)數(shù)字化定義包含了柴油機(jī)從概念設(shè)計(jì)、技術(shù)設(shè)計(jì)、施工設(shè)計(jì)到制造的全過程。工程師在計(jì)算機(jī)上建立完整的柴油機(jī)三維數(shù)字化產(chǎn)品模型,用這些數(shù)字化模型對柴油機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)、評估、修改和完善,直至完全符合設(shè)計(jì)要求。這種用數(shù)字狀態(tài)下的仿真分析盡可能多的代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實(shí)物試驗(yàn),然后再對原設(shè)計(jì)重新進(jìn)行組合或者改進(jìn)

8、,從而使新型柴油機(jī)的開發(fā)只需制作少量的實(shí)物模型。2.2典型關(guān)重件參數(shù)化設(shè)計(jì)曲軸、連桿、活塞是柴油機(jī)核心部件,也是在內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)中質(zhì)量要求最高的部件,為了在概念設(shè)計(jì)階段設(shè)計(jì)出滿足性能要求的關(guān)重件,反復(fù)是一個(gè)經(jīng)常的過程。典型關(guān)重件參數(shù)化設(shè)計(jì)就是把柴油機(jī)的幾個(gè)關(guān)重件尺寸歸納為幾十個(gè)參數(shù)和參數(shù)之間關(guān)系。這樣,設(shè)計(jì)人員只要輸入幾組數(shù)據(jù)幾分鐘內(nèi)就能把頭腦中構(gòu)想的方案立體地反映在屏幕上,而通常即使是對結(jié)構(gòu)與軟件十分熟悉的設(shè)計(jì)人員也至少花費(fèi)一周時(shí)間,因此大大提高了工作效率。以某機(jī)關(guān)重件為樣板模型,利用Pro/Toolkit ,對Pro/Engineer 的界面和菜單進(jìn)行二次開發(fā),通過在開發(fā)出的對話框中輸入所需數(shù)

9、據(jù),得到符合要求的三維實(shí)體模型(如圖1。開發(fā)的樣板模型基本能滿足設(shè)計(jì)者根據(jù)需要來設(shè)計(jì)柴油機(jī)的關(guān)鍵零部件。2.3零部件可重用模型零部件可重用模型的構(gòu)建主要有兩種方式:一種是參數(shù)化建模,另外就是標(biāo)準(zhǔn)件模型。標(biāo)準(zhǔn)件庫的使用可以減輕建模的工作量,同時(shí)也可以方便地實(shí)現(xiàn)根據(jù)裝配要求更換零件,減少模型占用空間,實(shí)現(xiàn)模型資源的共享。標(biāo)準(zhǔn)件庫中除了包括一般的國標(biāo)件、部標(biāo)件外,還應(yīng)包括企業(yè)內(nèi)部的通用件。對某柴油機(jī)中所使用的國家標(biāo)準(zhǔn)、機(jī)械部標(biāo)準(zhǔn)零件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)與分類,將這些零件在Pro/E 系統(tǒng)中建立標(biāo)準(zhǔn)零件庫。該庫共有零件166件,分為43個(gè)系列,具有快速查找、生成、更新、擴(kuò)充功能。如管接頭三維實(shí)體,見圖2。2.4柴

10、油機(jī)功能化數(shù)字樣機(jī)在柴油機(jī)設(shè)計(jì)過程中,每一個(gè)運(yùn)動零部件包括活塞連桿組、凸輪搖臂組均經(jīng)過分析優(yōu)化,但并不一定能保證整個(gè)運(yùn)動系統(tǒng)的性能是良好的。因此需要對運(yùn)動零部件進(jìn)行動力學(xué)分析,建立機(jī)械運(yùn)動的數(shù)字化柴油機(jī)功能樣機(jī),通過判斷各運(yùn)動副輸出的數(shù)據(jù),來精確預(yù)測零部件的運(yùn)動性與可靠性。柴油機(jī)功能化數(shù)字樣機(jī)主要指曲柄連桿機(jī)構(gòu)的剛?cè)峄旌隙囿w系統(tǒng)動力學(xué)分析,即分析曲軸的變形與受力在周期性變化的燃?xì)鈮毫瓦\(yùn)動構(gòu)件質(zhì)量慣性力作用下的變化情況。曲軸-連桿-活塞機(jī)構(gòu)多剛體模型見圖3。分析的方法是:首先,把曲軸和曲軸支撐實(shí)體模型柔性化,運(yùn)用軟件進(jìn)行模態(tài)分析,生成柔性體系統(tǒng)動力學(xué)計(jì)算所必需的曲軸和曲軸支撐的模態(tài)信息文件,即

11、得到各階模態(tài);然后,將上述所得的模態(tài)信息文件導(dǎo)入ADAMS 中,添加相應(yīng)的運(yùn)動副和載荷,設(shè)置初始條件,即可進(jìn)行柔性體動力學(xué)仿真;最后,分析仿真結(jié)果,得到各個(gè)時(shí)刻曲軸各點(diǎn)處的應(yīng)力情況,以此來評價(jià)曲軸的可靠性。2.5燃燒系統(tǒng)多學(xué)科優(yōu)化柴油機(jī)主要部件往往處于應(yīng)力場和溫度場等多物理場的作用之下,為保證提高柴油機(jī)的動力性、經(jīng)濟(jì)性和排放指標(biāo),需要引入燃燒系統(tǒng)的多 學(xué)科優(yōu)化。圖1 參數(shù)化設(shè)計(jì)界面圖2標(biāo)準(zhǔn)件三維實(shí)體劉子強(qiáng)等:數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用92006年11月 基于柴油機(jī)的設(shè)計(jì)過程,性能軟件BOOST 對柴油機(jī)進(jìn)行性能分析、建模軟件PRO/E 對計(jì)算模型建模、流體軟件StarCD 對燃燒室

12、進(jìn)行溫度與流場分析、結(jié)構(gòu)軟件Ansys 對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,以上過程的計(jì)算數(shù)值均與多學(xué)科優(yōu)化軟件ISIGHT 相結(jié)合,仿真結(jié)果得到一個(gè)多方面優(yōu)化設(shè)計(jì)。這對一個(gè)新型柴油機(jī)的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。優(yōu)化運(yùn)算過程監(jiān)控見圖4。該性能數(shù)據(jù)與真實(shí)的物理樣機(jī)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)十分吻合,并且為該機(jī)進(jìn)一步提高指標(biāo)提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)支持。2.6柴油機(jī)數(shù)字化裝配柴油機(jī)的零部件眾多,因此在實(shí)際零部件裝配過程中易出現(xiàn)零件間的干涉,甚至無法安裝。柴油機(jī)數(shù)字化裝配就是對關(guān)重件三維模型進(jìn)行數(shù)字化裝配,來檢測裝配的可視性、可達(dá)性與可維護(hù)性,從而為實(shí)際的零部件裝配提供一定的指導(dǎo)作用。在數(shù)字化裝配過程研究中采用“變裝為拆”的數(shù)字化裝配思想。首先,

13、在商用CAD 系統(tǒng)中建立產(chǎn)品的裝配模型;然后,對CAD 系統(tǒng)生成的裝配模型(包括零件模型及其裝配體中的最終位置、裝配約束關(guān)系、裝配層次關(guān)系通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化到數(shù)字化環(huán)境中,對數(shù)字化環(huán)境中的裝配模型進(jìn)行人工拆卸操作,根據(jù)拆卸過程中產(chǎn)生的拆卸順序與拆卸路徑并基于“可裝即可拆”的假定,獲取產(chǎn)品的拆卸路徑;最后,在以“變裝為拆”的裝配過程模式中,利用CAD 系統(tǒng)裝配建模提供的裝配約束關(guān)系進(jìn)行運(yùn)動導(dǎo)航,即數(shù)字化拆卸過程中根據(jù)零件所受的裝配約束拆卸零件的可自由移動方向,并將零件的初始拆卸方向強(qiáng)制為其自由移動的方向,直到零件與其約束零件完全脫離。圖5為連桿拆卸過程無效路徑的表示。在利用專業(yè)軟件對某柴油機(jī)關(guān)重件三維

14、實(shí)體在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的裝配過程,拆卸過程的記錄可得到關(guān)重件裝配過程。該記錄可以對零部件裝配性進(jìn)行評價(jià),優(yōu)化裝配路徑,從而縮短裝配時(shí)間,為實(shí)際的裝配過程提供一定意義上的指導(dǎo)作用。3結(jié)論數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)大型復(fù)雜裝備系統(tǒng)快速研制的必要手段。本研究對數(shù)字化設(shè)計(jì)在船用柴油機(jī)設(shè)計(jì)中的技術(shù)進(jìn)行深入研究,并將該技術(shù)應(yīng)用于某型柴油機(jī)的研發(fā)中,這對船用柴油機(jī)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、制造的集成,縮短柴油機(jī)研制周期,降低研發(fā)成本,實(shí)現(xiàn)我國船舶工業(yè)跨越發(fā)展有著一定的推動作用。參考文獻(xiàn)1陳大榮.船舶內(nèi)燃機(jī)設(shè)計(jì)M.上海交通大學(xué)出版社.1991.2邵毅,張開富.飛機(jī)數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)J.航空制造技術(shù),2002(2:26-29.3程凱.面向產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)的虛擬裝配技術(shù)在飛機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J.航空制造技術(shù),2001(4:26-28.4張俊紅,程曉鳴,鄭勇.柴油機(jī)曲軸動態(tài)疲勞強(qiáng)度分析J.