CAE技术在舰船辅机产品研发中的应用(造船协会).doc

发挥CAE技术优势搞好舰船辅机研发中船重工704研究所 焦侬 赵中军1、船舶辅机的现状与未来发展船舶机械中，除主机及其系统外，可统称为船舶辅机，其种类繁多。主要包括甲板机械（舵机、锚机、吊机）、特种机械（输弹装置、减摇装置、调矩桨装置）、舱室机械（空气压缩机、泵、阀、海水淡化装置、制冷装置、辅锅炉、排污装置）、船用电站等。从80年代开始，通过引进制造许可证和硬件技术，国内船舶辅机的生产水平得到较大提高，出口船舶的配套设备国产化率超过80，随着国际船舶市场油船、集装箱船、散货船三大主力船型的大型化及技术升级，高技术化已成为未来船舶技术发展的主方向。由于引进技术消化吸收的不足，目前我们大部分辅机还处在仿制阶段，产品研发自主创新方兴未艾。为满足未来市场的要求，我们要瞄准世界先进水平，紧紧抓住重点产品、急需产品的关键技术和核心技术，梯度实施技术引进、合作生产、联合研发，最终实现自主设计开发。基于以上思考，通过对辅机产品技术共性的综合归纳和分析，我们总结出影响自主研发水平的几个关键技术课题。辅机机电液系统智能化控制在船舶辅机中大量使用电控液压技术来控制机械系统，电控、液压、机械各子系统之间均存在着耦合影响。对于仿研产品，随着我们对电子器件、液压元器件的性能日益了解，系统整体性能分析和优化就变得尤为迫切。机构与结构设计优化机械产品性能的改善，无论是提高设备工作效能还是减轻设备重量都离不开对产品机构或结构工作原理的准确掌握，和在此基础上对设计不断改进与合理优化。减振降噪从改善舰船工作、生活环境到提高设备可靠性，满足船舶特殊要求等诸多方面，无论是柴电机组的双层隔振还是低噪声泵的使用，减振降噪都是一项重要课题，舰船上的振动和噪声既可能源于固体、也可能是液体，气体。由于设备与船体之间相互影响，寻求减振降噪的有效途径一直是船舶辅机研发所关心的，也是复杂难以解决的问题。传统机械设计问题抗疲劳破坏、机械密封防泄漏、防腐蚀、设备内部气液流道合理布置等等问题都是自有机械设备以来一直存在的传统问题。随着新技术的不断出现，对产品性能要求的不断提高，这些传统问题有时也会成为了产品设计的瓶颈。随着对船舶辅机新产品的需求的提高，能否在最短时间里有效解决以上问题就显得尤为重要，而大力使用CAE技术，附以一定规模的样机试验是一个比较好的解决办法。2、CAE技术的现状及发展趋势一般的，CAE是指工程设计中的分析计算与分析仿真，具体包括工程数值分析、结构与系统过程优化设计、强度与寿命评估、运动/动力学仿真。具体的含义表现为以下几个方面：1 用工程数值分析中的有限元等技术分析计算产品结构的应力、变形、流变、电磁等各类物理场量，给出整个物理场量在空间与时间上的分布，实现结构的从线性、静力计算分析到非线性、动力的计算分析。2 运用系统优化设计的方法在满足工艺、设计的约束条件下，对产品的结构、系统和子系统工艺参数、结构形状参数进行优化设计，使产品和系统结构性能、工艺过程达到最优。3 运用结构强度与寿命评估的理论、方法、规范，对结构的安全性、可靠性以及使用寿命做出评价与估计。4 运用运动/动力学的理论、方法，对由CAD实体造型设计出动的机构、整机进行运动/动力学仿真。CAE概念则是发展的,涵盖范围广,比较灵活。当前,随着有限元技术和3DCAD技术的成熟以及神经网络、遗传算法等智能算法的引入,基于3D模型，强调智能化，秉承Upfront理念的CAD/CAE一体化的软件（如I-deas/FEA, cosmos，3D）和CAD/CFD一体化的软件（如CFDesign）极大地提高了CAE的应用普及率。同时CAE已由数值计算发展到多学科目标优化(MDO)仿真,并向CAD/CAM/CAT全面融合的数字样机方向拓展。这样，计算机辅助工程分析不仅服务于详细设计,而且还支持了总体方案设计。这为我们解决船舶辅机关键技术课题提供了基础和保证。3、CAE技术在船舶辅机研发中的应用船舶辅机作为传统行业，CAE技术在其设计制造上的应用起步很早，且显现出一定的效果。作为五十年来一直从事舰船特种机电设备的研究、总成和服务的科研单位，704所从九十年代中期就投入人力和财力，利用商业CAE软件用来解决具体产品的技术难题，先后为新型减摇鳍、低噪声泵、大马力弹性离合器、船用电站、输送转运装置等辅机新产品的提供了设计依据与保障。同时随着工作开展，我们对CAE技术的认识也在不断深入。从国内CAE应用普及过程看，商业软件在企业中应用显现出较为明显的时间层次，首先是3DCAD的普及，随后是部件级CAE力学、动力学计算，机构刚体动力学计算，然后，为解决热流问题，给结构分析提供边界条件，开始了CFD软件的应用，在此基础上，系统优化，多学科优化也逐渐显现出需求。我们认为，704所专业众多、产品种类杂，面对着飞速发展的CAE技术，如果没有一个宏观的应用思路和一个相应的技术平台，会很容易陷入病急乱投医的被动局面。因此结合软硬件投入、人才引进等工作的开展，在对船舶辅机研发的关键技术课题和未来发展趋势分析的基础上，我们投入了大量精力，分阶段、有计划地开展了所CAD/CAE平台建设工作。针对我所产品技术特点的共性，在对商业软件充分论证的基础上，我们集合I-deas NX三维设计软件、Matlab多变量系统仿真软件、Relex可靠性分析软件，建立一个三维实体造型、装配与干涉分析、机构分析、二维工程图、基本有限元应力变形场与温度场分析、机电液系统仿真、可靠性分析的产品通用开发设计基础平台；在此基础上，又建立了一个专业仿真平台，包括ANSYS，用于力学、动力学及多物理场分析；Adams，用于机构刚体动力学及液压系统分析；FLUENT，用于内外流场及热流分析；SYSNOISE，用于噪声分析。从软件选型来看，平台的CAE软件功能涵盖了所内基本专业。针对减振降噪、机电液系统优化、机构与结构优化、可靠性、传统机械设计问题，采用多个CAE软件的联合求解，可满足相应问题的分析需求。经过多年的建设，目前平台大致成型，尚有部分软件即将按计划陆续到位。这些年，我们利用现有条件开展了大量CAE分析，也获得了一些工作经验。主要体现在以下三个方面：1） 结构与机构的力学和动力学分析，包括辅机机械机构的运动特性和刚度的研究，关重件力学校核，部件及设备的频率响应分析，关键零件疲劳破坏分析等等。与陆用设备相比，船舶辅机的工作环境有两点不同，首先是受波浪影响，船体不规则摇摆会影响辅机结构的力学和动力学性能。其次，对于船舶辅机，船体提供的安装基础刚度是相对的，甚至在一定程度上存在耦合关系。因此，在产品机构与结构力学和动力学分析过程中，在定义边界条件时，我们强调要基于相关船舶设计规范以及工程经验进行合理简化。船体结构与设备复杂多样，型材构件、锻铸件、钣金件、紧固件等随处可见，给CAE模型的建立带来许多难题。我们强调“聚焦”分析需求，将分析目标最大清晰化，由此确定CAD建模范围，减少不必要的工作量，提高计算效率。如新研发的输送转运系统需评估其输送机构结构强度，我们在确定工作海情定义边界条件后，对涉及输送机构的系统其他部件按分析目标进行了合理简化，保证了部件子系统之间力学耦合性，使模型大大简化，计算结果逼近了真实工况。 2） 内外流场（设备工作环境）CFD分析辅机中包含许多流体机械（泵、汽轮机、换热器等）和一些特种设备（减摇鳍、调矩桨等），需要对其相关流场和温度场进行分析，并为机构和结构提供设计依据。在进行这些产品CFD分析时，计算域的定义和模型单元质量对计算效率和计算精度影响很大。因此我们十分注重CFD计算与试验的有机结合，利用小尺度试验或样机实测数据对CFD模型精度、计算域确定、算法合理性进行比对，从而保证计算模型的合理可靠。在泵机械密封中，螺旋槽中润滑油在主轴高速旋转时可能出现“漏油”现象，螺旋方向、角度、粘性造成的摩擦力均是可能影响因素。我们使用CFD（FLUENT）软件校核验证原设计方案，计算结果与现场实验情况吻合。在此基础上，按新设计方案生成CFD模型，使用被校验过的算法和相关参数完成了分析。3） 关键设备多目标设计优化。在辅机研发中，某些关键部件的结构参数要满足综合的设计指标（如强度、温度、流量等等）。因此，在确定部件的拓扑结构基础上，利用多个软件，将其计算结果互为条件地进行分析对比，确定结构参数地合理性就非常重要。这方面我们强调充分发挥CAE软件模块化参数化的功能，利用CAE参数化模型，对多结构形式、多材料类型、多工况的设计选择进行分析比较，直至找到满意解。在电站设备关键部件设计中，部件材料，装配工艺、内部空气流道都有性能指标要求，受结构空间的限制，需找到装配工艺的最佳预紧力，同时结构流道要保证其流量。我们用FLUENT软件对流道进行了不同类型和不同尺寸的CFD分析，在确定了流道参数后，利用ANSYS命令流技术建立了部件参数化有限元模型，对多种预紧模式进行分析，最终寻求到了较合理预紧装配工艺。以上是目前为止我所CAE分析工作成果的示例，随着软硬件陆续到位，下一个目标将开展机电液子系统的分析和优化，为系统智能化控制提供设计依据；未来平台的建设目标是实现辅机产品多学科优化（MDO）和数字样机。应该承认CAE的应用普及还任重道远。目前我们开展的CAE应用基本以校核传统设计方案为主，CAE设计还没有完全介入产品设计生命周期的全过程并取代传统设计。这与CAE观念普及、全面推行三维设计、改变设计人员设计习惯有非常重要关系，有必要从观念上形成自上而下结合3DCAD技术应用CAE的思维。同时，我们还要辨证看待CAE分析的准确性与合理性之间的关系，在看到CAE的优势时也要注意它的局限性。作为工具，CAE的能力强烈受制于相关理论的发展水平，如对流体噪声机理、摩擦机理的研究目前还没有完全成熟。但相对于工程问题的解决，CAE分析在可参照的设计方案对比中，可对其合理性进行评价。例如，我们