石磊，張犇，曹鵬程

1.海軍駐上海地區(qū)第四代表室，上海 201108

2.哈爾濱工程大學 動力與能源工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001

3.軍事科學院 系統(tǒng)工程研究院，北京 102300

為在大功率柴油機自主化研制中實現(xiàn)“同步設計、同步評估”奠定基礎，建立符合我國大功率柴油機研發(fā)體系的評估技術和標準具有重要意義。隨著我國大功率柴油機自主化設計需求不斷提高，就目前的設計能力而言，柴油機設計的相關數(shù)據(jù)積累較少，未能形成系統(tǒng)完善的設計數(shù)據(jù)庫。但在自主研發(fā)柴油機的過程中，又不能利用國外諸如德國FEV 發(fā)動機技術有限公司（FEV Group）、奧地利李斯特公司（AVL）的評估體系開展第三方評估，所以需要建立健全可擴展的柴油機設計獨立評估平臺和體系，為柴油機設計評估工作提供參考。本文結合實際開發(fā)了一套針對大功率柴油機的設計評估系統(tǒng)，從柴油機設計過程的主要技術指標分解方法研究入手，開展評估系統(tǒng)設計和建立校核評估數(shù)據(jù)庫。

1 主要技術指標

主要技術指標的實現(xiàn)是總體設計要求中的關鍵，也是柴油機分系統(tǒng)及部件設計的輸入，更是設計評估的基礎和依據(jù)。主要技術指標包括性能、結構等方面，主要技術指標分解就是將各類技術指標按照整機、分系統(tǒng)和部件級逐級分解和細化，貫穿到柴油機整個設計體系當中，作為指導柴油機系統(tǒng)、分系統(tǒng)設計及整機到零部件設計的技術綱領，并隨設計逐步深化、完善和補充，研究找出大功率柴油機設計過程中主要技術指標之間的矛盾和制約關系，指導柴油機設計和校核評估。

1.1 主要技術指標分類及耦合關系

柴油機設計評估主要技術指標包含8 種指標，如圖1 所示。柴油機是一個復雜的熱機系統(tǒng)，整機指標、分系統(tǒng)和關重件的技術指標之間又存在影響和制約，甚至各指標的權衡之間也存在矛盾，具體耦合關系如圖2[1]。

圖1 柴油機設計評估主要技術指標

圖2 主要技術指標耦合關系

1.2 主要技術指標分解方法

在大功率柴油機的設計研發(fā)過程中，柴油機的指標貫穿始終。從最初的方案設計到技術設計、施工設計等，柴油機各類指標之間相互矛盾、互相平衡，一個指標的提升或降低通常會造成其他多個指標的變化，影響其他系統(tǒng)和部件的設計。所以明確柴油機動力性能指標、經(jīng)濟性能指標和結構強度指標等指標體系之間的相互作用關系對于大功率柴油機的研發(fā)設計有著指導意義[2]。

針對柴油機主要技術指標分解與評估方法主要是結合國內(nèi)大功率柴油機設計研發(fā)過程，通過理論計算、故障案例分析、平臺和樣機試驗數(shù)據(jù)和設計經(jīng)驗總結，梳理柴油機設計技術指標的響應和支撐關系，形成柴油機設計技術指標體系分解圖。依據(jù)柴油機總體設計要求、運行范圍與限制特性，分析各分系統(tǒng)設計指標響應、控制和落實情況，評估柴油機總體技術指標在系統(tǒng)設計中分解的完整性。按照柴油機設計技術指標分解的方法和流程，開展評估系統(tǒng)頂層和功能流程設計。

2 評估系統(tǒng)頂層設計

2.1 評估系統(tǒng)整體框架

柴油機設計評估系統(tǒng)中，以柴油機主要技術指標分解體系作為基礎，支持整個評估系統(tǒng)，構成評估系統(tǒng)框架以及評估數(shù)據(jù)庫框架。評估方法作為整個評估系統(tǒng)的核心，由評估標準以及仿真計算模型組成，同時指標關系樹以及評估數(shù)據(jù)庫為評估方法提供結構以及數(shù)據(jù)支持[3]。評估系統(tǒng)整體框架結構如圖3 所示。

圖3 評估系統(tǒng)整體框架結構

2.2 評估系統(tǒng)功能拓撲

評估系統(tǒng)功能模塊客戶端包含用戶和管理員，相關功能結構如圖4 所示。

圖4 客戶端功能結構

用戶功能模塊中，指標分解樹模塊是依照指標分解體系建立的各設計指標間的樹狀分解體系，幫助使用人員梳理各指標間的關系以及相應設計參數(shù)；評估方法模塊是根據(jù)柴油機設計各階段評估工作要求建立的參考化評估標準；仿真計算評估模塊主要利用評估系統(tǒng)中固化的仿真軟件對當前設計參數(shù)進行評估分析，以指導下一階段設計工作的開展；數(shù)據(jù)查詢模塊的主要功能是對設計參數(shù)等數(shù)據(jù)進行查詢、分析等[4]。

管理員功能在涵蓋了用戶使用功能的基礎上，還可以對用戶信息、模型信息、任務信息以及數(shù)據(jù)信息進行操作管理。其中，用戶信息管理模塊用來對評估系統(tǒng)的使用者進行管理，包括用戶的信息及權限等方面；模型信息管理模塊主要用來對評估系統(tǒng)內(nèi)仿真計算軟件的固化模型進行管理，包括增添、修改和刪除等功能；任務信息管理模塊主要是對仿真分析計算中的計算任務進行管理，以確保評估系統(tǒng)中仿真任務的正常進行；數(shù)據(jù)信息管理模塊主要是對評估數(shù)據(jù)庫中所存儲的數(shù)據(jù)進行管理，在用戶查詢使用數(shù)據(jù)的功能上增加了刪除、修改和添加的功能，以此來確保數(shù)據(jù)庫的準確性與時效性。

2.3 評估系統(tǒng)通信結構

為了便于使用，提升整個系統(tǒng)工作效率，評估系統(tǒng)采用星型連接進行數(shù)據(jù)通信[5]。通過將系統(tǒng)安裝在中心服務器上，來提升處理、計算和存儲性能，提高工作效率。數(shù)據(jù)計算以及信息支持由第三方計算軟件以及評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供[6-7]，評估系統(tǒng)通信結構如圖5 所示。

圖5 評估系統(tǒng)通信結構

柴油機設計評估系統(tǒng)通過不同端口之間的數(shù)據(jù)通信，將用戶、系統(tǒng)和數(shù)據(jù)三者分離，方便了系統(tǒng)的管理與使用，提高了使用效率。評估系統(tǒng)的邏輯結構如圖6 所示。系統(tǒng)由客戶端與服務端組成，主要包括界面設計層（user interface，UI）、系統(tǒng)框架層以及數(shù)據(jù)層3 方面內(nèi)容。評估系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要存儲數(shù)據(jù)如表1 所示。

圖6 各模塊通信邏輯

表1 數(shù)據(jù)庫主要儲存內(nèi)容

3 評估系統(tǒng)功能及運行測試

3.1 評估系統(tǒng)功能分析

評估系統(tǒng)采用Java 語言搭建人機交互界面，可以給使用者提供更加便利的系統(tǒng)服務。評估系統(tǒng)客戶端主界面如圖7 所示，包含指標分解、評估流程、總體評估、分系統(tǒng)評估、關重件校核和評估數(shù)據(jù)庫6 大部分。指標分解功能下涵蓋了柴油機設計評估中的8 大指標；評估流程功能細分為方案設計、技術設計、施工設計、性能試驗和通用質(zhì)量特性檢測；總體評估功能包含機型參數(shù)設置、排隊情況查看、結構查看；分系統(tǒng)評估功能包含燃油系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、配氣系統(tǒng)[8]；關重件校核功能包含曲軸、活塞、凸輪軸、汽缸蓋、活塞環(huán)等部件的校核；評估數(shù)據(jù)庫包含了運動件數(shù)據(jù)庫和固定件數(shù)據(jù)庫。

圖7 評估系統(tǒng)客戶端主界面

評估系統(tǒng)服務器主調(diào)度界面如圖8 所示。在服務器上，管理員還擁有客戶端功能外的其他功能，例如可以了解服務器上用戶的使用情況，同時還可以對用戶賬戶信息、系統(tǒng)模型等進行修改和管理。

圖8 評估系統(tǒng)服務器主調(diào)度界面

3.2 校核評估運行測試

對柴油機設計評估系統(tǒng)，以高壓油軌分系統(tǒng)計算校核評估和機體結構強度校核評估為算例，開展運行測試。

3.2.1 測試算例1：共軌系統(tǒng)噴油器性能指標校核評估

由于高壓共軌系統(tǒng)是集電磁、機械及液力的多物理場耦合于一體的復雜系統(tǒng)，多物理場參數(shù)耦合作用對循環(huán)噴油量的穩(wěn)定性及一致性表現(xiàn)出復雜的影響規(guī)律，而循環(huán)噴油量的穩(wěn)定性、一致性決定了匹配柴油機性能、排放的穩(wěn)定性和一致性。因此在對燃油系統(tǒng)進行分析評估時，主要包括共軌系統(tǒng)噴油特性評估、共軌噴油器制造誤差對噴油一致性影響評估以及共軌噴油器噴油穩(wěn)定性評估3 個方面。

點擊用戶端主界面中分系統(tǒng)評估按鈕，在其子菜單中選擇燃油系統(tǒng)則會進入高壓共軌噴油器性能仿真模塊[9]，如圖9 所示。

圖9 高壓共軌系統(tǒng)噴油性能評估模塊

輸入初始條件參數(shù)、電磁閥組件參數(shù)、控制器組件參數(shù)和針閥組件參數(shù)后，點擊分析即可查看噴油量分析、噴油過程分析等結果[10-11]，如圖10 所示。

圖10 噴油性能分析界面

3.2.2 測試算例2：機體結構強度校核評估

柴油機固定件是為整機正常工作提供基礎性保障的，因此其各項指標的先進性及可靠性尤其重要。其中機體作為發(fā)動機的骨架，安裝了大量的零部件，因而機體的強度和剛度對發(fā)動機的性能及可靠運行都起到重要作用[12]。

機體模型十分復雜，且具有一定的對稱性，通常只在模態(tài)計算時才建立完整模型，做強度分析時采用部分模型，利用其對稱性從模型上切出局部進行有限元建模分析[13]，模型如圖11 所示。

圖11 機體三維模型

評估系統(tǒng)作為柴油機設計評估的綜合性平臺，不僅涵蓋了自主研發(fā)的性能計算軟件，還集成了多種國內(nèi)外先進的計算軟件。評估系統(tǒng)通過多軟件計算結果調(diào)度使用和計算結果校核分析，可獲得柴油機關重件等校核對象的設計評估數(shù)據(jù)并指導柴油機設計過程，提高設計可靠性。通過在Pro/E 軟件中建立零件的三維實體模型，將模型導入有限元前處理軟件ANSA 中進行約束邊界條件設置、載荷施加，得到有限元分析模型并導入ANSYS 軟件中進行仿真計算[14]。模型的質(zhì)量與邊界條件的準確性是有限元分析的關鍵因素[15]。對機體溫度分布及熱物理參數(shù)計算采用熱分析的方法。

4 設計評估數(shù)據(jù)庫建立

數(shù)據(jù)庫采用MySQL 關系型管理系統(tǒng)，系統(tǒng)通過不同數(shù)據(jù)格式的數(shù)據(jù)緩存，大幅增加了讀取速度并提高了使用靈活性。除此之外，該數(shù)據(jù)庫具有拓展能力，不僅可以根據(jù)需要設計功能模塊，還具有整合第三方應用的能力。

依據(jù)設計評估的流程和方法，按照固定件、運動件和關重件設計評估分類，建立柴油機總體設計評估數(shù)據(jù)庫。通過分析國內(nèi)外同類機型設計研發(fā)和試驗數(shù)據(jù)，建立設計評估數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫形式主要是各機型主要技術指標設計分解情況，用于校核計算的一維性能校核計算模型和三維計算網(wǎng)格化模型。形成的固定件、運動件和關重件設計評估數(shù)據(jù)庫見表2。數(shù)據(jù)庫機型主要有620、622、PA6、956 和279，包含機體強度校核計算分析模型、氣缸蓋溫度場模擬分布模型、曲軸模態(tài)模型、曲軸剛體動力學模型、連桿疲勞校核模型、活塞溫度場及熱應力分析模型、配氣機構凸輪型線校核計算模型等近20 種模型。

表2 數(shù)據(jù)庫部分固定件、運動件和關重件情況表

5 結論

本文研究柴油機主要技術指標設計分解方法，給出了柴油機主要技術指標及其指標間的耦合關系，通過分解完整性分析驗證了分解方法的有效性。依據(jù)柴油機主要技術指標分解體系作為基礎，研究設計評估流程和方法，開展評估系統(tǒng)以及評估數(shù)據(jù)庫搭建。評估系統(tǒng)通過不同端口之間的數(shù)據(jù)通信，將用戶、系統(tǒng)和數(shù)據(jù)三者分離，方便了系統(tǒng)的管理與使用，提高了使用效率。評估數(shù)據(jù)庫中包含大量設計數(shù)據(jù)、評估數(shù)據(jù)及計算數(shù)據(jù)，為準確的評估提供保障。通過實際算例測試，對評估系統(tǒng)進行驗證，為我國大功率柴油機自主設計評估體系形成提供參考。