船舶设计：如何设计一艘电动船？

编者按

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近日，比亚迪六棱柱电池问世，引起了金粉们的广泛讨论。事实上，内燃机已然经过百年迭代，但电动车发展迅猛已成事实。电动车的确是未来，但肯定不是全部；燃油车也不等于落后，因为市场对精益求精的热忱、对追求进步的褒奖和对环境友好的需求是永无止境的。

车是如此，作为同样重要的另一种交通工具，船也是如此。你想过船也可以实现电动操控么？西门子的工程师们给出了他们的解答。这份白皮书通过影响造船行业的重要趋势、未来船舶推进系统、电动渡轮设计的五个步骤等方面来进行讨论，欢迎下载。

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以下为白皮书的部分精彩内容

运输行业如何尽可能地减少环境足迹？如何满足大幅减排的严苛要求？这些问题的答案并非一蹴而就。海运行业正在积极评估减排的多种选择。

挪威船级社预测，在未来的 20 ~ 30 年里，液态天然气和氨将成为最有前景的两种燃料。由于里程受限，纯电动船舶预计不会占据太大的市场份额，除了小型娱乐船只和渡轮以外。船舶很可能会依赖混合动力解决方案，譬如使用液态天然气或氨作为与电池和电动推进系统混合使用的主要燃料来源。在混合动力配置中，船舶将以自动化系统为主，根据航行路线和海面情况选择最恰当的推进系统。

本书展示了小型娱乐船只和沿海或近海船舶，例如渡轮的合理设计选择，即电气化。根据这一观点，本书以一 个案例详细呈现了使用Simcenter™ 软件产品组合直接获得正确设计以实现乘用渡轮电气化的五个关键步 骤 。

计算流体力学和阻力特性

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提议的船体设计为首尾同型渡轮，如图1所示。

图1  电动渡轮几何体（由 DigitTread 供图）

设计电动推进系统之前，必须了解需要多大功率才能推动渡轮。需要评估的第一项属性就是提议渡轮设计的阻力和功率特性。只有工程师获得有关设计的可靠且准确的流体动力学和阻力属性信息之后，他们才能对电动发动机和电池组进行正确的选型。在我们的案例研究中，工程师使用高保真度计算流体力学 (CFD) 仿真软件根据当前几何体计算功率分布图，如图2所示。CFD 模板可供用户迅速以高准确度进行全尺寸船型分析。此仿真仅需输入几何体、目标速度、对应最大位移的草图。仿真会自动针对不同推进场景运行。结果会获得阻力与速度对比曲线。

图2  使用 Simcenter STAR-CCM+ 生成阻力与速度对比曲线

估算吸收功率

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系统仿真工程师现在会估算吸收功率。他们将船舶流体动力学阻力数据和螺旋桨数据添加到软件中，从而获得吸收功率的估算值。此值对应于以所需速度推动船舶所需的功率。仿真结果如图3所示。

图3  使用 Simcenter 系统仿真估算吸收功率

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电动机和电池组选型

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如何达到所需的速度？工程团队现在进行预选型以估算电动机和电池组所需的型号。

#电动机选型

输入电动机所需的参数，软件会自动根据输入的参数创建性能图，如图4所示。

图4  在 Simcenter Motorsolve 中设置所需值以自动创建性能图

#电池组选型

团队随后进行类似仿真以估算所需的电池型号。为船舶提供动力所需的电池功率或能量已经估算。估算结果添加到软件中，从而计算所需型号。仿真模型如图5所示。

图5  使用 Simcenter 系统仿真创建的电池选型仿真模型

构建电动机的虚拟模型

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#构建数字孪生

使用仿真功能，工程师对几种电机设计进行评估。在查看了几种设计替代方案之后，他们找到了一种能够符合规格的合适候选方案。

图6  选定的电机设计 (Simcenter Motorsolve)

#执行设计探索

为了进行设计探索，工程师们让软件自由探索四个不同的定子拓扑参数。这些参数包括：槽深、槽口宽度、齿顶厚度和齿宽。这四个参数用作设计探索的输入。

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供应商数据集成

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只要确定了理想电机规格，就可以与电动机制造商共享。制造商随后可以努力交付尽可能接近设计要求的电机。只要制造商确定设计符合规格要求，那么实际电机设计特性就可以与工程团队共享。将准确的供应商数据输入仿真模型之后，工程师可以迅速确认所提供的电机是否满足性能要求。

要在尽可能短的时间内尽量设计出理想船只，软件集成是关键所在。借助集成式工具集，工程师可以优化团队协同，尽可能地降低错误风险并提高工作效率。西门子提供的工具集可供工程师们从初始概念创建未来船舶，最终完成船舶交付。Simcenter™ 软件产品组合将先前相互孤立的工程学科整合到一个连贯的仿真环境之中。此软件以仿真驱动型方法对传统设计方法构成挑战，让工程师们对于创新设计能够按照要求运行满怀信心。Simcenter™ 是 Siemens DigitalIndustries Software 旗下综合性、集成式软件和服务 Xcelerator 产品组合的一部分。

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☞来源：金属加工 ☞责任编辑：徐裴裴