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裴世源:把工业软件做成“硬件”

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来源:交大新闻网 日期:2024-05-27 15:30 浏览量:

“滑动轴承和大型转子的设计分析是学校的传统优势学科,实验室前辈们在该领域作出了杰出贡献,我希望能够从前辈手中接过接力棒,并通过开发先进的转子轴承工业软件将该领域继续发扬光大,实现学术的传承与发展。”西安交通大学现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室特聘研究员裴世源在接受记者采访时表示。

裴世源主要从事工业软件、轴承润滑与转子动力学、高效数值算法等方面的研究,他领衔开发了完全具有自主知识产权的滑动轴承分析软件DLAP、滚动轴承分析软件RoBAS、转子动力学分析软件RotorStuio。目前,软件平台并在中船、航发、中冶、中广核、东电、哈电、上电、瓦轴、洛轴、哈轴、沈鼓、杭齿等多个领域30多家行业龙头院所得到广泛应用,其中在风电滑动轴承领域在国内占据70%以上的市场份额,同时DLAP软件也获得全球某最大规模轴承集团的采购,实现了国产工业CAE软件的出口。

谈到本身研发的软件,裴世源说:“这并非我个人的功劳,而是实验室前辈深厚研究基础、团队共同努力和工业界不竭反馈的结果。”

DLAP滑动轴承分析软件

RotorStudio转子动力学软件

RoBAS滚动轴承辅助设计软件

科研——“把复杂的事情变简单”

轴承的发展水平代表或制约着一个国家机械工业和其他相关产业的发展水平。轴承是重大装备的核心零部件,是机械装备的“关节”,如何设计转子和轴承直接影响到重大装备的整体性能。

“转子和轴承CAE分析软件是工业软件的一个高度专业化的细分领域,主要用于模拟和预测旋转机械在各种工况下的动力学行为,以实现转子和轴承系统的长寿命和高可靠性设计,其在能源、化工、舰船、航空、航天等领域具有非常广泛的应用。”裴世源说,“2007年我有幸师从徐华教授从事该领域的研究,当时调研发现我国工业界遍及使用国外的转子和轴承分析软件,暗下决心要本身开发一款软件,跟他们比一比。后在洪军教授的大力支持下,于2016年终于完成了第一版DLAP软件的开发。然而,在软件初期由于特色功能不足,企业用户非常少,本身一度也非常悲不雅观。后来,在团队持续鼓励和企业课题的支持下,逐步迭代升级,并具备了双向流固耦合、动载计算、磨损与修形分析等特色功能,2021年开始用户规模逐渐增加,特别是在风电重载滑动领域占据了一半以上的市场份额,在工业界逐渐形成了一些积极反馈与影响,在此特别感谢合作企业和团队的长期支持!”。

经过多年发展,对比国际同类软件,RotorStudio软件平台已经具有一些特色和领先的功能。例如,国外轴承软件遍及采用刚性假设,无法考虑弹性变形的影响,而通用的CSD或CFD软件(如ANSYS、Fluent)在进行双向流固耦合计算时,收敛性差且效率低下;比拟之下,RotorStudio软件可以实现双向流固热多场耦合分析,能够考虑轴承材料、轴瓦边界和轴承厚度等因素对轴承性能的影响。对于工况条件,同类软件通常只能计算稳态工况下的润滑性能,无法分析动载工况下轴承润滑性能的演化规律,而RotorStudio软件包含瞬态计算功能,能够准确模拟冲击、摇摆、地震等动态载荷下的轴承运行状态。在混合润滑与磨损方面,目前同类轴承软件通常不具备混合润滑计算功能,无法计算接触与磨损,而RotorStudio软件则可以考虑接触区域的压力分布、表面形貌和材料特性等多个因素,模拟润滑油膜和接触区域的润滑状态随时间的演化过程。此外,DLAP软件能够计算和分析各类常见的动压润滑、静压润滑和动静压润滑的径向和推力轴承的润滑性能。它还可以计算启停高压顶起情况下动压和静压同时工作时的润滑性能,提供高顶流量与浮起高度之间的关系,并预测高压油槽结构设计对润滑性能的影响规律。

“转子轴承系统的工作状态与几何、工况、润滑油、材料等很多参数都有关系,要设计出高可靠性、高不变性的转子系统,软件就要帮手设计人员尽快确定设计的主要矛盾和关键参数,并确定改进标的目的,让软件能最大限度地为设计人员减少工作量。”裴世源说。

强冲击下转子轴承系统的动力学响应

传承——“‘传帮带’是实验室的传统”

作为我国唯一面向轴承转子技术研究的教育部首批重点科研机构,现代设计及转子轴承系统教育部实验室是我国大型滑动轴承自主化技术的发源地,60多年来实验室涌现了一大批轴承转子领域的杰出人才,如谢友柏院士、严新平院士、梅雪松教授、洪军教授等,广泛活跃在我国轴承前沿技术研发制造、工程应用以及人才培养的第一战线。

“西安交大在转子轴承领域有深厚的研发传统和历史积累,实验室的‘三驾马车’谢友柏院士、朱均教授、丘大谋教授等从上世纪五六十年代就致力该领域研究,解决了大量的工程急需,做出了很多个在本事域的‘第一’,例如在世界上第一次发现了可倾瓦轴承非天然不变的本质,编写了国内第一个滑动轴承部颁标准,在国内第一次实现滑动轴承动特性系数的测量等等,实验室在国表里都具有很强的影响力,老一辈长期的研究积累为实验室的发展奠定了坚实的基础和良好的业界口碑,能在这样有历史沉淀的实验室学习和工作我一直深感荣幸。”裴世源说。

“我是一个热爱编程的人,享受将方程和想法转化为代码的过程,平时花了大量的时间在写程序上,作为一个机械科研人员,这看起来多多少少有点‘不务正业’,因为写程序编软件,并也不能直接转化为论文和专利等‘考核指标’,工作初期遇到了诸多不顺。幸运的是,在困难时刻遇到了洪军教授,并给予了我特别多的支持与鼓励。他强调‘没有先进的设计支撑,就没有先进的制造业,年轻人,就要敢想、敢冲、敢干!’;同时,随着学校‘破四唯’政策的推进以及对工业软件的重视,我也获得了更广阔的发展空间,我希望能够通过工业软件这一载体,将实验室老一辈的研究精神传承下去,为重大装备的转子轴承系统的研发和国产工业软件的发展做一点本身的贡献。”

近年来,裴世源作为负责人,基于所开发的转子和轴承软件平台,主持完成了大量重大工程和重点型号转子轴承系统的设计、分析、排故和研发工作,其中包罗华龙一号发电机、第四代快堆钠泵、某在役核主泵、某航空发动机燃油泵、某超临界二氧化碳压缩机等。他主持纵向和横向课题40余项,主持项目合同额超过3000万元,主编《机械设计手册-滑动轴承篇》,主持制定国家标准7项,颁发论文30余篇,获批发明专利20余项,注册软件著作权10余项,累计培训企业人员超过500人次。

合作和应用单位

合作企业的培训

发展——“创新与实用不能‘分家’”

只有将科技创新结合实际,将先进设计理念结合传统经验知识,才能最终实现科技进步。“从头开发一款工业软件比力困难,这需要在相关领域长期的研究积累,需要数学、机械、软件、经验等跨学科的交叉融合,然而,更困难是得到企业的真正使用与必定,这需要校企的反复沟通与不竭迭代。”裴世源说。“科研工作者要有‘用户思维’,在算法设计和前后处理开发时,都要充分考虑各种可能的输入和边界条件,确保软件的通用性、容错性和易用性。此外,也得站在更高维度上去思考行业产业的发展趋势。”

在实际工业场景中,例如汽车制造、船舶制造等,人们获得了诀窍、技能、经验,通过程序化、算法化、模型化等手段,封装成了工业软件,工业软件能控制生产设备、优化制造和办理流程,提高生产率,是现代工业的“灵魂”。2020年全球工业软件市场规模为4358亿美元,2012-2020年全球工业软件市场规模复合增速为5%。国内2020年工业软件市场规模为286亿美元,仅占全球规模的6%,但2012- 2020年国内工业软件市场规模复合增速高达12%,大幅高于全球水平,发展迅速。按照世界银行数据,中国2020年制造业增加值占全球比重为28.61%,2011-2020连续十年保持世界第一制造大国地位,比拟于同期工业软件规模全球比重仅有6%,工业软件有广阔的发展空间。

西安交通大学副校长、现代设计及转子轴承系统教育部重点实验室主任洪军教授说:“设计是制造业发展的基础,中国要从制造大国走向制造强国,设计要先行,创新设计是高端装备制造业发展的必然趋势,也是促进我国从制造大国向制造强国转变的必由之路。西安交大对年轻学者的支持是多方面的,希望他们在实现自我价值的同时,还能为社会培养更多优秀的人才。”

谈到未来发展,裴世源说:“基于实验室前辈们数十年的研究基础,团队在转子和轴承仿真分析软件方面取得一些进展和突破,初步形成了一些用户群体,但在系统级仿真、用户规模等方面与国外同类软件还存在明显差距。为了实现加快追赶,构建有特色、有国际影响力、有国际先进水平的转子轴承仿真分析软件平台,希望能有更多对工业软件感兴趣的青年和学生加入研究团队,共同鞭策我国工业软件的发展。”

文字:李莉
图片:李莉 受访者提供
编纂:星火

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