近日，比亞迪六棱柱電池問世，引起了金粉們的廣泛討論。事實上，內燃機已然經過百年迭代，但電動車發展迅猛已成事實。電動車的確是未來，但肯定不是全部；燃油車也不等于落后，因為市場對精益求精的熱忱、對追求進步的褒獎和對環境友好的需求是永無止境的。

車是如此，作為同樣重要的另一種交通工具，船也是如此。你想過船也可以實現電動操控么？西門子的工程師們給出了他們的解答。這份白皮書通過影響造船行業的重要趨勢、未來船舶推進系統、電動渡輪設計的五個步驟等方面來進行討論

運輸行業如何盡可能地減少環境足跡？如何滿足大幅減排的嚴苛要求？這些問題的答案并非一蹴而就。海運行業正在積極評估減排的多種選擇。

挪威船級社預測，在未來的 20 ~ 30 年里，液態天然氣和氨將成為最有前景的兩種燃料。由于里程受限，純電動船舶預計不會占據太大的市場份額，除了小型娛樂船只和渡輪以外。船舶很可能會依賴混合動力解決方案，譬如使用液態天然氣或氨作為與電池和電動推進系統混合使用的主要燃料來源。在混合動力配置中，船舶將以自動化系統為主，根據航行路線和海面情況選擇最恰當的推進系統。

本書展示了小型娛樂船只和沿海或近海船舶，例如渡輪的合理設計選擇，即電氣化。根據這一觀點，本書以一個案例詳細呈現了使用Simcenter™ 軟件產品組合直接獲得正確設計以實現乘用渡輪電氣化的五個關鍵步驟。

計算流體力學和阻力特性SIEMENS

提議的船體設計為首尾同型渡輪，如圖1所示。

圖1  電動渡輪幾何體（由 DigitTread 供圖）

設計電動推進系統之前，必須了解需要多大功率才能推動渡輪。需要評估的第一項屬性就是提議渡輪設計的阻力和功率特性。只有工程師獲得有關設計的可靠且準確的流體動力學和阻力屬性信息之后，他們才能對電動發動機和電池組進行正確的選型。在我們的案例研究中，工程師使用高保真度計算流體力學 (CFD) 仿真軟件根據當前幾何體計算功率分布圖，如圖2所示。CFD 模板可供用戶迅速以高準確度進行全尺寸船型分析。此仿真僅需輸入幾何體、目標速度、對應最大位移的草圖。仿真會自動針對不同推進場景運行。結果會獲得阻力與速度對比曲線。

圖2  使用 Simcenter STAR-CCM+ 生成阻力與速度對比曲線

估算吸收功率SIEMENS

系統仿真工程師現在會估算吸收功率。他們將船舶流體動力學阻力數據和螺旋槳數據添加到軟件中，從而獲得吸收功率的估算值。此值對應于以所需速度推動船舶所需的功率。仿真結果如圖3所示。

圖3  使用 Simcenter 系統仿真估算吸收功率

電動機和電池組選型SIEMENS

如何達到所需的速度？工程團隊現在進行預選型以估算電動機和電池組所需的型號。

#電動機選型

輸入電動機所需的參數，軟件會自動根據輸入的參數創建性能圖，如圖4所示。

圖4  在 Simcenter Motorsolve 中設置所需值以自動創建性能圖

#電池組選型

團隊隨后進行類似仿真以估算所需的電池型號。為船舶提供動力所需的電池功率或能量已經估算。估算結果添加到軟件中，從而計算所需型號。仿真模型如圖5所示。

圖5  使用 Simcenter 系統仿真創建的電池選型仿真模型

構建電動機的虛擬模型SIEMENS

#構建數字孿生

使用仿真功能，工程師對幾種電機設計進行評估。在查看了幾種設計替代方案之后，他們找到了一種能夠符合規格的合適候選方案。

圖6  選定的電機設計 (Simcenter Motorsolve)

#執行設計探索

為了進行設計探索，工程師們讓軟件自由探索四個不同的定子拓撲參數。這些參數包括：槽深、槽口寬度、齒頂厚度和齒寬。這四個參數用作設計探索的輸入。

供應商數據集成SIEMENS

只要確定了理想電機規格，就可以與電動機制造商共享。制造商隨后可以努力交付盡可能接近設計要求的電機。只要制造商確定設計符合規格要求，那么實際電機設計特性就可以與工程團隊共享。將準確的供應商數據輸入仿真模型之后，工程師可以迅速確認所提供的電機是否滿足性能要求。

要在盡可能短的時間內盡量設計出理想船只，軟件集成是關鍵所在。借助集成式工具集，工程師可以優化團隊協同，盡可能地降低錯誤風險并提高工作效率。西門子提供的工具集可供工程師們從初始概念創建未來船舶，最終完成船舶交付。Simcenter™ 軟件產品組合將先前相互孤立的工程學科整合到一個連貫的仿真環境之中。此軟件以仿真驅動型方法對傳統設計方法構成挑戰，讓工程師們對于創新設計能夠按照要求運行滿懷信心。Simcenter™ 是 Siemens DigitalIndustries Software 旗下綜合性、集成式軟件和服務 Xcelerator 產品組合的一部分。