在日益严格的排放法规和“双碳”政策的双重挑战下，船用低速柴油机因其动力强、经济性好的特点，目前仍是船舶推进的主要动力装置，针对其性能优化与控制策略的研究十分重要。本文以船用低速柴油机为研究对象，开发了船用低速柴油机的全循环工作过程仿真模型，其具有模拟进气口扫气、缸内压缩、缸内燃烧和排气阀排气的功能，可以计算0到360度完整的工作循环。开发的船用低速柴油机全循环仿真模型，能为喷油控制参数和换气控制参数与船用低速柴油机性能的相关度分析提供研究平台。随后利用开发的船用低速柴油机全循环仿真模型，进行了喷油时刻、喷油脉宽、排气阀开启时刻和排气阀关闭时刻等控制参数与船用低速柴油机性能相关度的研究分析。

本文以某V型船用柴油机为研究对象，基于AVL Excite PU仿真平台建立了活塞多体动力学仿真计算模型和整机振动响应模型，通过与试验数据对比验证了计算模型的精度。研究柴油机不同负荷下活塞侧推力和阀系载荷对整机结构振动特性的影响。结果表明，增加柴油机负荷后全频段范围内的振动幅值均有增加；在0-1000Hz范围内，气缸压力和活塞侧推力是机脚振动的主要激励源；在1000-3000Hz范围内，阀系激励对机脚振动的贡献较大，研究结果对柴油机低振动设计与优化提供了参考。

为研究船用发动机附件的可靠性问题，以某型号船用发动机附机海水泵为研究对象，基于有限元分析方法，分别预测海水泵在摇摆工况、振动工况、振动摇摆耦合工况下的疲劳寿命。在摇摆工况下海水泵疲劳寿命大于10^7次，安全系数大于2，在振动工况下疲劳寿命为7.9×10^6次，安全系数为1.0，皆不存在疲劳失效风险；而在耦合工况下疲劳寿命仅为1.6×10^6次，安全系数为0.9，存在疲劳失效风险。结果表明，振动、摇摆载荷的耦合作用对海水泵的可靠性将会产生较大影响。

柴油机翻边轴承包含径向和止推两部分，其支撑曲轴、阻止曲轴轴向窜动的功用主要通过这两部分的润滑承载来实现。为进一步研究翻边轴承润滑特性与动力学性能，改善其服役性能，该文章考虑翻边轴承径向与止推部分在公共边界上的耦合润滑效应，提出了耦合润滑过程中需满足的热连续性条件，构建了翻边轴承热弹流润滑分析模型，并在此基础上利用微扰动法得到翻边轴承的交叉耦合刚度阻尼系数。研究结果表明，翻边轴承热弹流润滑分析中，在考虑径向-止推两部分公共边界耦合润滑效应时有必要引入热连续性条件；考虑径向-止推耦合效应后，翻边轴承径的交叉刚度阻尼均有升高，且随着偏心率的增大，交叉刚度与交叉阻尼逐渐升高。

为设计一种可替代传统火花塞的超声波高能点火器，基于多目标遗传算法对超声高能点火器设计与优化分析。采用一维纵向振动理论获得点火器初始结构尺寸，利用ANSYS Workbench仿真间接验证COMSOL Multiphysics仿真方法与计算结果的正确性，以点火器的初始结构尺寸为设计变量，以共振频率和振速比为优化设计目标，结合螺栓预紧力的影响，通过对设计方案开展特征频率和频域扰动分析，构建出点火器响应面优化模型。基于多目标遗传算法求出Pareto最优解集，并从中选取点火器最优设计参数。为验证设计有效性，对优化后方案进行了特征频率和振速比计算分析。研究结果表明：超声高能点火器多目标优化后方案振速比为2.44，较优化前提高了约26%，且纵向共振频率更接近设计目标频率。此多目标优化设计方法可为新型超声换能器研发，提供一种高效准确的设计优化思路。

以某型船用发动机附机海水泵为研究对象，针对其实际使用过程中受到振动、摇摆耦合载荷后出现的失效情况展开研究。为摸清其工作时受振动、摇摆耦合载荷时的应力分布情况，对某型海水泵总成进行有限元建模。基于有限元方法对其展开模态分析及应力分析，通过应力计算结果对比各类机械载荷（包括振动、摇摆及垂荡）对海水泵总成局部最大应力的影响程度。由有限元仿真分析可得，在海水泵工作环境中，多向振动载荷相比其他机械载荷的作用更为显著，但摇摆及垂荡载荷同时施加时海水泵总成的局部最大应力提高了8.2％，多载荷耦合施加对海水泵总成的应力分布及疲劳可靠性的影响不容忽视。

为研究向内燃机缸内燃烧室馈入超声能量对工质点火与燃烧过程的影响作用机理，在不同缸内压力与超声衰减系数条件下，基于修订的Rayleigh-Plesset方程，推导出超声激励燃料液体内部单个空化气泡的动力学模型，实现超声辐照条件下燃料内部空泡演化过程的数值模拟。在不同空泡初始半径条件下，对比分析缸内环境与常规液体环境中空泡的动力学演化过程，研究超声频率与声压幅值对燃料液体中单个空泡的动力学过程影响规律，获取超声声压幅值对空泡崩溃瞬时的峰值温度及最高压力的影响关系。结果表明，通过向缸内燃烧室馈入超声能量，能使燃料内部空泡产生超声空化的动力学演化过程，且声压幅值对空泡崩溃瞬时产生的高温、高压极限燃点具有积极影响。

由于采用稀燃策略，同时空气流量降低，氢内燃机升功率相比汽油机明显降低，而涡轮增压是提升氢内燃机功率密度的有效手段。氢气为气态燃料且空燃比较大，因此氢内燃机涡轮增压器的选型相比于汽油机增压器更为复杂；同时由于氢内燃机排气组分中不含CO2且排气温度低，涡前排气的焓值与绝热指数会有所不同。作者提出了一种为增压氢内燃机选型涡轮的方法，并考虑及计算了涡轮入口处气体组分和温度，根据各参数计算得到涡轮的膨胀比。此外本研究采用了涡前温度的假定值和计算值迭代的方法，提升计算方法的准确性。根据一款2.3 L增压氢内燃机在不同转速和节气门开度下的实验数据，此方法的准确性得到了验证。涡轮膨胀比的计算值与试验值的误差在5%以内，此方法可以在选型增压氢内燃机涡轮的过程中提供指导。

为对空气辅助喷嘴内部的气液相互作用进行研究，进而分析不同参数对该喷嘴喷雾发展的影响机制，建立了空气辅助喷嘴及定容弹环境的仿真模型。通过该模型分析了空气辅助喷嘴的工作过程并研究了喷油压力、气体压力和环境压力对喷嘴内部气液作用以及喷雾发展的影响。研究发现，空气辅助喷嘴的工作分为油气混合阶段和油气混合物喷射阶段。油气混合阶段，油滴以喷雾形式进入喷嘴混合腔内，平均粒径减小到40到60微米；油气混合物喷射阶段，辅助气体的挤压和剪切作用使油滴平均粒径减小到20微米，并通过轴向驱动作用使油滴喷出喷嘴。油气混合物喷射阶段喷嘴内部的气液作用直接影响喷嘴外部的喷雾发展；不同参数均通过影响油气混合物喷射阶段喷嘴内气液作用进而影响喷雾的空间发展。喷油压力的改变不影响喷嘴内部气液作用，因此不会影响喷雾发展，气体压力增大或环境压力减小会增强喷嘴内部气液作用，从而促进喷雾的空间发展。针阀开启前期辅助气体主要起挤压和剪切作用，针阀开启中后期辅助气体主要起轴向驱动作用。辅助气体的轴向驱动作用主要在喷气前中期产生影响，因而实际使用时喷嘴不需要过大的喷气脉宽。

为探究低负载工况下不同参数对三轴燃气轮机性能的影响以及选取最优工况运行点，开展三轴燃气轮机的仿真计算及多目标优化。本文基于燃气轮机部件特性和容积惯性法建立三轴燃气轮机数学模型，再应用仿真软件建立了三轴燃气轮机仿真模型，并通过设计值对模型的精度进行了验证，然后结合试验设计和相关性分析方法，探究了不同参数与三轴燃气轮机关键性能的相关性规律。最后开展了在负载突卸下搭载两种不同控制器的三轴燃气轮机的动态性能多目标优化，定量分析了ADRC控制器与PID控制器在船用三轴燃气轮机上的多目标优化结果。研究结果表明：低负载运行下可转导叶角度与的低压压气机喘振裕度相关性达到了高度相关，进气温度和可转导叶角度与高低压转子转速及涡轮前温度存在显著相关，进气压力和动力涡轮转速与燃油流量和NOx排放为强相关。通过50%-10%负载突卸下动态性能的多目标优化，ADRC组突卸过程的燃油消耗量降低了33.33%，NOx排放降低了30.08%，动力涡轮转速的超调量、调整时间和上升时间分别减少了21.85%、24.44%和17.39%，实现了三轴燃气轮机性能的多目标优化。且ADRC的各项性能参数均优于PID。ADRC的燃油消耗量相较PID减少了14.29%，NOx排放减少了21.06%，超调量、调整时间和上升时间各种动态指标也有明显提升，说明在相同的控制条件下，ADRC控制器的动态过程控制效果要好于PID控制器。