V型發(fā)動機整機參數(shù)化設(shè)計研究_圖文

1、第 22卷第 4期 2006年 8月 機械設(shè)計與研究Machine Design and Research Vol . 22No . 4Aug . , 2006 收稿日期 :2005-11-17文章編號 :100622343(2006 042098204V 型發(fā)動機整機參數(shù)化設(shè)計研究張繼春 1, 2, 李興虎 1, 楊建國2(1. 北京航空航天大學 汽車工程系 , 北京 100083, E mail:zjcbhysina . cn;2. 哈爾濱工業(yè)大學 , 摘 要 :, , V 型發(fā)動機 , 以 Pr o /ENGI 2NEER , ; 文獻標識碼 :AOn Param etr i c D e

2、si gn of V 2type Eng i n e A ssem blyZ HANG J i 2chun1, 2, L I Xing 2hu 1, Y ANG J ian 2guo2(1. Depart m ent of Aut omobile Engineering of Beihang University, Bejing 100083, China; (2. Depart m ent of Aut omobile Engineering of Hearbin I nstitute of Technol ogy, W eihai 264209, China Abstract:Para m

3、etric technol ogy based on feature was studied t o create and contr ol para metric modeling of inter 2nal combusti on engine components . The structuer definiti on and para meters transferring and contr olling method were de 2fined according t o t op 2down design technol ogy . Under Pr o /ENGI N EER

4、, the fast para metric design of comp lete asse m 2bly for v 2type engines, was achieved .Key words:para metric; feature; t op 2down; V 2type engine 內(nèi)燃機 , 特別是 V 型發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計非常復雜 。國內(nèi) 汽車行業(yè)在設(shè)計內(nèi)燃機時 , 通常采用自底向上的逐步建模和 逐步裝配方法 , 這種方法雖然對于底層零件的設(shè)計修改非常 方便 , 然而想實現(xiàn)內(nèi)燃機的變結(jié)構(gòu)設(shè)計幾乎是不可能的 。本 文通過對基于特征的參數(shù)化設(shè)計和自頂向下技術(shù)的研究 , 以V 型發(fā)動

5、機為例 , 介紹內(nèi)燃機的快速參數(shù)化設(shè)計方法 。1 基于特征的參數(shù)化技術(shù) 參數(shù)化設(shè)計 1是一種使用參數(shù)快速構(gòu)造和修改幾何模 型的造型方法 , 這些參數(shù)包括形體尺寸 、 方向等幾體參數(shù)及 其它非幾何參數(shù) 。 即采用一定數(shù)量的參數(shù)控制特征定形 、 定 位尺寸和特征存在性以及其它非幾體信息 (如材料屬性等 , 從而控制產(chǎn)品模型的外觀和屬性 。內(nèi)燃機零部件的參數(shù)化設(shè)計可以分為兩個階段 , 一是零 部件的結(jié)構(gòu)特點分析及特征歸納 , 另一個是零部件參數(shù)化的 實現(xiàn)過程 。111 零部件的結(jié)構(gòu)特點分析及特征歸納 針對不同的零部件采用不同的結(jié)構(gòu)分析方法 , 像復雜的 缸體蓋采用基于功能分解的特征分析法 3, 4,

6、 而簡單的零部 件則直接采用特征分析法 。特征歸納就是將內(nèi)燃機零部件 歸納為最底層建模特征的過程 。曲柄連桿機構(gòu)的零部件比 較簡單 , 其特征庫可以歸納為圖 1的形式。 圖 1 曲柄連桿機構(gòu)特征庫由于缸體結(jié)構(gòu)比較復雜 , 按照基于功能分解的特征建模 法原理 , 將其進行功能分解和結(jié)構(gòu)分解 , 如圖 2所示 , 上面為 缸體的功能分解圖 , 下面為缸體的結(jié)構(gòu)分解圖。根據(jù)結(jié)構(gòu)和 功能對應原則 , 得出功能映射的結(jié)構(gòu) , 同時根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計變 元原理尋求組成對應結(jié)構(gòu)的基本元素 , 確定與其數(shù)量 、 大小 、 形狀 、 方位 、 相互連接方式 、 表面特征 、 材料和工藝等參數(shù)相 對應的特征 。 圖 2

7、 缸體的功能分解和結(jié)構(gòu)分解圖 112 零部件的參數(shù)化實現(xiàn)過程 必須首先建立基于特征的零件表達模型 , 然后分別對零 部件的形位尺寸和存在性進行參數(shù)化 , 以便能夠?qū)μ卣鬟M行參數(shù)化驅(qū)動 。(1 零件模型的表達 在定義了特征 , 并對其進行分類及表達之后 , 即可以通過特征拼合出零件模型 。零件模型 主要描述零件的特征組成 , 其中定義了零件標識 、 零件名 、 由 所有組成零件的特征構(gòu)成的特征鏈 、 描述特征間關(guān)系的特征 關(guān)系樹以及材料等信息 。 其結(jié)構(gòu)如下 :P ART P ART_I D /3零件標識 3/P ART_NAMN/33/FE URE_L3/N L /3零件材料信息3/(2 特征

8、形位尺寸的參數(shù)化驅(qū)動 將特征的形位尺寸以相應的參數(shù)表示 , 通過輸入不同的參數(shù) , 便可以生成具有 不同形位尺寸的特征 。(3 特征存在性的參數(shù)化驅(qū)動 特征存在性的參數(shù)化驅(qū)動即指特征能夠隨著布爾型參數(shù)的變化而進行添加和刪 除的操作 。2 自頂向下技術(shù) 自頂向下的產(chǎn)品設(shè)計高想是 90年代初期由 Mantyla 提 出的 , 同時他將此設(shè)計過程分成了 3個設(shè)計階段 :功能設(shè)計 、 概念設(shè)計和詳細設(shè)計 。內(nèi)燃機自頂向下的設(shè)計過程 2-5一 般都要經(jīng)歷功能設(shè)計 、 概念設(shè)計 、 結(jié)構(gòu)裝配設(shè)計 、 零件詳細設(shè) 計等環(huán)節(jié) , 從粗到細 、 從簡單到復雜 、 從模糊到精確 , 從而實 現(xiàn)先裝配后零件的設(shè)計順

9、序 , 最大限度地滿足了產(chǎn)品功能和 結(jié)構(gòu)要求 , 減少設(shè)計錯誤 , 并有利于提高設(shè)計效率和設(shè)計質(zhì) 量 , 而且便于在各個子裝配體之間及時準確地傳遞設(shè)計信 息 , 從而達到信息共享的目的 , 是一種高效率的設(shè)計方法 。 采用自頂向下的設(shè)計方式 , 一方面提高了工作效率 , 另一方 面使設(shè)計者能夠更多考慮模具結(jié)構(gòu)的裝配協(xié)調(diào)性 。自頂向下設(shè)計是從產(chǎn)品的頂層 (即功能要求 開始 , 選用 一系列的零件去實現(xiàn)產(chǎn)品的功能 。首先按照該產(chǎn)品的最基 本功能和要求 , 在設(shè)計頂層構(gòu)筑 1個 “ 基本骨架 ” , 即 “ 頂層基本骨架 ”(t op basic skelet on, T BS , 設(shè)計出初步方案及

10、其結(jié) 構(gòu)草圖 , 建立約束驅(qū)動的產(chǎn)品模型 , 并通過設(shè)計計算 , 確定每 個設(shè)計參數(shù) ; 然后進行零件的詳細設(shè)計 , 通過幾何約束求解 , 將零件裝配成產(chǎn)品 , 同時對設(shè)計方案分析之后 , 返回修改不 滿意之處 , 直到得到滿足功能要求的產(chǎn)品 。 圖 3為自頂向下 的設(shè)計過程描述 。 圖 3 自頂向下設(shè)計過程99第 4期 張維春等 :V 型發(fā)動機整機參數(shù)化設(shè)計研究 圖 4 頂級布局文件 圖 5 缸體布局文件參數(shù) (傳遞 控制 圖 6 參數(shù)控制過程 首先設(shè)計發(fā)動機的初步方案 , 據(jù)此建立設(shè)計草圖 , 即建 立發(fā)動機最頂層基本骨架模型 (布局模型 , 確定模型的主要 參數(shù) 。 在本設(shè)計中 , 建立

11、發(fā)動機頂層布局文件 engine . lay, 如 圖 4所示 。將頂級布局模型中的結(jié)構(gòu)映射到發(fā)動機各個子系統(tǒng)的 草圖設(shè)計中 , 同時將頂級布局模型中的參數(shù)傳輸?shù)礁髯酉到y(tǒng) 中 , 完成各子系統(tǒng)的布局設(shè)計和參數(shù)定義 。 在這一步中 , 建 立缸體子系統(tǒng) (布局文件為 engine_block . lay, 如圖 5所示 。缸蓋子系統(tǒng) (布文件為 cyl_head. 和曲柄連桿機構(gòu)子 。 在 Pr o /ENGI N EER 系統(tǒng)中 , 有兩種方法可以迅速實現(xiàn)零 件模型的參數(shù)化自動化生活 6, 7, 分別是 Fa m ily Tab (族表 和 Pr ogra m (程序 。(1 族表 (Fam

12、ily Tab 族表 (Fa m ily Tab 是 Pr o /ENGI N EER 中的一個利用表格 來驅(qū)動模型工具 , 可以將事先定義好的模型 (稱為“ GE NER 2I C ” 的零件 中可供驅(qū)動的尺寸參數(shù) 、 特征 、 模型參數(shù)等放入表格中 , 通過在表格中輸入新的參數(shù)值就可以創(chuàng)建一個新的 零件 (稱為 “ I N ST ANCE ” 的零件 。族表的產(chǎn)生過程是 , 首先建立一個具有代表性的零件 ,此零件稱為通用零件 (或原始零件 Generic Part 。然后 , 根據(jù)可變情況編輯族表項目 , 可變項目可以是 :尺寸 (D i m en 2si on 、 參數(shù) (Para me

13、ter 、 特征 (Feature 與組件 (Component 等 。 完成族表內(nèi)容后 , 需進行校驗 , 然后系統(tǒng)會自動一一再 生 , 從而生成若干子零件 (I nstance Part 。在 V 型發(fā)動機中 , 一些標準件 (例如連桿螺栓 、 螺母等 采用 Fa m ily Tab 方式進行自動化建模 。(2 程序 (Pr ogra m 在 Pr o /ENGIN EER 系統(tǒng)中 , 每建立一個模型 , 都會有一 個宏文件記錄模型的產(chǎn)生過程 , 如果能夠?qū)@個宏文件進 行修改 , 則可以控制模型的建立過程 , 從而控制所生成的模 型 。 Pr ogram 就是這樣的一個控制并修改該宏文件

14、的工具 。 運用 Pr ogram , 可以修改一切與模型建立過程相關(guān)的參數(shù)(包括尺寸參數(shù) 、 特征或零件存在性參數(shù) 、 特征或零件之間的關(guān)系參數(shù)以及質(zhì)量參數(shù)等 , 從而控制所要生成的零件或 組件 。 修改好 Pr ogram 文件后 , 相應輸入各參數(shù)變量 , 便可 以自動再生成不同的模型 , 進而可以將這些模型例化為獨 立的模型 。在本系統(tǒng)中 , 缸體 、 缸蓋以及曲軸 、 連桿等主要部件和一 些非標件 (例如氣門室罩 、 油底殼等 采用 Pr ogra m 方式進行 變結(jié)構(gòu)設(shè)計 。通過自頂向下的參數(shù)控制和 Fa m ily Tab 及 Pr ogram 對零 部件參數(shù)化的實現(xiàn) , 本系統(tǒng)

15、最終實現(xiàn)了 V 型發(fā)動機整機的參 數(shù)化設(shè)計 。 圖 7所示為本系統(tǒng)所生成的 V6發(fā)動機整機裝配模型及缸體 、 曲柄連桿機構(gòu)模型 。 圖 8所示為本系統(tǒng)所生成 的 V8發(fā)動機整機裝配及缸體 、 曲柄連桿機構(gòu)模型圖 。001機械設(shè)計與研究 第 22 卷 (a 整機裝配 (b 缸體 ( c 曲柄連桿機構(gòu) 圖 7 V6 發(fā)動機模型圖(a 整機裝配( (c 曲柄連桿機構(gòu) 圖 8 V8發(fā)動機模型4 結(jié)論 V 型發(fā)動機的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較復雜 , 一般需要較長的開發(fā) 周期 。 采用基于特征的參數(shù)化設(shè)計和自頂向下技術(shù)開發(fā)出V 型發(fā)動機的參數(shù)化設(shè)計系統(tǒng) , 能夠大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期 , 提高了結(jié)構(gòu)設(shè)計效率 , 進而滿

16、足市場多變需求 , 提高企業(yè) 的市場競爭能力 。參考文獻 :1 徐 斌 , 宋寶玉 , 王兆海 , 發(fā)動機零件特征參數(shù)化模型 J .哈爾濱工業(yè)大學學報 , 2003, 32(1 :811. 2 王耕耘 , 王義林 , 李志剛 . 支持自頂向下模具設(shè)計的裝配建模方法 J .中國機械工程 , 1998, 9(1 :4648. 3 岳建鵬 , 尹文生 , 王啟富 . 基于虛擬零件的自頂向下并行裝配設(shè)計 J .華中理工大學學報 , 2000, 28(5 :1315. 4 蔡 波 , 陸長德 , 余隋懷 , 等 . 自頂向下的計算機輔助工業(yè)設(shè)計幾何建模研究 J .計算機輔助設(shè)計與圖形學學報 , 2001, 13(12 :11291132. 5 張繼春