柴油機數(shù)字化設計自頂向下建模

1、柴油機數(shù)字化設計自頂向下建模作者：暫無來源：智能制造2014年第8期論述了應用Pro/ENGINEER軟件在Intralink環(huán)境下完成柴油機數(shù)字化設計的自頂向下建模準則和方法，以曲軸幾何建模實例介紹了柴油機通用零部件幾何模型的細化過程，體驗了“頂層總體控制、逐級細化完善、并行協(xié)同設計”數(shù)字化建模方法的高效實施。撰文/中國北方發(fā)動機研究所楊唯峰黃樹和王延榮楊俊恩在市場化、國際化新形勢下，為了滿足客戶需求，企業(yè)越來越重視CAD/CAM領域的“寵兒”數(shù)字樣機技術。使用數(shù)字樣機技術，可以使產(chǎn)品的設計者、使用者和制造者在產(chǎn)品研制的早期，通過虛擬環(huán)境直觀形象地對數(shù)字化的虛擬產(chǎn)品原型進行設計優(yōu)化、性能測試

2、、制造仿真和使用仿真，可以迎合客戶對產(chǎn)品不斷改進的個性化、多樣化要求，形成企業(yè)的創(chuàng)新機制和能力，強化企業(yè)在劇烈的全球化經(jīng)濟中的快速反應能力和競爭力。數(shù)字化建模是數(shù)字樣機的基礎，是應用三維機械CAD軟件對零件和部件進行裝配設計，形成產(chǎn)品整機或零部件三維數(shù)字模型的過程。裝配設計有兩種典型方法，即自底向上建模(Bottom-up)和自頂向下(Top-down)建模。兩種設計模式各有特點，應根據(jù)不同的研發(fā)性質和產(chǎn)品特點，選用合適的流程。柴油機新產(chǎn)品研發(fā)更適宜采用自頂向下的設計模式，自頂向下建模更能反映真實的設計過程，減少重復設計，提高設計效率。一、自頂向下建模設計準則自頂向下設計就是設計時從系統(tǒng)角度入

3、手，針對設計目的，綜合考慮形成產(chǎn)品的各種因素，確定產(chǎn)品性能、組成、相互關系和實現(xiàn)方式，形成設計的總體方案；然后在此基礎上分解設計目標給分系統(tǒng)具體實施，分系統(tǒng)從上級系統(tǒng)獲得必須的相關參數(shù)等，并在上級系統(tǒng)確定的邊界內(nèi)開展設計，最終完成總體性能相對最優(yōu)的設計。其設計準則有以下幾點。采用自頂向下的設計思路和模塊化設計手段，將柴油機的概念設計、方案設計和工程設計有效地結合在一起，通過關鍵參數(shù)的設定來控制整機結構，牽引部件設計，實現(xiàn)設計過程的數(shù)字化。設計任務由總體到系統(tǒng)、部件逐級分解，由部件、系統(tǒng)到整機逐步組合，實現(xiàn)產(chǎn)品的并行設計?？傮w布置牽引，坐標系裝配方式，參數(shù)化模型設計，確定控制參數(shù)和控制方法，保證

4、裝配模型裝配約束和尺寸約束有效性。設計參數(shù)通過骨架文件的發(fā)布幾何及復制幾何進行傳遞及更新，實現(xiàn)設計條件的實時傳遞、共享、繼承和變更。柴油機整個設計階段完全在Pro/ENGINEER和Intralink設計平臺上進行。二、設計環(huán)境定制創(chuàng)建初始的裝配模型，需要進行建模環(huán)境配置和模型模板配置。軟件設計平臺環(huán)境定制包括軟件安裝配置、軟件基礎環(huán)境配置、三維設計環(huán)境、二維設計環(huán)境及產(chǎn)品管理方法、模式定制等?；赑ro/ENGINEER建模時，應該按照系統(tǒng)環(huán)境設計要求，對軟件的運行環(huán)境進行三維基礎環(huán)境配置，完成軟件環(huán)境設置。設計模板定制包括三維骨架標準模板定制、關鍵零部件三維初始模型模板定制和二維標準圖框模

5、板定制等。新建模型時，零件和組件模板分別使用70_start_part（零件模型）和70_start_asm（組件模型），不使用Pro/ENGINEER軟件缺省模板。在設定模型模版時，應將零件名稱、零件圖號、材料屬性、所屬裝配號、產(chǎn)品代號及零件類型（重要件、關鍵件）等進行相應設置。三、自頂向下建模設計方法總體布置確定設計目標后，根據(jù)客戶需求形成產(chǎn)品任務書，作為設計輸入，進行產(chǎn)品初步的系統(tǒng)分析，統(tǒng)一考慮影響產(chǎn)品形成的全部要素（工藝、制造和用戶要求），形成結構布置方案、功能實現(xiàn)方案等。產(chǎn)品骨架模型設計骨架模型也稱布局模型，它是用于控制柴油機裝配模型的姿態(tài)、整體布局、設計參數(shù)、關鍵幾何、裝配接口及接

6、口幾何形狀等信息的模型文件。骨架模型主要定義一些基本的設計信息、各組件、附件及整機的安裝位置和接口關系，主要包括整機坐標系、部件定位信息、部件間的接口關系、接觸表面的輪廓、關鍵件的形狀和尺寸等。所有三維數(shù)字模型應將柴油機整機坐標系作為絕對坐標系，設計位置按照柴油機整機狀態(tài)下實際位置開展三維設計。后續(xù)幾何主要是由基準面、軸、點、相對坐標系、控制曲線和曲面等構成?？梢愿鶕?jù)零部件特點自定義設計坐標系，運動零部件及組件位置定義不應該約束其運動姿態(tài)（如活塞的往復運動、齒輪的旋轉等）。自定義設計坐標系在自頂向下設計中的作用是：在裝配設計中作為裝配單元設計的參照基準；通過發(fā)布幾何控制零件設計位置；在模塊化設

7、計及零部件設計中用于控制參數(shù)，保證在參數(shù)變更時各子模塊及相關零部件狀態(tài)能夠及時更新，保持參數(shù)及接口的一致性。數(shù)字樣機設計骨架模型類別分為總骨架、發(fā)布骨架和子骨架。調用三維骨架模板，進行重命名等操作，設計該產(chǎn)品的整機總骨架裝配模型、機體總骨架模型、氣缸蓋總骨架模型、運動骨架模型、分系統(tǒng)發(fā)布骨架、分系統(tǒng)子骨架，定義大致的裝配結構。（1）整機總骨架模型設計。Layout又稱布局，是通過Pro/ENGINEER創(chuàng)建出的一種二維繪圖文件，設計師可使用布局圖中創(chuàng)建的參數(shù)，通過聲明操作，與骨架等三維模型創(chuàng)建關系，通過布局控制產(chǎn)品的主要設計參數(shù)。首先使用布局Layout文件模板，另存為當前產(chǎn)品的布局Layou

8、t文件，并進行命名；然后修改布局中“整機性能參數(shù)表”、“機體結構參數(shù)表”和“氣缸蓋結構參數(shù)表”的性能及結構參數(shù)，完成產(chǎn)品布局Layout的設計。整機裝配骨架模型包括機體總體骨架、氣缸蓋總體骨架和曲軸連桿活塞的運動骨架（用以生成運動包絡模型）三個部分。使用整機裝配骨架模板，另存為當前產(chǎn)品的整機裝配骨架模型，并進行命名，完成整機裝配骨架的設計。2）分系統(tǒng)發(fā)布骨架設計。建立分系統(tǒng)發(fā)布“骨架.prt”模型。按分系統(tǒng)發(fā)布骨架設計要求從總骨架中復制發(fā)布幾何特征。（3）各系統(tǒng)子骨架設計。建立子“骨架.prt”模型。按照分系統(tǒng)零部件模型創(chuàng)建要求，從分系統(tǒng)發(fā)布骨架中復制幾何特征，作為分系統(tǒng)零部件設計輸入。子系統(tǒng)

9、的發(fā)布骨架模型應與總骨架一致。柴油機自頂向下設計一般流程如圖1所示。望JA血Ib*、I-n.1ilm、ml3*44即si-齊ri-dj-nr-fl.即應用Pro/ENGINEER軟件在Intralink環(huán)境下完成柴油機設計的自頂向下建模，要將各參數(shù)信息表達在柴油機總體骨架設計中，通過骨架傳遞來指導和約束部件的工程設計。整機總骨架、分系統(tǒng)發(fā)布骨架及子骨架間采用復制幾何的方法將頂層設計信息向下逐層傳遞。在整機骨架中要聲明布局，以便發(fā)布和接收設定的柴油機關鍵參數(shù)，建立整機骨架和零部件結構參數(shù)間的關系，實現(xiàn)模型的數(shù)據(jù)共享和統(tǒng)一，保證設計信息的實時傳遞和更新。在裝配模型中設計實體元件時，需要根據(jù)上級裝配

10、模型中傳遞來的設計信息，分別設計出滿足要求的實體零件，通過零件裝配形成子裝配模型。子裝配模型設計可獨立進行，亦可協(xié)同并行完成。各子裝配模型設計完成后，通過數(shù)據(jù)更新可實現(xiàn)頂層裝配模型的自動更新。四、柴油機零部件建模實例一一曲軸幾何建模根據(jù)柴油機曲軸的結構特點，將曲軸分解成為一些比較簡單的特征單元，通過單元數(shù)據(jù)共享，快捷地開展曲軸的造型和修改工作。曲軸幾何建模的基本流程如圖2所示。卿川”I1.曲軸建模單元體劃分曲軸從結構特征出發(fā)，可劃分為曲拐單元、曲軸前端、曲軸后端3個基本單元體，而從曲軸功能角度出發(fā)，各個曲拐單元需要有固定的空間角度位置，并需要通過油路的設計，將主軸頸與連桿軸頸的油路貫通，故曲軸

11、建模還需要曲拐布置單元、曲軸潤滑油路2個單元體，通過上述5個單元體的數(shù)據(jù)共享及布爾運算，再輔以局部特征的構建，就能夠得到曲軸的幾何模型。2.特征單元模塊構建首先，根據(jù)總體發(fā)布的設計信息（如協(xié)調卡片、骨架、參數(shù)等）完成曲拐布置單元模塊構建。在進行曲軸幾何建模坐標基準定義時，坐標點在靠前氣缸中心與曲軸中心的交點上，將X坐標軸定義為旋轉軸，正方向指向曲軸后端，Z坐標軸定義為垂直軸（沿氣缸中心線方向），正方向指向氣缸平面，Y坐標軸定義為水平軸（垂直氣缸中心線方向）。通過對軸坐標X正方向上按缸心距偏移，旋轉軸方向上按曲拐夾角旋轉，可逐一確定后續(xù)單元的空間安裝位置參照，形成“*-skel.prt”文件，此

12、文件將作為曲軸其它4個基本單元體裝配及數(shù)據(jù)共享的基準，如圖3所示。|Hn分別構建曲拐單元、曲軸后端、曲軸前端及曲軸潤滑油路等特征單元，分別形成“*.prt”文件。曲拐單元中包含1個連桿軸頸、2個曲柄臂及2個主軸頸，由于不同曲軸的平衡需求不同,曲拐單元體是根據(jù)平衡配置需求而變化的一類單元體，其變化主要體現(xiàn)的平衡重在曲柄的安裝狀態(tài)上。曲拐單元的安裝坐標應位于曲拐靠前一缸氣缸平面內(nèi)，基準坐標軸方向的定義必須與曲拐布置骨架單元中的定義一致，如圖4所示。模塊中特征建立順序應按照先總體后局部、先大后小、先主要后次要的原則。曲軸前、后端一般為簡單的旋轉體。曲軸后端單元特征上需要體現(xiàn)與飛輪的接口及曲軸的軸向止

13、推結構，單元中需要包含主軸頸的剩余長度及飛輪接口的連接法蘭；曲軸前端單元特征上需要體現(xiàn)與減振器及附件驅動機構的接口結構，單元中需要包含主軸頸的剩余長度、減振器及附件驅動機構接口的連接法蘭。k|MUj陰個#舅事七./”匚T*叩曲軸單元體裝配新建crankshaft.asm文件，先行裝配“*-skel.prt”模塊，然后以曲拐布置骨架單元中定義的坐標基準點為參照，將曲拐單元、曲軸后端、曲軸前端及曲軸潤滑油路單元的“*.prt”文件組裝在一起，形成曲軸裝配體文件，在該文件中將形成各單元的相對位置信息，如圖5所示。曲軸單元體集成新建“*.prt”文件，通過共享數(shù)據(jù)-復制幾何的方法，將曲拐單元、曲軸后端、曲軸前端、潤滑油路單元等基本單元體的曲面特征復制到新建文件中；將曲拐單元與對應的潤滑油路單元進行布爾運算，將潤滑油路特征添加在曲拐特征中；將運算形成的曲拐單元曲面、曲軸后端曲面及前端曲軸進行實體化，形成曲軸實體模型。曲軸幾何模型在曲軸實體模型基礎上，通過局部的圓角、倒角及連接法蘭口螺紋的修飾特征補充到模型上，并重新構建工程標注需要的基準軸，即完成了曲軸幾何模型的構建，如圖6所示。臥由日兒忡盤空五、結語數(shù)字化建模，把產(chǎn)品的物理模型轉化為與真實物理產(chǎn)品之間具有1:1的比例且尺寸精確的產(chǎn)品