基于Pro/E工程機械6缸發(fā)動機虛擬設(shè)計與分析

常 云 朋

(洛陽理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

基于Pro/E工程機械6缸發(fā)動機虛擬設(shè)計與分析

常 云 朋

(洛陽理工學(xué)院 機械工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

提出了一種基于Pro/E軟件的發(fā)動機虛擬設(shè)計方法。通過對創(chuàng)建的6105發(fā)動機虛擬樣機進行模型分析、運動分析，對連桿部件進行有限元分析，實現(xiàn)了裝配干涉檢驗和零部件結(jié)構(gòu)優(yōu)化，獲得了運動部件運動特性參數(shù)，連桿部件的應(yīng)力、位移以及固有頻率和振型，從而在無需物理樣機情況下提前發(fā)現(xiàn)并解決設(shè)計中存在的問題，降低開發(fā)成本。

6缸發(fā)動機;虛擬設(shè)計;Pro/E;運動分析;有限元分析

發(fā)動機是工程機械的核心。傳統(tǒng)發(fā)動機設(shè)計一般需經(jīng)歷產(chǎn)品設(shè)計、樣機試制、性能測試、改進等階段，設(shè)計周期較長。此外，發(fā)動機設(shè)計涉及到多方面知識，傳統(tǒng)設(shè)計在設(shè)計方案選擇，結(jié)構(gòu)與性能優(yōu)化和設(shè)計效率方面存在較多問題。為此，有必要將CAD技術(shù)、虛擬設(shè)計技術(shù)等先進設(shè)計方法與手段應(yīng)用于發(fā)動機設(shè)計過程，用虛擬樣機代替物理樣機對設(shè)計方案進行驗證分析，從而提高設(shè)計質(zhì)量和效率，降低設(shè)計成本。

虛擬設(shè)計是指借助于軟件系統(tǒng)在計算機中建立機械系統(tǒng)的三維模型，并對系統(tǒng)及零部件進行剛度、強度、固有頻率、運動特性等方面的分析，從而能以較高的置信度預(yù)測產(chǎn)品在使用中的性能，并對分析中發(fā)現(xiàn)的問題及早解決，提高產(chǎn)品研發(fā)質(zhì)量，縮短研發(fā)周期[1-2]。

1 發(fā)動機虛擬設(shè)計研究現(xiàn)狀

目前，在發(fā)動機虛擬設(shè)計方面較多研究只針對發(fā)動機某一部分結(jié)構(gòu)建立三維模型并分析。如：對發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)、配氣機構(gòu)建立仿真模型并分析以獲得運動參數(shù)；對發(fā)動機缸體、冷卻水道、連桿、活塞建立仿真模型并分析以進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化等[3-6]。較少研究針對工程機械用發(fā)動機整機建立三維數(shù)字模型并分析。虛擬設(shè)計需借助于軟件系統(tǒng)實現(xiàn)。多數(shù)研究采用CAD軟件(如Pro/E、UG)、動力學(xué)分析軟件(如ADAMS)和有限元分析軟件(如ANSYS)相結(jié)合的方式。由于產(chǎn)品的三維建模、運動仿真和有限元分析分別基于相互獨立的軟件系統(tǒng)，在軟件之間需要進行數(shù)據(jù)的導(dǎo)入與導(dǎo)出，易于造成數(shù)據(jù)丟失。此外，各階段數(shù)據(jù)缺乏關(guān)聯(lián)性，若需在分析階段修改模型數(shù)據(jù)，往往需要回到CAD系統(tǒng)中修改，之后數(shù)據(jù)重新導(dǎo)入分析軟件，效率較低。

2 基于Pro/E的發(fā)動機虛擬設(shè)計

Pro/E環(huán)境下產(chǎn)品設(shè)計可采用自底向上(Bottom-up)或自頂向下(Top-Down)方法進行。自底向上設(shè)計是指先建模各零件，然后裝配成產(chǎn)品，用于有現(xiàn)有產(chǎn)品可參考的場合。自頂向下設(shè)計則是先創(chuàng)建產(chǎn)品總體結(jié)構(gòu)，然后再進行詳細設(shè)計，因而符合全新產(chǎn)品的設(shè)計規(guī)律。工程機械用直列6缸水冷6105發(fā)動機屬于較成熟產(chǎn)品，其結(jié)構(gòu)布置相對固定，設(shè)計時一般有現(xiàn)有同系列產(chǎn)品可參考，所以不需要在概念設(shè)計上做較多工作，可直接以自底向上方法為主進行虛擬設(shè)計。6105發(fā)動機虛擬設(shè)計與分析流程如圖1所示。

圖1 6105發(fā)動機虛擬設(shè)計流程

2.1 三維實體建模

三維建模是創(chuàng)建虛擬樣機的基礎(chǔ)。準(zhǔn)確、真實的數(shù)字化模型對于建立逼真的產(chǎn)品仿真模型以及獲得正確的仿真結(jié)果至關(guān)重要。

實體建模不僅使設(shè)計者可以直觀了解產(chǎn)品的外觀，還可提供質(zhì)量、重心、轉(zhuǎn)動慣量等信息。在傳統(tǒng)設(shè)計中，這些質(zhì)量屬性需要采用圖解法、測量法或復(fù)擺法獲得，測量時間長，準(zhǔn)確性差。而借助于Pro/E軟件，則可在輸入材料密度后，通過對實體模型進行質(zhì)量分析快速獲得以上信息。例如：為了檢驗曲軸的平衡性能，可根據(jù)曲軸的實體模型對其進行模型分析，獲得曲軸的質(zhì)量、質(zhì)心及慣性張量等。據(jù)此可對平衡塊進行修正，直到曲軸的平衡性能達到要求為止。調(diào)整平衡塊結(jié)構(gòu)、形狀與位置后得到的曲軸三維模型及質(zhì)心坐標(biāo)如圖2所示。圖2中參考坐標(biāo)系位于安裝正時齒輪端部中心處，質(zhì)心距曲軸旋轉(zhuǎn)軸線兩方向的距離分別為3.24×e-2mm和1.61×e-2mm，基本滿足了曲軸的靜平衡要求。此外，通過反復(fù)調(diào)整材料密度，將模型質(zhì)量調(diào)整至與實物平均質(zhì)量接近，也利于在后續(xù)運動及動力分析階段獲得準(zhǔn)確結(jié)果。

Pro/E的參數(shù)化模型功能提供了通過修改模型參數(shù)獲得新設(shè)計結(jié)果的有力手段。在創(chuàng)建發(fā)動機正時齒輪及其他齒輪時，可創(chuàng)建一個參數(shù)化齒輪模型，通過調(diào)整參數(shù)值，再生后獲得其他齒輪模型，從而避免重復(fù)性勞動，提高設(shè)計效率。

圖2 曲軸實體模型及質(zhì)量參數(shù)

2.2 虛擬樣機裝配

虛擬裝配是將零件模型按照實際裝配關(guān)系進行連接、定位的過程。借助于Pro/E軟件提供的交互式虛擬裝配環(huán)境可將零部件按照真實的結(jié)構(gòu)、位置關(guān)系和運動情況組裝成虛擬模型。以此為基礎(chǔ)可在無需物理樣機情況下，在計算機內(nèi)進行產(chǎn)品的外觀測試和功能模擬，從而檢測和評價產(chǎn)品的性能。此外通過虛擬裝配也可檢驗產(chǎn)品的可裝配性，提前發(fā)現(xiàn)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計中裝配工藝性不合理之處，進而改進設(shè)計。

Pro/E環(huán)境下樣機裝配是通過定義零部件間的約束(Constraint)或連接(Connection)關(guān)系實現(xiàn)的。無相對運動零部件間的裝配通過約束關(guān)系實現(xiàn)。機構(gòu)的裝配則需通過設(shè)定元件間的連接關(guān)系(運動副)完成。

發(fā)動機零部件較多、運動復(fù)雜，在虛擬裝配時確定裝配策略如下：

(1)直列6缸發(fā)動機屬于成熟產(chǎn)品，結(jié)構(gòu)相對固定，因此以自底向上裝配為主；

(2)將發(fā)動機按組成分成多個模塊，每個模塊單獨裝配成小組件，然后進行總體裝配；

(3)按照各模塊間實際工作情況，盡量將無相對運動、且相互間有約束關(guān)系的零部件歸于一組，而具有相對運動的各部件歸于不同組，在總裝時通過相應(yīng)連接方式裝配。

3 基于Pro/E發(fā)動機運動及分析

3.1 運動仿真與分析

創(chuàng)建正確的運動仿真模型是運動仿真分析的關(guān)鍵。因此，必須詳細分析發(fā)動機運動情況，對相對運動零部件定義合適的連接方式，并對機構(gòu)進行自由度和冗余分析，使運動仿真模型能夠真實反映發(fā)動機的運行情況。其中，需注意以下4個方面：

(1)凸輪副的正確定義。發(fā)動機中凸輪與挺柱的接觸為高副接觸，兩者間采用凸輪連接。而推桿與搖臂調(diào)整螺釘、搖臂與氣門帽的接觸均為點接觸，可選擇凸輪或球約束進行定義。

圖3 6105發(fā)動機運動仿真模型

(2)對正時齒輪及其他齒輪傳動需添加齒輪副約束，并設(shè)定正確的傳動比。

(3)曲軸與發(fā)電機和冷卻系統(tǒng)的傳動方式為帶傳動，在運動分析時應(yīng)進行相應(yīng)設(shè)定。

(4)配氣機構(gòu)中的氣門彈簧若在基本模塊中將其建模出來并裝配，在運動仿真時將不能隨氣門移動，也不會對運動分析產(chǎn)生影響。因此，可在Mechanism模塊下添加虛擬彈簧并為其設(shè)置合適的剛度系數(shù)。

按照上述原則，在Mechanism模塊下添加凸輪、齒輪、帶連接及彈簧后得到的機構(gòu)運動模型如圖3所示。

建立發(fā)動機運動模型后，可進行機構(gòu)圖元的定義并做好分析準(zhǔn)備，包括：定義原動件及其運動規(guī)律、設(shè)定運動分析的初始位置及條件，并根據(jù)需要定義必要的測量。對發(fā)動機進行運動分析可完成干涉檢驗、裝配動畫制作，并可獲得運動件運動規(guī)律、運動部件運動包絡(luò)模型等。例如：在配氣機構(gòu)設(shè)計中可根據(jù)干涉檢驗結(jié)果，獲得進、排氣門與活塞頂部之間的動態(tài)干涉情況，并根據(jù)測定的干涉體積位置及形狀在活塞頂部設(shè)計出氣閥讓坑，避免運動過程中活塞和氣閥發(fā)生干涉。裝配動畫的制作有助于制訂發(fā)動機裝配工藝路線，并指導(dǎo)實際裝配過程。通過運動分析也可將發(fā)動機的技術(shù)參數(shù)以圖形或其他方式輸出。例如可將分析獲得的進、排氣門的位移曲線圖用于調(diào)整配氣凸輪的輪廓形狀，使發(fā)動機具有良好的進、排氣性能。

3.2 發(fā)動機連桿靜態(tài)及模態(tài)分析

Pro/Mechanica是Pro/E的分析模塊，其結(jié)構(gòu)分析子模塊可進行零部件的靜態(tài)、模態(tài)、疲勞分析等。它與Pro/E無縫集成，可直接讀入Pro/E基本模塊下創(chuàng)建的模型數(shù)據(jù)。

發(fā)動機連桿的運動形式及受力均較復(fù)雜，可通過有限元分析了解其應(yīng)力及位移情況，便于連桿的強度和結(jié)構(gòu)設(shè)計。進行有限元分析之前需要對連桿模型做出簡化。簡化的原則是既不使分析計算不符合實際，又能縮短軟件的運行時間。為了使分析準(zhǔn)確，還應(yīng)對連桿簡化模型定義恰當(dāng)?shù)牟牧蠈傩?、約束和載荷。連桿在運動中受周期性交變應(yīng)力的作用，本文選擇連桿的兩個極限位置進行分析，即：最大拉伸與最大壓縮位置。之后對連桿簡化模型進行網(wǎng)格劃分、定義分析任務(wù)并獲得計算結(jié)果。

為了獲取發(fā)動機主要零部件的振動及固有頻率情況，為避免發(fā)動機共振提供數(shù)據(jù)參考，可在Pro/Mechanica環(huán)境下對主要零部件進行模態(tài)分析。以發(fā)動機連桿為例，將上述連桿簡化模型作為分析對象，通過定義材料、設(shè)置位移約束，同時利用靜態(tài)分析中的網(wǎng)格劃分結(jié)果，在設(shè)定相應(yīng)參數(shù)后可獲得連桿組件的固有頻率及振型。

4 結(jié) 語

基于Pro/E軟件對工程機械用6缸發(fā)動機進行了虛擬設(shè)計，得到了6105發(fā)動機的三維數(shù)字化模型，進行了發(fā)動機整機的虛擬裝配，完成了干涉及間隙檢驗?；诎l(fā)動機數(shù)字化模型，通過分析發(fā)動機的結(jié)構(gòu)和運動情況，建立了發(fā)動機的運動仿真模型，并在Pro/Mechanism下進行了運動分析，獲得了發(fā)動機主要運動件的運動特性參數(shù)。此外，建立了發(fā)動機重要零部件(連桿)的有限元分析模型，在Pro/Mechanica下分析了零件處于不同工況下時的應(yīng)力、變形、固有頻率和振型情況，有利于零件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

總之，在Pro/E集成軟件環(huán)境下，對發(fā)動機進行虛擬設(shè)計與分析，不僅可使設(shè)計者及用戶在設(shè)計階段獲得對發(fā)動機的直觀認識，同時也為實現(xiàn)發(fā)動機零部件及整機性能優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。

[1] 王剛.虛擬樣機技術(shù)在工程機械領(lǐng)域的應(yīng)用[J].工程機械，2003(8):11-13.

[2] 李春.虛擬樣機技術(shù)在航空發(fā)動機設(shè)計中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2007(10)：55-57.

[3] 景麗萍.汽車發(fā)動機配氣機構(gòu)虛擬設(shè)計系統(tǒng)的研究[D].濟南：山東大學(xué)， 2006：1-6.

[4] 史雷鳴.基于ADAMS的乘用車發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)動力學(xué)仿真研究[J].機械傳動，2011，35(11)：13-16.

[5] 高 奇.基于 Pro /E 的曲柄滑塊機構(gòu)運動仿真分析[J].起重運輸機械，2011(4):45-47.

[6] 汪中厚.基于虛擬樣機的摩托賽車發(fā)動機動力學(xué)性能仿真技術(shù)[J].振動與沖擊，2008,27(9):150-154.

Virtual Design and Analysis of Six Cylinder Engine for Construction Machine based on Pro/E

CHANG Yunpeng

(Luoyang Institute of Science and Technology, Luoyang 471023,China)

Virtual design method of 6105 engine for construction machine based on Pro/E is put forward. Model analysis and kinematic analysis of virtual engine model are performed and finite element analysis of connecting rod is done. Both interference inspection of the engine and structure optimization of engine components are made. Motion feature of moving components, stress, strain, inherent frequency and vibration mode of connection rod are obtained. Design problems can be found and solved without producing costly physical prototype.

six cylinder engine; virtual design; Pro/E; kinematic analysis; finite element analysis

2017-04-10

常云朋(1974-)，女，河南偃師人，碩士，副教授，主要從事輔助設(shè)計與制造方面的研究.

河南省教育廳自然科學(xué)研究項目(2009B460008).

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.02.015

TH122

A

1674-5403(2017)02-0052-04