礦用自卸車燃油箱的自頂向下設(shè)計

鄭 勇，于 濤，黃 偉

（1.國能寶日希勒能源有限公司，內(nèi)蒙古呼倫貝爾 021000；2.內(nèi)蒙古北方重型汽車股份有限公司，內(nèi)蒙古包頭 014030）

0 引言

目前，新產(chǎn)品的設(shè)計主要是由產(chǎn)品的功能定位到二維圖紙的實現(xiàn)，然后通過樣件生產(chǎn)、樣機(jī)的裝配等一系列流程，對設(shè)計的新產(chǎn)品進(jìn)行檢驗，通過檢驗發(fā)現(xiàn)新產(chǎn)品存在的問題，然后對新產(chǎn)品進(jìn)行重新設(shè)計或更改不合理的零件和結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計模式不僅效率低、難于操作，而且開發(fā)周期長，成本也較高。

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展以及三維建模軟件和分析軟件的進(jìn)一步推廣應(yīng)用，新產(chǎn)品的設(shè)計模式發(fā)生了很大變化。新的設(shè)計模式下，建模軟件中的零件實體建模及裝配校核、分析軟件中的模擬分析在很大程度上減少了新產(chǎn)品的開發(fā)成本、縮短了研發(fā)時間，但在整體協(xié)調(diào)、并行設(shè)計、系列產(chǎn)品開發(fā)等方面還存在很多問題。例如，通過功能校核或模擬分析，需要對某一部件進(jìn)行更改，而傳統(tǒng)設(shè)計中的改動過程無法與其他零部件關(guān)聯(lián)起來，這就可能造成工作的重復(fù)和低效。

在這種背景下，逐步形成并發(fā)展起來一種新的設(shè)計方法——自頂向下（TOP—DOWN）設(shè)計。所謂自頂向下設(shè)計就是將產(chǎn)品的設(shè)計過程分為3 個階段，即概念設(shè)計、參數(shù)化設(shè)計和詳細(xì)設(shè)計，從全局和整體設(shè)計入手，對整個設(shè)計過程進(jìn)行控制，實現(xiàn)各零部件在總體約束下的并行設(shè)計。傳統(tǒng)設(shè)計與自頂向下的設(shè)計理念如圖1 所示。

圖1 傳統(tǒng)設(shè)計與自頂向下設(shè)計理念

自頂向下設(shè)計具有以下優(yōu)點：

（1）符合產(chǎn)品設(shè)計由抽象到具體的過程，即符合由產(chǎn)品功能定位到結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的設(shè)計過程。

（2）可實現(xiàn)并行設(shè)計。根據(jù)部件功能、安裝配合關(guān)系等劃分系統(tǒng)，進(jìn)行任務(wù)分配，從而實現(xiàn)多任務(wù)的協(xié)同工作。但對于關(guān)鍵約束、主要零部件接口等，需要在全局設(shè)計中進(jìn)行控制。

（3）通過詳細(xì)設(shè)計對全局控制中傳遞的基準(zhǔn)、約束等進(jìn)行評價，為面向裝配（Designfor Assembly，DFA）和面向制造（Design for Manufacturing，DFM）的設(shè)計提供條件。

（4）另外，自頂向下設(shè)計可以根據(jù)設(shè)計意圖實現(xiàn)模型的快速更改，大大縮短系列產(chǎn)品的開發(fā)時間。

自頂向下設(shè)計方法大大提高了新產(chǎn)品研發(fā)效率、減少系列產(chǎn)品的設(shè)計周期，將逐步成為行業(yè)新產(chǎn)品研發(fā)的主要設(shè)計手段。本文基于Pro/E 設(shè)計軟件，以某礦用自卸車燃油箱作為研究對象，旨在通過對燃油箱自頂向下設(shè)計方法及過程的研究，為礦用自卸車其他部件乃至整車的自頂向下設(shè)計提供思路和參考。

1 燃油箱自頂向下設(shè)計

對于復(fù)雜的裝配產(chǎn)品來說，自頂向下設(shè)計方法的關(guān)鍵點是正確使用參照原則，如果前期設(shè)計參照混亂，將造成后期數(shù)據(jù)修改困難。本燃油箱設(shè)計過程遵循的參照原則為：第一，設(shè)計燃油箱時關(guān)鍵尺寸只參照骨架；第二，燃油箱零件之間無關(guān)的配合處盡量不直接參照，以減少零件之間的網(wǎng)狀父子關(guān)系；第三，當(dāng)零件之間存在參照時其主次關(guān)系要明確，盡量不產(chǎn)生循環(huán)參照。

數(shù)據(jù)重用對于變形設(shè)計非常重要，同時也可避免數(shù)據(jù)庫中同樣零件的重復(fù)仿制而浪費空間資源。為方便變型設(shè)計，燃油箱的設(shè)計主要使用兩個方法：一是將骨架作為一個獨立于裝配樹外的部件，各模塊的設(shè)計必要信息分別參照此部件；二是可在基本模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品改型、變更，然后將需要變更的零件重新命名。

燃油箱的設(shè)計包括結(jié)構(gòu)件的設(shè)計、外購件的選型等，具有自頂向下設(shè)計的典型性，對整車及其他部件實現(xiàn)自頂向下設(shè)計具有指導(dǎo)意義。

完整的自頂向下設(shè)計主要包括布局（LAYOUT）的設(shè)計、產(chǎn)品組件結(jié)構(gòu)的定義、骨架（SKELETON）模型的建立、設(shè)計信息的傳遞、產(chǎn)品的優(yōu)化等內(nèi)容。通過總體控制、任務(wù)分配等，實現(xiàn)各部分的并行設(shè)計。本文僅建立產(chǎn)品的主體結(jié)構(gòu)，不進(jìn)行卡帶、蓋板等附屬零部件結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計。

1.1 布局

布局用于表達(dá)設(shè)計意圖，定義設(shè)計參數(shù)。通過布局可以描述產(chǎn)品部件位置和裝配關(guān)系，提供全局布置的關(guān)鍵尺寸、主要參數(shù)及關(guān)系。布局設(shè)計是整個產(chǎn)品設(shè)計的起點，通過總體布局可實現(xiàn)對全局及后續(xù)設(shè)計的控制。布局中可以直接繪制草圖，也可以讀入DWG、DXF 等文件，把二維CAD 軟件繪制的設(shè)計草稿等導(dǎo)入布局中。

Pro/E 是一款機(jī)械設(shè)計中常用的三維設(shè)計軟件，其所具有的骨架模型、關(guān)系式、尺寸約束、特征參照等為參數(shù)化設(shè)計方法的實現(xiàn)提供了可實現(xiàn)工具。

通過對燃油箱功能要求、安裝要求等的分析，明確設(shè)計意圖，確定主要設(shè)計參數(shù)，包括外形尺寸、安裝尺寸、控制燃油箱容積的功能尺寸等。建立燃油箱布局如圖2 和表1 所示，其中燃油箱的軸向?qū)挾菷TANK_SIDE及燃油箱中面FTANK_PLAE 到縱梁面FRAME_RAIL2的距離由整車布局控制。

表1 燃油箱布局說明

圖2 燃油箱布局示意

圖2 中的參數(shù)基本上涵蓋了燃油箱的總體尺寸，可以直觀地體現(xiàn)設(shè)計要求。例如，可以通過調(diào)節(jié)FTANKD參數(shù)值調(diào)節(jié)燃油箱的容積，并通過后續(xù)設(shè)計中的基準(zhǔn)參照關(guān)系及添加的參數(shù)關(guān)系，驅(qū)動相關(guān)零部件的更改，快速實現(xiàn)燃油箱的系列化，減少重復(fù)設(shè)計工作。

1.2 產(chǎn)品組件結(jié)構(gòu)

根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計意圖及零部件間相互關(guān)系，初步建立產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。在產(chǎn)品開發(fā)的這個階段，不需要創(chuàng)建幾何或放置約束。預(yù)先定義產(chǎn)品結(jié)構(gòu)可幫助組織規(guī)劃裝配設(shè)計，便于全局控制和任務(wù)分配，有利于項目協(xié)調(diào)與實施。

創(chuàng)建的燃油箱組件結(jié)構(gòu)，包括總體骨架模型、子組件、子組件骨架、子組件中的零部件等。在創(chuàng)建組件結(jié)構(gòu)之前，需要首先對骨架模型、組件、零件的命名方式進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)定，避免在后續(xù)并行設(shè)計時出現(xiàn)同名零部件的現(xiàn)象（圖3）。

1.3 骨架模型

骨架及產(chǎn)品的三維布置圖，主要表達(dá)各個系統(tǒng)的空間需求和安裝位置。建立骨架所用的一般是基準(zhǔn)特征，如基準(zhǔn)點、坐標(biāo)系、基準(zhǔn)面、草繪線，構(gòu)建主要零部件的空間需求、位置關(guān)系，提供組件之間、主要零部件之間的接口，并為下一級提供設(shè)計框架。將總體骨架模型中對應(yīng)的設(shè)計信息以“發(fā)布幾何”和“復(fù)制幾何”的形式傳遞到相應(yīng)子組件的骨架中，用以子組件中零部件創(chuàng)建的參照。這樣便實現(xiàn)了在總體控制下、各分系統(tǒng)間相對獨立的并行設(shè)計。

在新產(chǎn)品的自頂向下設(shè)計過程中，還可根據(jù)子組件中零部件的復(fù)雜程度及整體設(shè)計的選擇，按照相應(yīng)組別，再創(chuàng)建下一級的骨架模型，如此層層遞進(jìn)，自上而下依次創(chuàng)建。簡單零部件的骨架模型相對簡單，方便設(shè)計，而搭建復(fù)雜模型正確的骨架模型，能夠大大節(jié)省工作時間、提高工作效率，對于新產(chǎn)品的設(shè)計具有重要意義。

1.4 設(shè)計信息傳遞

自頂向下設(shè)計本質(zhì)上就是數(shù)據(jù)傳遞和管理的過程。產(chǎn)品設(shè)計過程中所需要的各類信息主要是依靠骨架模型實現(xiàn)信息從總體到部件的層層傳遞，即對產(chǎn)品設(shè)計中各個零部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計。對于新產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)來說，在零部件詳細(xì)設(shè)計階段，應(yīng)嚴(yán)格以產(chǎn)品骨架模型傳遞的基準(zhǔn)參照等信息作為設(shè)計的主要依據(jù)，盡量避免各零件之間特征的直接參照建模。

根據(jù)總體骨架模型及子組件骨架模型，創(chuàng)建燃油箱及支架的主體結(jié)構(gòu)。

根據(jù)燃油箱功能及使用要求，對零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行逐步細(xì)化，最后對標(biāo)準(zhǔn)件、視窗螺母等外購件進(jìn)行直接裝配。在各零部件詳細(xì)設(shè)計階段，總體進(jìn)行全局控制，可以實時對整個產(chǎn)品的裝配、運(yùn)動干涉等情況進(jìn)行檢查，將更改信息及時傳遞給相關(guān)部件工程師。

通過將零部件設(shè)計到布局，可以將布局中的參數(shù)傳遞到模型中，再通過添加參數(shù)關(guān)系使模型中的參數(shù)與布局中的參數(shù)關(guān)聯(lián)起來，由于在布局中各參數(shù)的功能比較直觀，這樣便可以實現(xiàn)修改布局中的參數(shù)值直接驅(qū)動模型的改變。另外，通過添加關(guān)系限定參數(shù)的變化范圍，可有效避免參數(shù)值調(diào)解時超出設(shè)計范圍，導(dǎo)致模型再生失敗。

1.5 產(chǎn)品優(yōu)化

自頂向下設(shè)計中對產(chǎn)品的優(yōu)化，既包括對所設(shè)計產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等的分析與校核，也有利用相關(guān)分析軟件輔助零部件設(shè)計并對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行的校核，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、驗證可靠性。

在20 世紀(jì)40 年代，就已經(jīng)出現(xiàn)“有限元”的概念。有限元仿真分析具有周期短、成本低等特點，通過有限元仿真可以很逼真地模擬不同工況下燃油箱的受力情況。

網(wǎng)格單元類型通常根據(jù)計算對象的形狀進(jìn)行選擇，四面體單元和六面體單元是有限元網(wǎng)格單元的兩種形式。其中，六面體網(wǎng)格計算規(guī)模較小，適用于動力學(xué)分析，也適用于形狀規(guī)則且結(jié)構(gòu)簡單的模型；而四面體網(wǎng)格對于形狀復(fù)雜的模型具有良好的適應(yīng)性，可以快速生成網(wǎng)格，但在同等情況下較六面體網(wǎng)格具有計算量大、收斂速度慢等缺點。合理的網(wǎng)格劃分有助于生成質(zhì)量較高的求解矩陣，同時減少計算分析時間和提高計算速度。

本文通過對燃油箱進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用ANSYS 進(jìn)行有限元分析，校核了所設(shè)計燃油箱的可靠性，同時為設(shè)計過程提供有效參考。

圖4 為焊接過度墊板設(shè)計時的輔助分析，圖5 為燃油箱主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析過程中的應(yīng)力分布云圖。

圖4 焊接過度墊板輔助分析

圖5 燃油箱主體結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析

2 結(jié)束語

本文基于Pro/E 設(shè)計軟件，以某礦用自卸車燃油箱結(jié)構(gòu)自頂向下設(shè)計為例，對自頂向下設(shè)計方法和過程進(jìn)行探討和研究，為礦用自卸車其他部件乃至整車的自頂向下設(shè)計提供了設(shè)計思路和依據(jù)。