搜索基于UG NX實(shí)現(xiàn)摩托車(chē)新產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)
2013-05-18 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
史春濤 劉建軍 劉志鋒 夏淑敏 于善穎 孫梅 來(lái)源:e-works
關(guān)鍵字:UG NX 創(chuàng)新設(shè)計(jì) 實(shí)體建模 曲面建模 流程
提高摩托車(chē)產(chǎn)品的自主創(chuàng)新能力,是實(shí)現(xiàn)我國(guó)摩托車(chē)行業(yè)由大到強(qiáng)的必由之路。天津摩托車(chē)技術(shù)中心設(shè)計(jì)所建立了基于UG NX的新產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)體系,在其基礎(chǔ)上成功地為企業(yè)開(kāi)發(fā)了數(shù)十款摩托車(chē)整車(chē)和發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品。同時(shí),再一次證明UG NX強(qiáng)大的CAD/CAE功能很好地滿足了復(fù)雜產(chǎn)品對(duì)于縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量的設(shè)計(jì)需求。
1.引言
我國(guó)摩托車(chē)工業(yè)經(jīng)過(guò)改革開(kāi)放近30年的發(fā)展,已連續(xù)15年成為世界摩托車(chē)生產(chǎn)大國(guó),年產(chǎn)量上升到2500萬(wàn)輛,占世界總量的一半以上。同時(shí),摩托車(chē)出口已占到生產(chǎn)總量的20%以上,成為了世界摩托車(chē)出口大國(guó)。我國(guó)摩托車(chē)產(chǎn)品以中小排量實(shí)用型摩托車(chē)為主,形成了完善的零部件配套體系,制造技術(shù)已達(dá)到世界先進(jìn)水平,具有較好的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。摩托車(chē)行業(yè)的生產(chǎn)集中度不斷提升,在重慶、廣東、江浙地區(qū)形成了三大板塊。近年來(lái),在建設(shè)節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)的國(guó)策下,在國(guó)家有關(guān)規(guī)范市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)秩序、促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的政策法規(guī)引導(dǎo)下,以及國(guó)內(nèi)消費(fèi)市場(chǎng)由運(yùn)載代步逐漸向休閑娛樂(lè)的轉(zhuǎn)型和提高國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的內(nèi)在需求下,摩托車(chē)企業(yè)逐漸加大了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的摩托車(chē)新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)力度。目前,我國(guó)摩托車(chē)產(chǎn)品創(chuàng)新的重點(diǎn)是積極對(duì)中小排量實(shí)用型摩托車(chē)進(jìn)行技術(shù)升級(jí)以滿足越來(lái)越嚴(yán)格的國(guó)內(nèi)外排放法規(guī)和產(chǎn)品多樣化、品牌化需求,保持其產(chǎn)品主導(dǎo)地位。同時(shí),積極推進(jìn)對(duì)大量運(yùn)用電子控制技術(shù)、新材料、新工藝的大排量豪華踏板車(chē)、運(yùn)動(dòng)賽車(chē)、越野賽車(chē)、ATV沙灘車(chē)的研制開(kāi)發(fā),切實(shí)提高摩托車(chē)新產(chǎn)品的創(chuàng)新能力。
成立于1958年的天津內(nèi)燃機(jī)研究所(天津大學(xué)內(nèi)燃機(jī)研究所)是由原第八機(jī)械工業(yè)部和教育部共建,委托天津大學(xué)管理的專(zhuān)業(yè)內(nèi)燃機(jī)研究機(jī)構(gòu)。1994年,在原機(jī)械部汽車(chē)司領(lǐng)導(dǎo)下,在其基礎(chǔ)上成立了我國(guó)唯一的摩托車(chē)技術(shù)中心,成為國(guó)家主管部門(mén)的重要技術(shù)支撐單位。1997年成立了天津摩托車(chē)技術(shù)中心設(shè)計(jì)所(天津朝霞摩托車(chē)技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司),主要從事摩托車(chē)、摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)、通用小型汽油機(jī)、農(nóng)林機(jī)械、非道路用車(chē)及相關(guān)零部件的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用技術(shù)研究。從成立之初,設(shè)計(jì)所就致力于利用先進(jìn)技術(shù)提高摩托車(chē)產(chǎn)品現(xiàn)代設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)能力,率先建立并且不斷擴(kuò)展以UG為數(shù)據(jù)核心的摩托車(chē)數(shù)字化開(kāi)發(fā)平臺(tái),逐步建立了摩托車(chē)整車(chē)和發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù),不斷完善和優(yōu)化摩托車(chē)整車(chē)和發(fā)動(dòng)機(jī)的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程。設(shè)計(jì)所與國(guó)內(nèi)數(shù)十家摩托車(chē)企業(yè)建立了緊密合作關(guān)系,累計(jì)與摩托車(chē)企業(yè)合作開(kāi)發(fā)了四十多種發(fā)動(dòng)機(jī)新產(chǎn)品和四十多款摩托車(chē)整車(chē)新產(chǎn)品。
2.摩托車(chē)數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)建設(shè)
隨著以信息技術(shù)為主導(dǎo)的現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展, CAD/CAE/CAM/PDM技術(shù)成為了現(xiàn)代設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)。早在1997年,經(jīng)過(guò)多方位的調(diào)研評(píng)估,基于UGII軟件強(qiáng)大的實(shí)體和曲面建模能力,設(shè)計(jì)所就建立了以UGII軟件為三維軟件平臺(tái),以SGI圖形工作站和服務(wù)器為硬件平臺(tái)的數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)協(xié)同開(kāi)發(fā)環(huán)境。在UGS北京辦事處從領(lǐng)導(dǎo)、銷(xiāo)售到工程師的大力推廣和良好的售后服務(wù)支持下,設(shè)計(jì)所三維CAD技術(shù)應(yīng)用水平得到了迅速提升,新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)能力得到了飛躍式發(fā)展。規(guī)范、準(zhǔn)確的三維設(shè)計(jì)產(chǎn)品徹底改變了以往以原始樣機(jī)為開(kāi)發(fā)模版、以2D測(cè)繪圖紙作為輔助參考,或者2D設(shè)計(jì)圖紙只能用于產(chǎn)品鑒定的落后局面。
設(shè)計(jì)所從應(yīng)用UG建立摩托車(chē)數(shù)字化模型開(kāi)始,循序漸進(jìn)地將快速測(cè)量、逆向設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、快速原型制造、多體動(dòng)力學(xué)、有限元分析、計(jì)算流體力學(xué)等技術(shù)引入到新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中。由于摩托車(chē)整車(chē)和發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)特別復(fù)雜,在采用統(tǒng)計(jì)、類(lèi)比和經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的同時(shí),越來(lái)越多地開(kāi)始使用CAE/CFD技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析指導(dǎo),設(shè)計(jì)所在以UG NX為數(shù)據(jù)核心的基礎(chǔ)上,運(yùn)用多種FEM軟件對(duì)整車(chē)和發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的靜強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析計(jì)算,運(yùn)用多體動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)整車(chē)加速性、制動(dòng)性和平順性進(jìn)行仿真分析,運(yùn)用內(nèi)燃機(jī)專(zhuān)用CFD軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)配氣結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)規(guī)律、缸內(nèi)流場(chǎng)、性能特性進(jìn)行仿真分析。同時(shí),設(shè)計(jì)所在建立了先進(jìn)的快速測(cè)量體系之外,還購(gòu)置了世界先進(jìn)水平的振動(dòng)、噪聲、應(yīng)力應(yīng)變測(cè)試設(shè)備和內(nèi)燃機(jī)燃燒診斷分析儀,為CAE/CFD計(jì)算分析提供必要的輸入數(shù)據(jù)和邊界條件以及對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行驗(yàn)證和修改。不斷完善和優(yōu)化的數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái),為縮短設(shè)計(jì)周期、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量打下了良好的基礎(chǔ)。
圍繞一個(gè)優(yōu)秀的數(shù)字設(shè)計(jì)平臺(tái),建立適合的設(shè)計(jì)流程是實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)高效、準(zhǔn)確的重要保證。經(jīng)過(guò)十多年的探索發(fā)展,設(shè)計(jì)所和摩托車(chē)企業(yè)之間建立了以市場(chǎng)為導(dǎo)向,設(shè)計(jì)所作為設(shè)計(jì)主體提供數(shù)據(jù)一致的3D/2D設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),整機(jī)廠組織配套廠按照設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行零部件試制,設(shè)計(jì)所協(xié)助整機(jī)廠進(jìn)行樣機(jī)裝配、試制和試驗(yàn)的摩托車(chē)新產(chǎn)品合作開(kāi)發(fā)模式。同時(shí)引入并行工程概念,在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程的各個(gè)階段設(shè)定多個(gè)評(píng)審點(diǎn),摩托車(chē)企業(yè)和配套廠針對(duì)3D/2D數(shù)字模型,從市場(chǎng)定位、模具制造、生產(chǎn)工藝、裝配工藝等方面實(shí)時(shí)發(fā)表評(píng)審意見(jiàn),同時(shí)設(shè)計(jì)所在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中對(duì)評(píng)審意見(jiàn)做出有效響應(yīng)。
3.摩托車(chē)整車(chē)全新設(shè)計(jì)
摩托車(chē)整車(chē)全新設(shè)計(jì)主要針對(duì)具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的外觀形態(tài)特征部位進(jìn)行全新設(shè)計(jì),是摩托車(chē)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。外觀形態(tài)特征部位是指用于與其它同類(lèi)摩托車(chē)外觀相區(qū)分的覆蓋件、燈具、車(chē)座、油箱、擋泥板等零部件。
3.1摩托車(chē)整車(chē)全新設(shè)計(jì)特點(diǎn)
1)現(xiàn)代摩托車(chē)呈現(xiàn)品種和結(jié)構(gòu)形式多樣化的特色,從外觀造型的角度主要分為彎梁車(chē)、踏板車(chē)、騎式車(chē)、運(yùn)動(dòng)車(chē)、越野車(chē)、太子車(chē)等類(lèi)型。同時(shí),摩托車(chē)還形成了強(qiáng)烈的地域特色。同一類(lèi)型的摩托車(chē)基本特征一致,外觀形態(tài)越來(lái)越接近,在眾多同類(lèi)型產(chǎn)品中能夠脫穎而出是摩托車(chē)整車(chē)全新設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。
2)摩托車(chē)多采用各種自由曲面的起伏、過(guò)渡、轉(zhuǎn)折來(lái)表現(xiàn)復(fù)雜的外形特征,美學(xué)設(shè)計(jì)特別重要。自由曲面構(gòu)成特征面,特征面之間的過(guò)渡、轉(zhuǎn)折形成特征線,特征面和特征線是外觀設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。
3)以車(chē)架、發(fā)動(dòng)機(jī)、懸掛、車(chē)輪等組成的基本車(chē)體結(jié)構(gòu)確定了整車(chē)的類(lèi)型、總體布置、結(jié)構(gòu)尺寸、人機(jī)尺寸、受力分布、前后輪載荷分布等技術(shù)參數(shù)以及強(qiáng)度、剛度和動(dòng)態(tài)特性等力學(xué)特性。因此,設(shè)計(jì)合理的基本車(chē)體結(jié)構(gòu),滿足騎乘舒適、操縱方便、功能實(shí)用、低振動(dòng)、低噪聲等需求以及法規(guī)要求,是縮短設(shè)計(jì)時(shí)間、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和降低試制成本的基礎(chǔ)。
3.2摩托車(chē)整車(chē)全新設(shè)計(jì)流程
設(shè)計(jì)所在摩托車(chē)行業(yè)內(nèi)最早形成了行之有效的摩托車(chē)整車(chē)全新設(shè)計(jì)流程,見(jiàn)表1所示:
3.3利用UG NX進(jìn)行摩托車(chē)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的特點(diǎn)
1)準(zhǔn)確的車(chē)架模型是新產(chǎn)品設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。
車(chē)架通過(guò)多樣化的空間框架形式滿足不同零部件的總體布置需要,在之上焊接的小型沖壓件滿足零部件的安裝需要,不同類(lèi)型的摩托車(chē)具有不同的車(chē)架結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。車(chē)架是建立整車(chē)裝配關(guān)系的基礎(chǔ),通過(guò)車(chē)架建立的整車(chē)坐標(biāo)系是將實(shí)物模型測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到整車(chē)裝配狀態(tài)的基準(zhǔn)。參考樣車(chē)車(chē)架的測(cè)量和車(chē)架的3D設(shè)計(jì)都要在整車(chē)坐標(biāo)系下進(jìn)行,然后將發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)輪、懸掛等零部件的3D模型按照匹配關(guān)系虛擬裝配到車(chē)架模型,就完成了車(chē)體基本結(jié)構(gòu)的建模。利用UG NX的基本實(shí)體造型功能很容易就能完成車(chē)體基本結(jié)構(gòu)零部件的3D建模。
圖1:典型摩托車(chē)車(chē)架形式
2)快速測(cè)量及數(shù)據(jù)處理提供了完整、準(zhǔn)確的離散點(diǎn)數(shù)據(jù)
表達(dá)了設(shè)計(jì)創(chuàng)意的油泥模型首先需要轉(zhuǎn)換為準(zhǔn)確、完整、充分并且可供在UG NX環(huán)境下使用的離散點(diǎn)數(shù)據(jù),才能進(jìn)行三維曲面重建。采用流動(dòng)式光學(xué)掃描儀ATOS成功地實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型表面數(shù)據(jù)的快速測(cè)量,經(jīng)過(guò)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后可將測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)一到整車(chē)坐標(biāo)系下。ATOS采集到的大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要采用UG Imageware軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)稀疏、分層放置、截面處理、去除噪聲點(diǎn)等數(shù)據(jù)處理,然后通過(guò)IGES格式導(dǎo)入到UG NX軟件中,如圖2所示。
圖2:典型摩托車(chē)實(shí)物模型快速測(cè)量及數(shù)據(jù)處理
3)UG NX強(qiáng)大的自由曲面建模功能很好地滿足了摩托車(chē)復(fù)雜表面的建模需要
曲面重建是外觀設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn),是將實(shí)物模型真實(shí)轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。UG NX提供了豐富的曲線和曲面生成、調(diào)整和分析的方式以及靈活多樣的編輯功能,充分滿足了復(fù)雜曲面重建的需要。
首先,參考特征線將曲面進(jìn)行分片構(gòu)造。構(gòu)造曲面最常采用的方式建立網(wǎng)格曲面,網(wǎng)格曲面一般需要比相應(yīng)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)范圍大,網(wǎng)格曲線要根據(jù)曲面變化規(guī)律構(gòu)造,盡量使用最少的曲線,曲線的曲率變化盡可能平緩,盡量降低曲線的段數(shù)和階數(shù),同一方向的曲線要有相似的曲率變化趨勢(shì),同時(shí)曲線要保證光順。除了單個(gè)曲面要光滑連續(xù)外,曲面之間形成的交線也要連續(xù)光滑。
其次,曲面連接較常用和易實(shí)現(xiàn)的方法是以曲面間的交線為導(dǎo)引線,進(jìn)行等半徑或變半徑軟倒角;也可預(yù)先確定相切邊界對(duì)曲面進(jìn)行裁剪后采用橋接的方法;或者與裁剪過(guò)的曲面建立具有邊界相切約束的網(wǎng)格曲面,其關(guān)鍵點(diǎn)是要保證網(wǎng)格線與網(wǎng)格線延長(zhǎng)線在曲面上的投影線相切連續(xù)。一般地合理設(shè)計(jì)曲面的生成方式和生成順序,可以順序生成連續(xù)曲面。對(duì)于摩托車(chē)造型中常采用的一些造型方法,如特征線逐漸消失,則需要對(duì)曲面進(jìn)行局部切割后再進(jìn)行補(bǔ)面。
曲面調(diào)整占曲面重建最大的工作量,通過(guò)調(diào)整曲線來(lái)控制曲面質(zhì)量,是對(duì)曲面進(jìn)行精細(xì)調(diào)整有效而準(zhǔn)確的方法。曲面重建過(guò)程中,一直貫穿著曲面質(zhì)量的檢查,在曲面光順性和曲面與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的偏離之間取得一個(gè)良好的折衷。圖3所示為典型摩托車(chē)曲面重建。
圖3:典型摩托車(chē)曲面重建
4)整車(chē)裝配狀態(tài)下進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中一直貫穿著在整車(chē)裝配狀態(tài)下進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的概念,保證了整車(chē)零部件的準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和準(zhǔn)確的裝配關(guān)系,以及外觀件相關(guān)特征曲面、特征線、邊界線的連續(xù)性,同時(shí)可以及時(shí)對(duì)動(dòng)、靜干涉進(jìn)行檢查。將曲面模型與基本車(chē)體結(jié)構(gòu)模型裝配在一起后就可以進(jìn)行整車(chē)零部件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。UG NX提供了曲面特征增厚或用曲面特征去切割實(shí)體的方法將曲面特征轉(zhuǎn)化為實(shí)體特征,在設(shè)計(jì)時(shí)可以靈活應(yīng)用。覆蓋件需要進(jìn)行合理分塊,巧妙設(shè)計(jì)之間的搭接結(jié)構(gòu);油箱、坐墊要根據(jù)外觀曲面、安裝空間及功能要求完成底板等內(nèi)部結(jié)構(gòu);燈具、儀表建立外形和安裝結(jié)構(gòu)模型;車(chē)體基本結(jié)構(gòu)要根據(jù)安裝需要進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)修改。摩托車(chē)整車(chē)零部件多、空間緊湊、連接安裝結(jié)構(gòu)及裝配關(guān)系均比較復(fù)雜,如圖4所示。詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、裝配性好、滿足模具制造和裝配工藝的要求。
圖4:典型摩托車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
5)UG NX提供了便捷的CAE分析功能
車(chē)架作為摩托車(chē)的骨架,空間結(jié)構(gòu)形式和受力狀態(tài)最為復(fù)雜,是影響摩托車(chē)整車(chē)強(qiáng)度和振動(dòng)問(wèn)題最為關(guān)鍵的因素之一。UG NX提供了CAD/CAE集成環(huán)境,CAE環(huán)境下的CAD模型與主模型相關(guān),同時(shí)可以進(jìn)行再處理。利用UG NX可以快速提取中面、組合復(fù)雜鋼板沖壓件的曲面碎面、抑止不影響分析結(jié)果的孔、倒角和細(xì)微曲面等特征,有利于降低網(wǎng)格數(shù)量、增加網(wǎng)格均勻性。利用2D MESH功能可以很容易地對(duì)每個(gè)零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,采用Edge-Face Connections功能產(chǎn)生剛性連接單元,用于對(duì)零件間的焊縫進(jìn)行近似處理,將所有零件的單元連接在一起后就完成了網(wǎng)格劃分工作,之后可進(jìn)行強(qiáng)度和動(dòng)態(tài)特性分析相關(guān)分析,如圖所示5所示。
圖5:典型摩托車(chē)車(chē)架有限元分析
3.4摩托車(chē)整車(chē)全新設(shè)計(jì)案例
4.摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)字化設(shè)計(jì)
摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)熱機(jī)部分輸出動(dòng)力,傳動(dòng)部分將動(dòng)力輸出到后輪,通過(guò)變速比的調(diào)整將發(fā)動(dòng)機(jī)工況與整車(chē)運(yùn)行狀態(tài)相匹配。同時(shí),發(fā)動(dòng)機(jī)不但排出污染物,而且是摩托車(chē)的主要噪聲源和振動(dòng)激勵(lì)源。作為摩托車(chē)最重要的總成,發(fā)動(dòng)機(jī)直接決定著摩托車(chē)整車(chē)的動(dòng)力性能、排放指標(biāo)和NVH(振動(dòng)噪聲舒適性)水平。
4.1發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品特點(diǎn):
從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度出發(fā),發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品具有以下特點(diǎn):
1)排量范圍廣、結(jié)構(gòu)類(lèi)型和動(dòng)力特性多樣化:摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)排量分布在50~1900ml之間,從二沖程到四沖程;從風(fēng)冷、油冷到水冷;從立式到臥式;從單缸、雙缸到四缸;從兩氣門(mén)、三氣門(mén)、四氣門(mén)到五氣門(mén);從有檔變速到無(wú)級(jí)變速;從輸出軸直接傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)到軸傳動(dòng)等等,不同組合構(gòu)成了不同結(jié)構(gòu)形式和動(dòng)力特性的發(fā)動(dòng)機(jī)以匹配不同類(lèi)型的摩托車(chē)整車(chē)。
2)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置緊湊:由于摩托車(chē)整車(chē)尺寸的限制,發(fā)動(dòng)機(jī)布置空間有限,一般的,不同于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī),摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)不設(shè)獨(dú)立的傳動(dòng)箱,而是將熱機(jī)部分和傳動(dòng)部分統(tǒng)一地設(shè)計(jì)到機(jī)體內(nèi)。圖6所示為一250ml、水冷、四氣門(mén)、立式發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)3D裝配模型,主要包括活塞連桿曲柄、頂置凸輪配氣機(jī)構(gòu)、平衡軸、五檔變速、換檔操縱、片式濕式離合器、電起動(dòng)、磁電機(jī)等機(jī)構(gòu),裝配關(guān)系復(fù)雜,空間布置緊湊。
圖6:水冷發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及機(jī)體組
圖7: V型雙缸發(fā)動(dòng)機(jī)潤(rùn)滑及冷卻系統(tǒng)
3)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體組結(jié)構(gòu)復(fù)雜:機(jī)體組包括氣缸蓋罩、氣缸蓋、氣缸體、曲軸箱和曲軸箱蓋等零部件,如圖6所示。機(jī)體組不但要提供發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的安裝位置和運(yùn)動(dòng)空間,還要通過(guò)潤(rùn)滑油路和冷卻水路將潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)聯(lián)通一起,圖7所示為250ml、V型雙缸、水冷發(fā)動(dòng)機(jī)的潤(rùn)滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)布置圖。
4)發(fā)動(dòng)機(jī)具有美學(xué)功能:摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)部分或全部地裸露在外,作為整車(chē)造型的一部分,還具有強(qiáng)烈的美學(xué)功能,外觀設(shè)計(jì)是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要組成部分,如圖8所示。
圖8:發(fā)動(dòng)機(jī)外觀效果圖設(shè)計(jì)及三維模型
4.2摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程
設(shè)計(jì)所形成的摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)全新設(shè)計(jì)流程與整車(chē)全新設(shè)計(jì)流程各有側(cè)重,見(jiàn)表2所示
表2:摩托車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)全新設(shè)計(jì)流程
4.3利用UG NX建立發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬模型有以下特點(diǎn):
1)建立準(zhǔn)確的零件3D模型是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)
發(fā)動(dòng)機(jī)零件結(jié)構(gòu)復(fù)雜,特別是機(jī)體組零件必須建立準(zhǔn)確的3D模型,為CAM提供準(zhǔn)確的產(chǎn)品數(shù)據(jù)來(lái)源。曲軸箱體、曲軸箱蓋主要支撐曲軸、傳動(dòng)軸、平衡軸、起動(dòng)軸等傳動(dòng)部件,并且提供其運(yùn)動(dòng)回轉(zhuǎn)空間,是表面形狀復(fù)雜的薄壁壓鑄零件,具有凸臺(tái)、凹臺(tái)、圓柱、孔等標(biāo)準(zhǔn)特征多的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品特征進(jìn)行合理分解,靈活應(yīng)用UG NX的成型特征和特征操作,按照循序漸進(jìn)的方法就可以完成。圖9所示為典型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱三維模型:
圖9:典型發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸箱三維模型
氣缸蓋是發(fā)動(dòng)機(jī)最為復(fù)雜的機(jī)體零件,在相對(duì)較小的體積上,要布置有燃燒室、進(jìn)排氣道、氣門(mén)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、潤(rùn)滑油道、火花塞等零部件。隨著多氣門(mén)技術(shù)和水冷技術(shù)的大量應(yīng)用,更是增加了缸蓋的復(fù)雜程度。在建模過(guò)程中,除了將產(chǎn)品特征合理分解外,還需要利用曲面建模功能構(gòu)建燃燒室、氣道和冷卻水套的3D模型,如圖10所示。在零件建模過(guò)程中要確立"面向制造"的設(shè)計(jì)理念,充分考慮模具設(shè)計(jì)、工藝制造的應(yīng)用要求,不能忽視撥模角特征。
圖10:典型發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋及相關(guān)零部件裝配三維模型
2)采用裝配環(huán)境下的零件3D建模和修改保證了復(fù)雜裝配關(guān)系的準(zhǔn)確發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)
發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)一般采用自底向上,由零件到部件的設(shè)計(jì)方法。機(jī)體是發(fā)動(dòng)機(jī)裝配的基礎(chǔ),機(jī)體零件要在統(tǒng)一的整機(jī)坐標(biāo)系下進(jìn)行3D建模,從建模開(kāi)始就要隨時(shí)檢查和調(diào)整缸頭與缸體之間、左右曲軸箱之間、曲軸箱與曲軸箱蓋之間結(jié)合面的數(shù)據(jù),保證其一致性。內(nèi)部運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)件可以在各自獨(dú)立坐標(biāo)系下建模,然后按照匹配關(guān)系裝配到整機(jī)中。UG NX采用虛擬裝配模式,對(duì)零部件部件的三維模型進(jìn)行裝配引用,在保持了零部件在裝配模式和建模模式下的數(shù)據(jù)相關(guān)性的同時(shí),有效地提高了裝配設(shè)計(jì)的效率。零部件在裝配環(huán)境中除了進(jìn)行裝配分析、靜干涉檢查外,還必須進(jìn)行動(dòng)干涉檢查,例如:連桿在回轉(zhuǎn)過(guò)程中與活塞、缸體和曲軸箱的干涉檢查。利用三維模型可以方便地分析重要物理參數(shù),如零件質(zhì)量、慣性矩、離心力和燃燒室容積等用于設(shè)計(jì)計(jì)算,同時(shí)便于在其基礎(chǔ)上進(jìn)行CAE/CFD分析。
3)UG NX靈活多樣的編輯功能很好地滿足了零件模型調(diào)整、修改的需要發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)需要對(duì)參考樣機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)借用結(jié)構(gòu)等進(jìn)行再設(shè)計(jì),因此UG NX的特征編輯功能很重要。發(fā)動(dòng)機(jī)成型特征一般是以二維曲線為基礎(chǔ)進(jìn)行拉伸或旋轉(zhuǎn)形成。UG NX提供了靈活的曲線生成和編輯功能,根據(jù)需要曲線即可以完全參數(shù)化,也可以非參數(shù)化。通過(guò)修改或替換曲線可將成型特征進(jìn)行重塑,而保持在之后的特征不變,特別有利于數(shù)據(jù)模型的設(shè)計(jì)修改。特別地,UG NX提供的設(shè)計(jì)特征的重新排序和將既往特征設(shè)為當(dāng)前特征的功能,可以大量節(jié)省模型更改時(shí)間。
4)2D工程圖是發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)的重要組成部分
由于發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、力學(xué)特性、熱力循環(huán)過(guò)程等都比較復(fù)雜,名義尺寸精度、形位公差和配合等級(jí)直接影響到發(fā)動(dòng)機(jī)的力學(xué)性能和燃燒過(guò)程。發(fā)動(dòng)機(jī)的2D工程圖依然是產(chǎn)品試制和生產(chǎn)的重要數(shù)據(jù)依據(jù),同時(shí)也是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。利用UG NX的工程圖功能可以靈活、方便地對(duì)3D零件和組件模型進(jìn)行多角度和多方位的投影和剖切,以滿足設(shè)計(jì)意圖的表達(dá)需要。然后,根據(jù)已形成的2D設(shè)計(jì)規(guī)范,進(jìn)行零部件的尺寸、公差、表面粗糙度等標(biāo)注,同時(shí)標(biāo)明材料、熱處理等技術(shù)要求。UG NX提供了易于與Auto CAD進(jìn)行數(shù)據(jù)交換的接口,滿足了實(shí)際設(shè)計(jì)需要。
4.4發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)新設(shè)計(jì)成功案例
5.結(jié)論
1)UG NX很好地滿足了既包含復(fù)雜的外部形狀又涉及復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的摩托車(chē)產(chǎn)品三維建模和虛擬裝配的設(shè)計(jì)需要。設(shè)計(jì)所經(jīng)過(guò)十多年總結(jié)出的建模經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)融入到設(shè)計(jì)規(guī)范中,設(shè)計(jì)人員能夠隨心所欲地實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的設(shè)計(jì)特征,從而將更多的精力投入到產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)中。
2)三維虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)不僅為提高設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的精確性提供了重要手段,而且實(shí)現(xiàn)了與模具廠的無(wú)縫結(jié)合,提高了模具制造的準(zhǔn)確性和制造速度。數(shù)字化產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)的不斷擴(kuò)充和完善,為創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了大量的參考數(shù)據(jù)并且經(jīng)過(guò)調(diào)整后可以快速應(yīng)用到新產(chǎn)品設(shè)計(jì)當(dāng)中。
3)UG NX提供了CAD/CAE集成環(huán)境,其獨(dú)具特色的模型簡(jiǎn)化和網(wǎng)格劃分功能彌補(bǔ)了專(zhuān)用CAE分析軟件建模能力的欠缺,并且能夠快速反應(yīng)設(shè)計(jì)變更, 特別是針對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu),更體現(xiàn)出其優(yōu)越性。UG NX易于快速普及和提高CAE技術(shù)的應(yīng)用水平,特別適宜于CAD建模經(jīng)驗(yàn)豐富的設(shè)計(jì)人員使用。
4)實(shí)踐證明設(shè)計(jì)所建立的以逆向設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)、以正向設(shè)計(jì)為主導(dǎo)的新產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)流程適宜于高效率、高質(zhì)量地開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的摩托車(chē)新產(chǎn)品。在設(shè)計(jì)過(guò)程中引入市場(chǎng)、裝配、生產(chǎn)、制造等需求,對(duì)于縮短設(shè)計(jì)周期、成功開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品具有重要意義。
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