V型发动机整机参数化设计研究_图文

1、第 22卷第 4期 2006年 8月 机械设计与研究Machine Design and Research Vol . 22No . 4Aug . , 2006 收稿日期 :2005-11-17文章编号 :100622343(2006 042098204V 型发动机整机参数化设计研究张继春 1, 2, 李兴虎 1, 杨建国2(1. 北京航空航天大学 汽车工程系 , 北京 100083, E mail:zjcbhysina . cn;2. 哈尔滨工业大学 , 摘 要 :, , V 型发动机 , 以 Pr o /ENGI 2NEER , ; 文献标识码 :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 内燃机 , 特别是 V 型发动机的结构设计非常复杂 。国内 汽车行业在设计内燃机时 , 通常采用自底向上的逐步建模和 逐步装配方法 , 这种方法虽然对于底层零件的设计修改非常 方便 , 然而想实现内燃机的变结构设计几乎是不可能的 。本 文通过对基于特征的参数化设计和自顶向下技术的研究 , 以V 型发动

5、机为例 , 介绍内燃机的快速参数化设计方法 。1 基于特征的参数化技术 参数化设计 1是一种使用参数快速构造和修改几何模 型的造型方法 , 这些参数包括形体尺寸 、 方向等几体参数及 其它非几何参数 。 即采用一定数量的参数控制特征定形 、 定 位尺寸和特征存在性以及其它非几体信息 (如材料属性等 , 从而控制产品模型的外观和属性 。内燃机零部件的参数化设计可以分为两个阶段 , 一是零 部件的结构特点分析及特征归纳 , 另一个是零部件参数化的 实现过程 。111 零部件的结构特点分析及特征归纳 针对不同的零部件采用不同的结构分析方法 , 像复杂的 缸体盖采用基于功能分解的特征分析法 3, 4,

6、 而简单的零部 件则直接采用特征分析法 。特征归纳就是将内燃机零部件 归纳为最底层建模特征的过程 。曲柄连杆机构的零部件比 较简单 , 其特征库可以归纳为图 1的形式。 图 1 曲柄连杆机构特征库由于缸体结构比较复杂 , 按照基于功能分解的特征建模 法原理 , 将其进行功能分解和结构分解 , 如图 2所示 , 上面为 缸体的功能分解图 , 下面为缸体的结构分解图。根据结构和 功能对应原则 , 得出功能映射的结构 , 同时根据结构设计变 元原理寻求组成对应结构的基本元素 , 确定与其数量 、 大小 、 形状 、 方位 、 相互连接方式 、 表面特征 、 材料和工艺等参数相 对应的特征 。 图 2

7、 缸体的功能分解和结构分解图 112 零部件的参数化实现过程 必须首先建立基于特征的零件表达模型 , 然后分别对零 部件的形位尺寸和存在性进行参数化 , 以便能够对特征进行参数化驱动 。(1 零件模型的表达 在定义了特征 , 并对其进行分类及表达之后 , 即可以通过特征拼合出零件模型 。零件模型 主要描述零件的特征组成 , 其中定义了零件标识 、 零件名 、 由 所有组成零件的特征构成的特征链 、 描述特征间关系的特征 关系树以及材料等信息 。 其结构如下 :P ART P ART_I D /3零件标识 3/P ART_NAMN/33/FE URE_L3/N L /3零件材料信息3/(2 特征

8、形位尺寸的参数化驱动 将特征的形位尺寸以相应的参数表示 , 通过输入不同的参数 , 便可以生成具有 不同形位尺寸的特征 。(3 特征存在性的参数化驱动 特征存在性的参数化驱动即指特征能够随着布尔型参数的变化而进行添加和删 除的操作 。2 自顶向下技术 自顶向下的产品设计高想是 90年代初期由 Mantyla 提 出的 , 同时他将此设计过程分成了 3个设计阶段 :功能设计 、 概念设计和详细设计 。内燃机自顶向下的设计过程 2-5一 般都要经历功能设计 、 概念设计 、 结构装配设计 、 零件详细设 计等环节 , 从粗到细 、 从简单到复杂 、 从模糊到精确 , 从而实 现先装配后零件的设计顺

9、序 , 最大限度地满足了产品功能和 结构要求 , 减少设计错误 , 并有利于提高设计效率和设计质 量 , 而且便于在各个子装配体之间及时准确地传递设计信 息 , 从而达到信息共享的目的 , 是一种高效率的设计方法 。 采用自顶向下的设计方式 , 一方面提高了工作效率 , 另一方 面使设计者能够更多考虑模具结构的装配协调性 。自顶向下设计是从产品的顶层 (即功能要求 开始 , 选用 一系列的零件去实现产品的功能 。首先按照该产品的最基 本功能和要求 , 在设计顶层构筑 1个 “ 基本骨架 ” , 即 “ 顶层基本骨架 ”(t op basic skelet on, T BS , 设计出初步方案及

10、其结 构草图 , 建立约束驱动的产品模型 , 并通过设计计算 , 确定每 个设计参数 ; 然后进行零件的详细设计 , 通过几何约束求解 , 将零件装配成产品 , 同时对设计方案分析之后 , 返回修改不 满意之处 , 直到得到满足功能要求的产品 。 图 3为自顶向下 的设计过程描述 。 图 3 自顶向下设计过程99第 4期 张维春等 :V 型发动机整机参数化设计研究 图 4 顶级布局文件 图 5 缸体布局文件参数 (传递 控制 图 6 参数控制过程 首先设计发动机的初步方案 , 据此建立设计草图 , 即建 立发动机最顶层基本骨架模型 (布局模型 , 确定模型的主要 参数 。 在本设计中 , 建立

11、发动机顶层布局文件 engine . lay, 如 图 4所示 。将顶级布局模型中的结构映射到发动机各个子系统的 草图设计中 , 同时将顶级布局模型中的参数传输到各子系统 中 , 完成各子系统的布局设计和参数定义 。 在这一步中 , 建 立缸体子系统 (布局文件为 engine_block . lay, 如图 5所示 。缸盖子系统 (布文件为 cyl_head. 和曲柄连杆机构子 。 在 Pr o /ENGI N EER 系统中 , 有两种方法可以迅速实现零 件模型的参数化自动化生活 6, 7, 分别是 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 中的一个利用表格 来驱动模型工具 , 可以将事先定义好的模型 (称为“ GE NER 2I C ” 的零件 中可供驱动的尺寸参数 、 特征 、 模型参数等放入表格中 , 通过在表格中输入新的参数值就可以创建一个新的 零件 (称为 “ I N ST ANCE ” 的零件 。族表的产生过程是 , 首先建立一个具有代表性的零件 ,此零件称为通用零件 (或原始零件 Generic Part 。然后 , 根据可变情况编辑族表项目 , 可变项目可以是 :尺寸 (D i m en 2si on 、 参数 (Para me

13、ter 、 特征 (Feature 与组件 (Component 等 。 完成族表内容后 , 需进行校验 , 然后系统会自动一一再 生 , 从而生成若干子零件 (I nstance Part 。在 V 型发动机中 , 一些标准件 (例如连杆螺栓 、 螺母等 采用 Fa m ily Tab 方式进行自动化建模 。(2 程序 (Pr ogra m 在 Pr o /ENGIN EER 系统中 , 每建立一个模型 , 都会有一 个宏文件记录模型的产生过程 , 如果能够对这个宏文件进 行修改 , 则可以控制模型的建立过程 , 从而控制所生成的模 型 。 Pr ogram 就是这样的一个控制并修改该宏文件

14、的工具 。 运用 Pr ogram , 可以修改一切与模型建立过程相关的参数(包括尺寸参数 、 特征或零件存在性参数 、 特征或零件之间的关系参数以及质量参数等 , 从而控制所要生成的零件或 组件 。 修改好 Pr ogram 文件后 , 相应输入各参数变量 , 便可 以自动再生成不同的模型 , 进而可以将这些模型例化为独 立的模型 。在本系统中 , 缸体 、 缸盖以及曲轴 、 连杆等主要部件和一 些非标件 (例如气门室罩 、 油底壳等 采用 Pr ogra m 方式进行 变结构设计 。通过自顶向下的参数控制和 Fa m ily Tab 及 Pr ogram 对零 部件参数化的实现 , 本系统

15、最终实现了 V 型发动机整机的参 数化设计 。 图 7所示为本系统所生成的 V6发动机整机装配模型及缸体 、 曲柄连杆机构模型 。 图 8所示为本系统所生成 的 V8发动机整机装配及缸体 、 曲柄连杆机构模型图 。001机械设计与研究 第 22 卷 (a 整机装配 (b 缸体 ( c 曲柄连杆机构 图 7 V6 发动机模型图(a 整机装配( (c 曲柄连杆机构 图 8 V8发动机模型4 结论 V 型发动机的结构设计比较复杂 , 一般需要较长的开发 周期 。 采用基于特征的参数化设计和自顶向下技术开发出V 型发动机的参数化设计系统 , 能够大大缩短产品开发周期 , 提高了结构设计效率 , 进而满

16、足市场多变需求 , 提高企业 的市场竞争能力 。参考文献 :1 徐 斌 , 宋宝玉 , 王兆海 , 发动机零件特征参数化模型 J .哈尔滨工业大学学报 , 2003, 32(1 :811. 2 王耕耘 , 王义林 , 李志刚 . 支持自顶向下模具设计的装配建模方法 J .中国机械工程 , 1998, 9(1 :4648. 3 岳建鹏 , 尹文生 , 王启富 . 基于虚拟零件的自顶向下并行装配设计 J .华中理工大学学报 , 2000, 28(5 :1315. 4 蔡 波 , 陆长德 , 余隋怀 , 等 . 自顶向下的计算机辅助工业设计几何建模研究 J .计算机辅助设计与图形学学报 , 2001, 13(12 :11291132. 5 张继春