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虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2018-02-25 13:43:43·  
　
主要首先介紹了虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念，接著從零部件建模及裝配、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真等方面介紹了虛擬樣機(jī)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，說明利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以使發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)快速適應(yīng)市場(chǎng)要求的變化、縮短產(chǎn)品制造周期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
1 前言
 
在發(fā)動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，由于在前期設(shè)計(jì)階段缺乏足夠的試驗(yàn)用的樣機(jī)，因此不可能取得足夠的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)以避免設(shè)計(jì)中潛在的缺陷。這樣，有關(guān)裝配、操作和維護(hù)的問題往往只會(huì)在設(shè)計(jì)后期或在最終產(chǎn)品試車過程中、甚至在投入使用一段時(shí)間后才能暴露出來，所以產(chǎn)品往往不得不返回到構(gòu)造設(shè)計(jì)階段以進(jìn)行必要地修改，這樣的設(shè)計(jì)過程不僅效率低，費(fèi)用還高。同時(shí)，由于世界經(jīng)濟(jì)全球一體化，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)為了提高競(jìng)爭(zhēng)力，必需盡快改變品種、更新設(shè)計(jì)、縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量、降低產(chǎn)品研發(fā)成本，進(jìn)行創(chuàng)新性沒計(jì)，這樣才能對(duì)快速多變化市場(chǎng)需求做出敏捷響應(yīng).從而在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中獲得相當(dāng)?shù)氖袌?chǎng)份額和利潤(rùn)，傳統(tǒng)的基于物理樣機(jī)的設(shè)計(jì)制造方式已無法滿足這些要求。將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)將具有巨大的優(yōu)勢(shì)和經(jīng)濟(jì)效益。

2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的概念及技術(shù)體系
 
虛擬樣機(jī)技術(shù)是上世紀(jì)九十年代逐漸興起并發(fā)展起來的—個(gè)新概念。“虛擬樣機(jī)”，英文為“VirtualPrototyping”，是在一種基于計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)生成“虛擬樣機(jī)”。“虛擬”是指“樣機(jī)”并不是物理實(shí)體，義說它是“樣機(jī)”，是因?yàn)樗哂幸磺袠訖C(jī)實(shí)體的外觀顯現(xiàn)、操作界面，以及完備的樣機(jī)功能。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual Prototyping，VP)的研究還處于發(fā)展的階段，還沒有比較統(tǒng)一的定義。在建模和仿真領(lǐng)域比較通用的虛擬樣機(jī)的概念是美國(guó)國(guó)防部建模和仿真辦公室(DMSO)給出的定義。DMSO將虛擬樣機(jī)定義為對(duì)—個(gè)與物理原型具有功能相似性的系統(tǒng)或者子系統(tǒng)模型進(jìn)行的基于計(jì)算機(jī)的仿真;而虛擬樣機(jī)則是使用虛擬樣機(jī)來代替物理樣機(jī)，對(duì)備選設(shè)計(jì)方案的某一方面的特性進(jìn)行仿真測(cè)試和評(píng)估的過程。虛擬樣機(jī)技術(shù)是一項(xiàng)嶄新的數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)手段。是一種基于計(jì)算機(jī)仿真的分析設(shè)計(jì)方法，是實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)字化沒計(jì)、仿真、分析、制造、實(shí)驗(yàn)的開發(fā)過程的新技術(shù)。
 
虛擬樣機(jī)技術(shù)涉及許多關(guān)鍵技術(shù)與相關(guān)研究領(lǐng)域，其中核心是建模技術(shù)、仿真分析技術(shù)和町視化技術(shù)。虛擬樣機(jī)技術(shù)體系構(gòu)成示意圖，如圖1所示。虛擬樣機(jī)技術(shù)是基于這三種技術(shù)發(fā)展起來的。建模技術(shù)的主要功能根據(jù)研究目的通過數(shù)字化模型來描述客觀事物，主要涉及模型的準(zhǔn)確性、真實(shí)性、精確性、穩(wěn)定性、通用性和有效性等問題。仿真技術(shù)中的是在建模技術(shù)的基礎(chǔ)上是科學(xué)合理地建立仿真模型、利用計(jì)算機(jī)硬件與軟件技術(shù)使仿真模型和原型比較逼真地仿真原型的結(jié)構(gòu)、功能和行為.動(dòng)態(tài)描述工程師和技術(shù)人員的思維過程和行為。
 
可視化技術(shù)Ⅱ了以使建模過程和仿真結(jié)果真實(shí)而形象地表現(xiàn)出來，使設(shè)計(jì)者可以方便的觀察求解量的分布情況和各種性能參數(shù)的變化規(guī)律及系統(tǒng)：r作狀態(tài)的動(dòng)態(tài)效果。待解決的問題規(guī)模越大、越復(fù)雜.可視化技術(shù)帶來的優(yōu)勢(shì)就越明顯?？梢暬夹g(shù)是虛擬樣機(jī)技術(shù)實(shí)用化的體現(xiàn)和重要保障。建模技術(shù)、仿真分析技術(shù)和可視化技術(shù)因此它們的發(fā)展對(duì)于虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展起著舉足輕重作用。
 
3 虛擬技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用
 
3.1 發(fā)動(dòng)機(jī)零件參數(shù)化建模及裝配設(shè)計(jì)
發(fā)動(dòng)機(jī)零件參數(shù)化建模是指借助基于特征的三維參數(shù)化建模軟件對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)的幾何結(jié)構(gòu)主要包括活塞組件、曲軸、連桿、氣缸體、氣缸蓋、凸輪及凸輪軸和氣閥等。裝配設(shè)計(jì)則是指利用三維建模軟件的裝配功能將發(fā)動(dòng)機(jī)零部件裝配成發(fā)動(dòng)機(jī)整體的過程。
 
目前很多三維軟件都可以實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)零部件的參數(shù)化建模和裝配功能，這類軟件主要有某公司的UG，法國(guó)CATIA，美國(guó)某公司的PRO-e等。發(fā)動(dòng)機(jī)零件設(shè)計(jì)和裝配的三維圖，如圖2、圖3所示。
 
3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真分析
 
發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括氣門機(jī)構(gòu)和曲柄連桿機(jī)構(gòu)。通過對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的仿真可以直觀觀察其的動(dòng)作過程，通過修改參數(shù)可以看出使其動(dòng)作滿足實(shí)際要求。仿真模型和運(yùn)動(dòng)過程參數(shù)可為整個(gè)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)，繼而為快速、準(zhǔn)確方便地設(shè)計(jì)和制造物理樣機(jī)奠定基。許多功能強(qiáng)大的三維軟件都具備了運(yùn)動(dòng)仿真功能，比如UG、PRO-e等，利用這些軟件建模后可以直接進(jìn)人運(yùn)動(dòng)模塊。
 
也可以利用三維軟件建立仿真模型.然后導(dǎo)人到專業(yè)仿真軟件中在進(jìn)行仿真.比如ADAMS軟件。國(guó)內(nèi)目前很多研究人員對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的配氣機(jī)構(gòu)做了很多的研究。配氣機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真模型和仿真結(jié)果分析，如圖4、圖5所示。具體仿真過程可參見參考文獻(xiàn)。對(duì)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，通過測(cè)試整個(gè)模型或模型的一部分可以很好的驗(yàn)證其運(yùn)動(dòng)的正確性。
 
3.3 發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)其他態(tài)仿真試驗(yàn)
 
虛擬樣機(jī)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸強(qiáng)度分析、疲勞壽命分析、活塞應(yīng)力分析及疲勞壽命分析、缸內(nèi)流體流動(dòng)分析等也得到應(yīng)用.從中可以獲得所有動(dòng)力學(xué)參數(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)的變化過程，顯示出較大的優(yōu)點(diǎn)，限于篇幅’筆者在此不再贅述，有興趣的讀者可以參閱相關(guān)的文獻(xiàn)。
 
4 結(jié)束語
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能的要求的日益提高，虛擬樣機(jī)技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)上的應(yīng)用越來越廣泛。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，可以快速適應(yīng)市場(chǎng)要求的變化、縮短產(chǎn)品制造周期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，提高發(fā)動(dòng)機(jī)企業(yè)在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中的優(yōu)勢(shì)。
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