高速大功率車(chē)用柴油機(jī)氣缸蓋CAD系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā).pdf

第24卷第1期2003年2月兵工學(xué)報(bào)ACTAARMAMENTARIIVol.24No.1Feb.2003高速大功率車(chē)用柴油機(jī)氣缸蓋CAD系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)鄒淵廖日東左正興王文清(北京理工大學(xué)車(chē)輛與交通工程學(xué)院,北京,100081)摘要?dú)飧咨w是發(fā)動(dòng)機(jī)中最大、最復(fù)雜的零部件之一。結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性使得在氣缸蓋設(shè)計(jì)中應(yīng)用CAD技術(shù)受到很大限制。目前,氣缸蓋CAD系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)在國(guó)內(nèi)仍屬空白。本文以I2DEASMaster610為開(kāi)發(fā)平臺(tái),充分挖掘OpenIdeas功能,綜合應(yīng)用參數(shù)化特征建模技術(shù)、面向?qū)ο蠹夹g(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),開(kāi)發(fā)了“高速大功率車(chē)用柴油機(jī)氣缸蓋CAD系統(tǒng)”(實(shí)際上是一個(gè)三維建模、二維繪圖及有限元結(jié)構(gòu)分析、優(yōu)化的集成系統(tǒng)),建立高速大功率車(chē)用柴油機(jī)氣缸蓋的現(xiàn)代設(shè)計(jì)軟環(huán)境。關(guān)鍵詞機(jī)械設(shè)計(jì)；氣缸蓋；CAD系統(tǒng)；面向?qū)ο蠹夹g(shù)中圖分類(lèi)號(hào)TJ81+0.311系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)的目標(biāo)及內(nèi)容1.1系統(tǒng)研究開(kāi)發(fā)的目標(biāo)“高速大功率車(chē)用柴油機(jī)氣缸蓋CAD系統(tǒng)”(以下簡(jiǎn)稱(chēng)該氣缸蓋CAD系統(tǒng))的目標(biāo)是研制一套利用現(xiàn)代設(shè)計(jì)分析方法進(jìn)行輔助建模和分析的軟件系統(tǒng),應(yīng)用于該氣缸蓋零部件設(shè)計(jì)的全過(guò)程,從而縮短設(shè)計(jì)周期,提高一次設(shè)計(jì)成功率,為其改型及研制提供一個(gè)先進(jìn)、實(shí)用的輔助工具。具體技術(shù)指標(biāo)包括實(shí)現(xiàn)該氣缸蓋的計(jì)算機(jī)輔助建模(氣缸蓋組的參數(shù)化三維造型和空間裝配以及零件、裝配體的二維工程繪圖)；實(shí)現(xiàn)其氣缸蓋的計(jì)算機(jī)輔助分析；實(shí)現(xiàn)其氣缸蓋的計(jì)算機(jī)輔助結(jié)構(gòu)優(yōu)化；系統(tǒng)中所有技術(shù)手段能夠應(yīng)用于現(xiàn)有發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的改型及更先進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸蓋的研制。1.2系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)內(nèi)容氣缸蓋設(shè)計(jì)方案的基本尺寸和形式由發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)決定,包括燃燒室的形式及尺寸,缸心距,氣門(mén)導(dǎo)管孔的位置、個(gè)數(shù)及尺寸,噴油嘴孔的位置及尺寸,氣道內(nèi)壁的結(jié)構(gòu)形狀及尺寸,絲對(duì)孔的位置、個(gè)數(shù)及尺寸,配氣機(jī)構(gòu)形式以及與箱體匹配的結(jié)構(gòu)形狀及總體尺寸等。氣缸蓋CAD系統(tǒng)應(yīng)能按照這些給定的基本內(nèi)容完成氣缸蓋的詳細(xì)設(shè)計(jì)以及設(shè)計(jì)過(guò)2001年6月收稿,2002年10月定稿。程中的有關(guān)分析計(jì)算,并最終給出氣缸蓋設(shè)計(jì)方案的全部工程圖。結(jié)合內(nèi)燃機(jī)零部件現(xiàn)代設(shè)計(jì)環(huán)境的要求,氣缸蓋CAD系統(tǒng)的研究?jī)?nèi)容大體包括下列諸方面。(1)氣缸蓋初始設(shè)計(jì)方案的評(píng)價(jià)氣缸蓋的基本尺寸和結(jié)構(gòu)形式由發(fā)動(dòng)機(jī)總體設(shè)計(jì)確定后,設(shè)計(jì)人員即可根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)理論及經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行氣缸蓋的初始方案設(shè)計(jì),進(jìn)一步確定氣缸蓋的結(jié)構(gòu)形式、冷卻水孔的數(shù)目及分布、冷卻水道的基本形狀以及各主要結(jié)構(gòu)的尺寸。(2)氣缸蓋的變結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計(jì)對(duì)一定結(jié)構(gòu)形式的氣缸蓋,當(dāng)總體參數(shù)改變時(shí),其各個(gè)部分也要相應(yīng)地變化,因此在氣缸蓋建模過(guò)程中考慮該結(jié)構(gòu)形式中各項(xiàng)參數(shù)之間的相互關(guān)系,對(duì)各尺寸以變量形式管理,即實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)(或稱(chēng)尺寸驅(qū)動(dòng))。由程序按照尺寸鏈和邏輯關(guān)系自動(dòng)進(jìn)行改變尺寸后的模型修改。(3)有限元模型的建立氣缸蓋CAD系統(tǒng)采用先進(jìn)的有限元建模技術(shù),對(duì)特征庫(kù)中已有結(jié)構(gòu)形式的氣缸蓋實(shí)現(xiàn)有限元模型的自動(dòng)建立。(4)結(jié)構(gòu)分析建立了氣缸蓋的結(jié)構(gòu)分析模型后,可由程序自1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.動(dòng)調(diào)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)I2DEAS軟件的有限元分析功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析,其內(nèi)容包括基于機(jī)械負(fù)荷的應(yīng)力場(chǎng)分析、基于熱負(fù)荷的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)分析、基于綜合負(fù)荷條件的應(yīng)力場(chǎng)分析、氣缸蓋冷卻水的流動(dòng)分析、整體氣缸蓋模型的模態(tài)分析及動(dòng)力響應(yīng)分析等。(5)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及優(yōu)化模型的建立根據(jù)結(jié)構(gòu)分析的結(jié)果,設(shè)計(jì)人員可對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)選。此外還可以利用氣缸蓋CAD系統(tǒng)提供的功能進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。(6)結(jié)構(gòu)分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的后處理結(jié)構(gòu)分析后處理的內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)變形圖、應(yīng)力分布圖、變形的動(dòng)態(tài)過(guò)程和生成結(jié)果數(shù)據(jù)文件。(7)氣缸蓋組附屬零件的參數(shù)化設(shè)計(jì)包括氣缸墊、配氣凸輪軸承、氣門(mén)、氣門(mén)室罩等的建模也都全部采用基于特征的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。由于這些零件幾何結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,對(duì)每個(gè)零件只建立單層次的參數(shù)化整體模型庫(kù)。零件的任意尺寸可以改變,并按尺寸鏈對(duì)本零件的各尺寸變量實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。(8)氣缸蓋組的空間裝配氣缸蓋CAD系統(tǒng)可以對(duì)氣缸蓋本體以及氣缸蓋組的附件進(jìn)行空間裝配,裝配過(guò)程根據(jù)零件的尺寸參數(shù)和零件之間的定位參數(shù)自動(dòng)進(jìn)行。(9)二維工程繪圖根據(jù)參數(shù)化三維設(shè)計(jì)的結(jié)果,自動(dòng)將其轉(zhuǎn)換為二維工程圖。(10)建立相應(yīng)的工程數(shù)據(jù)庫(kù)主要包括氣缸蓋結(jié)構(gòu)方案庫(kù)、功能子結(jié)構(gòu)(特征)庫(kù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)庫(kù)、工程圖庫(kù)、材料庫(kù)、試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)、經(jīng)驗(yàn)/規(guī)則/標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)等。(11)氣缸蓋CAD系統(tǒng)各部分的調(diào)用和界面管理氣缸蓋CAD系統(tǒng)以面向?qū)ο蟮目梢暬夹g(shù)為基礎(chǔ),采用MSVC+510作為主要開(kāi)發(fā)語(yǔ)言,具有人機(jī)界面友好、代碼效率高、運(yùn)行速度快、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)。2技術(shù)方案及實(shí)現(xiàn)途徑2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)氣缸蓋CAD系統(tǒng)包括氣缸蓋結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、氣缸蓋參數(shù)化設(shè)計(jì)、附件設(shè)計(jì)、氣缸蓋組裝配及干涉檢查、零件/裝配體二維工程圖的繪制、氣缸蓋有限元結(jié)構(gòu)分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、疲勞壽命預(yù)估以及相關(guān)的工程數(shù)據(jù)庫(kù)等九大模塊。氣缸蓋CAD系統(tǒng)的模塊結(jié)構(gòu)如圖2.1所示。圖2.1氣缸蓋CAD系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2.1StructureoftheCADsystemofcylinderheadforahigh2speedheavy2dutyI.C.E2.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問(wèn)題及解決方案2.2.1參數(shù)化模型庫(kù)的建立氣缸蓋CAD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是以氣缸蓋零件的尺寸為主線,由零件的結(jié)構(gòu)形式和尺寸變量控制三維實(shí)體模型、有限元分析模型、結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型、空間裝配位置、二維繪圖參數(shù)及圖面布置。程序中的各部分實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模,對(duì)于不同的幾何結(jié)構(gòu)層次完全實(shí)現(xiàn)特征描述。氣缸蓋CAD系統(tǒng)中重點(diǎn)是確定各種結(jié)構(gòu)形式氣缸蓋中數(shù)以千計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)之間的關(guān)系。這些參數(shù)最終只有數(shù)目較少的一些自由變量,且這些自由變量能夠恰好反映氣缸蓋設(shè)計(jì)中的尺寸。(1)系列化基礎(chǔ)上的基于功能分解的參數(shù)化特征建模技術(shù)參數(shù)化特征建模技術(shù)是氣缸蓋CAD系統(tǒng)的核心技術(shù)之一1。氣缸蓋組零件的三維建模、氣缸蓋組的空間裝配、氣缸蓋組零件的二維工程繪圖、氣缸蓋的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化均以該技術(shù)作為基礎(chǔ)。利用基于功能分解的特征建模技術(shù)2,可以快速地建立各個(gè)層次的氣缸蓋特征模型(即功能子結(jié)構(gòu))。針對(duì)不同類(lèi)型的氣缸蓋,采用基于系列化基礎(chǔ)上的參數(shù)化技術(shù)3,降低了結(jié)構(gòu)參數(shù)化的難度。(2)氣缸蓋組零件的功能子結(jié)構(gòu)描述氣缸蓋CAD系統(tǒng)以功能子結(jié)構(gòu)描述為建模手段。系統(tǒng)建立具有各種零件的整體模型庫(kù)和具有氣缸蓋局部特征的功能子結(jié)構(gòu)/特征模型庫(kù)。其中整體庫(kù)包含氣缸蓋零件本體及氣缸蓋部件組的所有零件,全部為參數(shù)可變的零件整體模型。功能子結(jié)構(gòu)庫(kù)包含氣缸蓋的所有局部模型,如單缸子結(jié)構(gòu)、氣道子結(jié)構(gòu)等。11第1期高速大功率車(chē)用柴油機(jī)氣缸蓋CAD系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.功能子結(jié)構(gòu)具有不同的等級(jí)或?qū)哟?。氣缸蓋的整體模型可以視為其最大的功能子結(jié)構(gòu),而整體模型包含單缸子結(jié)構(gòu),單缸子結(jié)構(gòu)包含頂板子結(jié)構(gòu),頂板子結(jié)構(gòu)包含絲對(duì)孔子結(jié)構(gòu)等等。將這些功能子結(jié)構(gòu)分別按照不同層次存儲(chǔ)到功能子結(jié)構(gòu)/特征庫(kù)中,同時(shí)對(duì)其中的所有變量都實(shí)現(xiàn)參數(shù)化。(3)系列化基礎(chǔ)上氣缸蓋組的參數(shù)化設(shè)計(jì)參數(shù)化設(shè)計(jì)是一種解決設(shè)計(jì)約束問(wèn)題的數(shù)學(xué)方法。它是在結(jié)構(gòu)形狀比較定型時(shí),用一組參數(shù)來(lái)約定尺寸之間的關(guān)系,然后通過(guò)尺寸驅(qū)動(dòng)達(dá)到改變結(jié)構(gòu)形狀的目的1。氣缸蓋組的參數(shù)化設(shè)計(jì)是以特征建模為基礎(chǔ)的,即存入功能子結(jié)構(gòu)/特征庫(kù)中的每一種特征都由一組唯一決定該特征的參數(shù)集描述。決定特征形狀的稱(chēng)為形狀參數(shù),決定特征位置、方向的稱(chēng)為定位參數(shù),決定特征中子特征個(gè)數(shù)的稱(chēng)為數(shù)量參數(shù)。另外,特征參數(shù)還可分為兩類(lèi):一類(lèi)是設(shè)計(jì)者輸入的參數(shù)；一類(lèi)是上級(jí)特征遺傳的參數(shù)。前者由設(shè)計(jì)者按要求交互輸入,受約束方程的約束,是約束方程中的變量；后者則是從特征依附的上級(jí)特征繼承下來(lái)的,它實(shí)際上約束方程中的已知量。特征的種類(lèi)和應(yīng)用環(huán)境決定了其尺寸是否具有繼承性。2.2.2實(shí)現(xiàn)和I2DEAS的交互(1)I2DEAS的開(kāi)放機(jī)制(OpenIdeas)I2DEAS軟件提供OpenIdeas開(kāi)放機(jī)制(簡(jiǎn)稱(chēng)OI)。OI是一個(gè)靈活、開(kāi)放的結(jié)構(gòu)工具軟件包,它選用CORBA(CommonObjectRequestBrokerArchi2tect)規(guī)范作為實(shí)現(xiàn)機(jī)制。CORBA規(guī)范是實(shí)現(xiàn)分布式對(duì)象管理應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn),它對(duì)分布對(duì)象管理提供了一個(gè)廣泛一致的模型。相對(duì)于I2DEAS在MS6版本以前提供的開(kāi)放環(huán)境,如I2DEAL和OA(OpenArchitecture),OI具有下列優(yōu)勢(shì)4:可以采用面向?qū)ο蟮姆椒?使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)得益于面向?qū)ο蟮姆治觥⒃O(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)；基于OI的產(chǎn)品可以在任何選擇第三方產(chǎn)品Orbix的平臺(tái)上使用(Orbix是一種基于CORBA的面向市場(chǎng)的產(chǎn)品,很多平臺(tái)都支持它,如SGI、SUN、IBM、WINDOWSNT等),脫離SDRC公司的限制；OI支持多種編程語(yǔ)言。OpenIdeas能夠把用戶及第三方軟件同I2DEAS集成。外部程序通過(guò)OpenIdeas可以發(fā)送命令給I2DEAS,也能夠接收來(lái)自I2DEAS軟件的結(jié)果與信息。因此,OpenIdeas和I2DEAS軟件是互為客戶與服務(wù)器(ClientServer)的關(guān)系,見(jiàn)圖2.2。OpenIdeas中提供面向?qū)ο蟮牡念?lèi)庫(kù),在C+程序中可以調(diào)用類(lèi)庫(kù),實(shí)現(xiàn)與I2DEAS軟件通訊與交互。例如:用戶創(chuàng)建對(duì)象的父類(lèi)是OI-Root類(lèi),其下有繼承父特性的子類(lèi)OI-Bin、OI-Curve、OI-Surface、OI-FEModal和OI-Part等。圖2.2OpenIdeas與I2DEAS通訊模型Fig.2.2ModelofcommunicationbetweenOpenIdeasandI2DEAS(2)使用C+實(shí)現(xiàn)與I2DEAS交互采用面向?qū)ο蠹夹g(shù),把OpenIdeas所實(shí)現(xiàn)功能封裝成IdeasFun類(lèi),在IdeasFun.h中有該類(lèi)的說(shuō)明,IdeasFun.cpp則為該類(lèi)的具體實(shí)現(xiàn)。在程序中只需申明一個(gè)IdeasFun的類(lèi)對(duì)象,便可使用其成員函數(shù)進(jìn)行各種操作。該類(lèi)申明如下:classIdeasFunprotected:mydataServers；封裝OI服務(wù)器；public:voidInitial()；初始化I2deas；longGetPartId()；/得到零件的ID號(hào)；OI-Dimension-ptrGetPartDimension(OI-Part-ptrthePart,CStringdimName)；得到零件中名稱(chēng)為dimName的某一個(gè)尺寸指針；doubleGetValue(OI-Dimension-ptrdimension)；得到dimension指針的尺寸值；voidModifyValue(doubleNewValue,OI-Dimen2sion-ptr,dimension,OI-Part-ptrthePart)；修改指定零件中指定尺寸的值；OI-Part-ptrGetPart(inti)；得到零件指針；voidDeletePart(OI-Part-ptrthePart)；刪除零件；OI-Part-ptrCopyPart(OI-Part-ptrthePart,CStringnewName,CstringnewNumber)；得到零件拷貝；boolSendCommand(charcommandstring1024)；向I2deas發(fā)送命令串；voidGetAssemIn(OI-Assembly-ptrtheAssem)；把裝配從模型庫(kù)中拿到圖形區(qū)；voidGetPartIn(OI-Part-ptrthePart)；把零件21兵工學(xué)報(bào)第24卷1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.從模型庫(kù)中拿到圖形區(qū)；voidPutAway()；把裝配從圖形區(qū)放回模型庫(kù)；voidPutPartAway(OI-Part-ptrthePart)；把零件從圖形區(qū)放回模型庫(kù)；OI-Assembly-ptrGetAssembly(inti)；得到裝配指針；doubleGetPartVolume(OI-Part-ptrthePart)；得到零件體積；OI-PartPropertiesGetPartProperties(OI-Part-ptrthePart)；得到零件屬性；CStringSendMessage(charcommandstring1024)；發(fā)送消息；voidLockIcon()；使圖標(biāo)區(qū)變的不敏感；2.2.3數(shù)據(jù)管理的實(shí)現(xiàn)(1)數(shù)據(jù)分析氣缸蓋CAD系統(tǒng)中包括三類(lèi)數(shù)據(jù)。一是零部件三維模型數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)利用I2deas軟件提供的存儲(chǔ)管理機(jī)制,以項(xiàng)目(Project)為組織對(duì)象,存儲(chǔ)在模型文件(ModelFile)、目錄(Catalog)和庫(kù)(Library)三種存儲(chǔ)機(jī)制中。其中,模型文件用于保存工作平臺(tái)上的設(shè)計(jì)環(huán)境和三維圖形信息。目錄和庫(kù)用于存儲(chǔ)實(shí)體模型,并包括一個(gè)參數(shù)表,表中記錄該模型的參數(shù)值。該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)全部由I2DEAS組織管理。二是氣缸蓋設(shè)計(jì)中常用的參考數(shù)據(jù),包括方案設(shè)計(jì)、功能子結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、工程圖、材料、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)規(guī)則等數(shù)據(jù)。三是用戶數(shù)據(jù),用來(lái)存儲(chǔ)用戶設(shè)計(jì)的氣缸蓋項(xiàng)目。(2)數(shù)據(jù)管理實(shí)現(xiàn)氣缸蓋CAD系統(tǒng)綜合應(yīng)用I2DEAS軟件提供的存儲(chǔ)管理機(jī)制和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。針對(duì)氣缸蓋零部件建立了參數(shù)化的三維模板庫(kù),把各零件模板按類(lèi)集中在不同的目錄中,以便被OpenIdeas使用。對(duì)于氣缸蓋設(shè)計(jì)常用的工程數(shù)據(jù)建立工程數(shù)據(jù)庫(kù),利用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),用若干個(gè)表來(lái)管理各種工程數(shù)據(jù)。每個(gè)表依據(jù)其面向的對(duì)象命名,表的各欄也依據(jù)要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)命名,每一行表示表中的一組值,也是表對(duì)象的一個(gè)記錄。表中的每一行必須能唯一標(biāo)識(shí),定義一個(gè)或多個(gè)欄為基本關(guān)鍵字,以便查找。對(duì)用戶數(shù)據(jù)建立用戶數(shù)據(jù)庫(kù),采用方法同上。工程數(shù)據(jù)庫(kù)和用戶數(shù)據(jù)庫(kù)