CATIA在活塞設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2016-11-25  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

  CATIA作為功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助繪圖軟件,集設(shè)計(jì)、分析、制造于一體,現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)。在進(jìn)行汽車零件的方案設(shè)計(jì)時(shí),它不僅可以方便快捷地繪制產(chǎn)品外型,而且還可以進(jìn)行產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)與裝配分析,對(duì)零部件進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真分析,有效縮短了開發(fā)周期,提高設(shè)計(jì)質(zhì)量,降低開發(fā)費(fèi)用。

  本文以V6汽油發(fā)動(dòng)機(jī)活塞設(shè)計(jì)為例,在CATIA軟件中對(duì)其零部件進(jìn)行建模、虛擬裝配、運(yùn)動(dòng)仿真等操作,闡述如何利用CATIA進(jìn)行活塞設(shè)計(jì)。

1、CATIA對(duì)于零件設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)

  虛擬裝配是一種零件模型按約束關(guān)系進(jìn)行重新定位的過程,根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的形狀特性、精度特性,真實(shí)地模擬產(chǎn)品三維裝配過程。同時(shí),允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維模型真實(shí)模擬裝配過程,實(shí)現(xiàn)三維設(shè)計(jì)過程與實(shí)際零部件的設(shè)計(jì)制造.裝配過程的高度統(tǒng)一,是有效分析產(chǎn)品設(shè)計(jì)合理性的一種手段。通過虛擬裝配可以初步對(duì)活塞與其它零件是否干涉有初的了解,同時(shí)為之后的運(yùn)動(dòng)分析打下基礎(chǔ)。

  運(yùn)動(dòng)仿真是指通過構(gòu)建運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)模型,分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律,進(jìn)行機(jī)構(gòu)的干涉分析;跟蹤零件的運(yùn)動(dòng)軌跡,進(jìn)行運(yùn)動(dòng)參數(shù)分析,將設(shè)計(jì)與實(shí)際生產(chǎn)聯(lián)系起來。DMU是CATIA的運(yùn)動(dòng)分析模塊,它集成在CATIA中,可直接調(diào)用建模參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化分析,常用它進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)仿真分析?；钊O(shè)計(jì)時(shí),通過DMU模塊分析,可以確定活塞與曲軸,噴油嘴和進(jìn)、排氣門之間的間隙,對(duì)相應(yīng)位置進(jìn)行調(diào)整,避免活塞與它們發(fā)生干涉。

2、活塞三維模型的建立

  通過對(duì)標(biāo)選型機(jī)型,確定活塞的主要參數(shù),然后根據(jù)確定的主要參數(shù)進(jìn)行活塞建模。建模過程中對(duì)于未確定的尺寸可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)設(shè)計(jì),而對(duì)于氣門避讓槽、噴油嘴避讓槽這些最開始無法確定的參數(shù),可先粗略設(shè)定,建立初步活塞模型(見圖1),最終通過運(yùn)動(dòng)仿真來確定這些參數(shù)。

圖1 活塞初始模型

3、虛擬裝配和運(yùn)動(dòng)副添加

  進(jìn)入裝配模塊,導(dǎo)入配氣機(jī)構(gòu)和曲柄機(jī)構(gòu)的零部件,諸如活塞、連桿、挺柱、氣門和曲軸等零部件。為了簡(jiǎn)化運(yùn)算模型,提升運(yùn)算速度,應(yīng)該對(duì)缸體缸蓋進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化,只提取曲軸、氣門、活塞和凸輪軸的運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)即可。同時(shí)對(duì)其它對(duì)運(yùn)動(dòng)仿真影響不大的結(jié)構(gòu)也做相應(yīng)的簡(jiǎn)化或合并。零件優(yōu)化后,在提取的基準(zhǔn)上裝配各零件。為了方便之后的運(yùn)動(dòng)分析,應(yīng)建立曲柄連桿機(jī)構(gòu)、曲柄連桿機(jī)構(gòu)和配氣機(jī)構(gòu)這兩個(gè)裝配模型。

  進(jìn)入DMU模塊,建一個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況,首先把運(yùn)動(dòng)基準(zhǔn)固定,在曲柄連桿機(jī)構(gòu)中,活塞沿氣缸中心線作往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),連桿作平面復(fù)合運(yùn)動(dòng),曲軸沿缸體上的軸承中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),曲柄連桿機(jī)構(gòu)與配氣機(jī)構(gòu)的存在比例運(yùn)動(dòng),凸輪軸沿缸蓋上的軸承中心作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),凸輪軸驅(qū)動(dòng)氣門、挺柱等做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。根據(jù)這些運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)來添加機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)副,運(yùn)動(dòng)模型即建立完成。添加約束的時(shí)候,要注意對(duì)于已有的約束進(jìn)行裝配約束轉(zhuǎn)換(assemibly constrains conversion),避免過約束影響運(yùn)動(dòng)分析。

4、運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)命令的設(shè)置

  在活塞運(yùn)動(dòng)分析中,配氣和曲柄連桿機(jī)構(gòu)可以運(yùn)動(dòng),驅(qū)動(dòng)命令是必不可少的,可以在創(chuàng)建運(yùn)動(dòng)副時(shí)直接定義驅(qū)動(dòng)命令,也可以在運(yùn)動(dòng)副創(chuàng)建之后定義驅(qū)動(dòng)命令?；钊\(yùn)動(dòng)模擬的主要目的是檢查活塞與其它零件的運(yùn)動(dòng)最小間隙,因此運(yùn)動(dòng)源是否與實(shí)際相符可不作要求。為方便模擬命令的操作,以實(shí)現(xiàn)模擬過程中VVT對(duì)相位的調(diào)整,將曲軸和進(jìn)、排氣凸輪軸三個(gè)零件作為單獨(dú)運(yùn)動(dòng)源,分別添加同一類型的驅(qū)動(dòng)命令,即角度驅(qū)動(dòng)。具體操作方法是在添加這三個(gè)零件與固定零件的運(yùn)動(dòng)副時(shí),在對(duì)話框中勾選角度驅(qū)動(dòng)(angled river)選項(xiàng)。為了保證曲軸和凸輪軸正時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn),必須定義運(yùn)動(dòng)規(guī)律(laws)。通過定義曲軸轉(zhuǎn)角速率是凸輪軸轉(zhuǎn)角速率的2倍,以實(shí)現(xiàn)曲軸和凸輪軸正時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。

5、活塞運(yùn)動(dòng)仿真分析

  活塞在運(yùn)動(dòng)過程,最有可能干涉的零件是曲軸、噴油嘴和進(jìn)、排氣門,所以設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)關(guān)注這些間隙?；钊c曲軸、噴油嘴的間隙只需要通過形成活塞、曲軸的運(yùn)動(dòng)包絡(luò)就可檢測(cè)活塞和曲軸的最小間隙,之后把活塞包絡(luò)導(dǎo)入缸體總成中,檢測(cè)活塞和噴油嘴最小間隙。從圖2可看出活塞與曲軸的間隙為6mm達(dá)到設(shè)計(jì)值不小6mm的要求;從圖3可看出活塞與噴油嘴的間隙都大于4mm,符合設(shè)計(jì)值不小于4mm的要求。

圖2 活塞與曲軸的最小間隙測(cè)量

圖3 活塞與噴油嘴的最小間隙測(cè)量

  檢測(cè)活塞與氣門的間隙相對(duì)而言更為困難,需要模擬VVT工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)情況。在DMU中點(diǎn)擊模擬命令,通過圖4運(yùn)動(dòng)模擬窗口中1、2、3這三個(gè)命令和“插入”按鈕模擬運(yùn)動(dòng)。測(cè)量進(jìn)、排氣門與活塞間的距離并保持尺寸顯示,通過“編輯分析”命令把測(cè)量尺寸導(dǎo)入運(yùn)動(dòng)模型中以便分析結(jié)果,如圖5所示。同時(shí)注意點(diǎn)開“距離”下拉菜單點(diǎn)開“開”選項(xiàng),保證測(cè)量值會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)變化而變化。

圖4 編輯模擬和運(yùn)動(dòng)模擬窗口

圖5 運(yùn)動(dòng)模擬窗口

  點(diǎn)開目錄樹中的Application,雙擊模擬中的法線進(jìn)入運(yùn)動(dòng)模擬窗口,先在命令2中輸入10度的提前角模擬進(jìn)氣提前10度。接著激活“激活傳感器”命令顯示傳感器窗口,在曲軸轉(zhuǎn)角和活塞與進(jìn)、排氣門間隙測(cè)量值后面選擇“是”。點(diǎn)開圖6中“選項(xiàng)”命令,通過“自定義”命令建立分別以進(jìn)、排氣門與活塞間隙為縱坐標(biāo),曲軸轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)的兩條曲線。最后通過運(yùn)動(dòng)模擬中“按需要”命令,步驟數(shù)為36模擬運(yùn)動(dòng),點(diǎn)擊傳感器窗口中的“圖形輸出”命令輸出間隙曲線。通過圖7、8可看出進(jìn)氣提前10°時(shí),活塞與進(jìn)、排氣門的最小間隙都大于1mm的設(shè)計(jì)要求,說明在這個(gè)狀態(tài)下活塞氣門避讓槽設(shè)計(jì)是符合要求的,其它狀態(tài)不做演示。

圖6 傳感器窗口

圖7 進(jìn)氣門與活塞間隙隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

圖8 排氣門與活塞間隙隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

6、結(jié)束語

  本文主要闡述了CATIA在活塞設(shè)計(jì)的應(yīng)用,通過CATIA設(shè)計(jì)人員能夠較快地校核活塞與曲軸,噴油嘴和進(jìn)、排氣門的間隙。在建立活塞運(yùn)動(dòng)模型時(shí)運(yùn)用了一定的簡(jiǎn)化手段以減少了運(yùn)算時(shí)間,使建模和間隙分析過程能盡量簡(jiǎn)化,又能較為準(zhǔn)確地檢測(cè)了活塞與曲軸,噴油嘴和進(jìn)、排氣門的間隙。和過去的檢測(cè)手段相比,基于CATIA的運(yùn)動(dòng)模擬方法縮短了間隙校核的工作時(shí)間,減少了工作量,提高了工作效率,減少了零件試制失敗率,降低了研發(fā)成本。

來源:e-works

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