搜索UGNX在高速摩托艇數(shù)字化設(shè)計(jì)制造仿真開(kāi)發(fā)中的集成應(yīng)用
2013-05-17 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線
王華僑 李玉豐 盛學(xué)斌 耿巍麟 來(lái)源:e-works
關(guān)鍵字:UGNX 逆向工程 模具設(shè)計(jì) 數(shù)控加工 塑性成型模擬
本文以UGNX作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),以某高速摩托艇產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中涉及的產(chǎn)品逆向工程、裝配設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工編程、塑性成型模擬分析等核心關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用研究為對(duì)象,簡(jiǎn)略講述了UGNX作為CAD\CAM\CAE的集成平臺(tái),其該產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中有效的提高了企業(yè)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造開(kāi)發(fā)的效率,為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。最后對(duì)UGNX平臺(tái)的相關(guān)設(shè)計(jì)功能擴(kuò)展提出了一些建議,希望對(duì)從事UGNX的設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員有所參考借鑒作用。
1. 前言
UGNX作為當(dāng)前世界上最先進(jìn)和緊密集成的、面向制造行業(yè)的CAD/CAM/CAE高端軟件,其涉及到工程中的概念設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、機(jī)械設(shè)計(jì)以及工程仿真和數(shù)字化制造等各個(gè)領(lǐng)域。它提供了一個(gè)基于過(guò)程的產(chǎn)品設(shè)計(jì)環(huán)境,使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)從設(shè)計(jì)到加工真正實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)縫集成,從而優(yōu)化了企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造。UG面向過(guò)程驅(qū)動(dòng)的技術(shù)是虛擬產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),在面向過(guò)程驅(qū)動(dòng)技術(shù)的環(huán)境中,用戶的全部產(chǎn)品以及精確的數(shù)據(jù)模型能夠在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)全過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)保持相關(guān),從而有效地實(shí)現(xiàn)了并行工程。UGNX作為下一代數(shù)字產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件,幫助企業(yè)加速產(chǎn)品創(chuàng)新,實(shí)現(xiàn)更高的成本效益。
UGNX不僅具有強(qiáng)大的實(shí)體造型、曲面造型、虛擬裝配和產(chǎn)生工程圖等設(shè)計(jì)功能;而且,在設(shè)計(jì)過(guò)程中可進(jìn)行有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析、動(dòng)力學(xué)分析和仿真模擬,提高設(shè)計(jì)的可靠性。同時(shí),可用建立的三維模型直接生成數(shù)控代碼,用于產(chǎn)品的加工,其后處理程序支持多種類型數(shù)控機(jī)床。通過(guò)NX產(chǎn)品組合全面集成工業(yè)設(shè)計(jì)和造型的解決方案,用戶能夠利用一個(gè)更大的工具包,涵蓋建模、裝配、模擬、制造和產(chǎn)品生命周期管理功能。設(shè)計(jì)專用工具和傳統(tǒng)的CAD、CAE和CAM工具相結(jié)合,提供可獲得的最完整的工業(yè)設(shè)計(jì)和最高級(jí)的表面處理解決方案。UG的各功能是靠功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的,不同的功能模塊實(shí)現(xiàn)不同的用途。UGNX的主要功能可以很好的幫助用戶解決包括逆向工程、工業(yè)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、計(jì)算仿真、工裝模具設(shè)計(jì)、數(shù)控加工編程、工程數(shù)據(jù)管理等方面的問(wèn)題。
如下圖1所示利用UGNX作為設(shè)計(jì)平臺(tái)開(kāi)發(fā)出的高速摩托艇SEADANCE,是一種小型采用噴射推進(jìn)的高速動(dòng)力艇,其時(shí)速可高達(dá)100公里以上。該摩托艇由艇身、發(fā)動(dòng)機(jī)、噴射單元、控制系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、儲(chǔ)物箱等部分組成。摩托艇以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力,具有自重輕、吃水淺、回旋半徑小、動(dòng)力大、能耗低、操縱機(jī)動(dòng)靈活、速度快、抗浪性好、低噪聲、故障率低等特點(diǎn)。主要應(yīng)用在體育運(yùn)動(dòng)、旅游休閑等方面,是一種高級(jí)休閑產(chǎn)品,在國(guó)外使用較為廣泛,目前國(guó)內(nèi)使用的產(chǎn)品主要靠進(jìn)口。該摩托艇采用的是SMC整體復(fù)合成型船體、10000轉(zhuǎn)/分的ECU電噴高速發(fā)動(dòng)機(jī)、導(dǎo)管式螺旋槳噴射推進(jìn)的船機(jī)槳系統(tǒng),所采用的這些技術(shù)在國(guó)內(nèi)均處于領(lǐng)先水平。下述對(duì)利用UGNX在該產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中的一些關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
圖1 SEADANCE高速摩托艇
2. 艇身逆向工程應(yīng)用開(kāi)發(fā)
隨著現(xiàn)代企業(yè)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的越來(lái)越短、產(chǎn)品質(zhì)量要求越來(lái)越高,尤其是產(chǎn)品的外觀質(zhì)量更是要求實(shí)用美觀。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造CAD\CAM\CAE的普及應(yīng)用,產(chǎn)品逆向工程技術(shù)在新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程中得到了充分應(yīng)用。尤其在汽車整車廠、 通用機(jī)械領(lǐng)域、 工裝檢具制造商、 模具制造企業(yè)、 航空航天企業(yè)、船舶工業(yè)、 玩具及雕塑、 藝術(shù)品及動(dòng)畫(huà)考古等方面產(chǎn)生了巨大社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。下面介紹利用Imageware和UGNX,在開(kāi)發(fā)摩托艇的艇身設(shè)計(jì)時(shí)所涉及的逆向工程、改型創(chuàng)新設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用。
2.1 UGNX/Imageware逆向工程應(yīng)用流程
產(chǎn)品逆向工程開(kāi)發(fā)流程一般分為產(chǎn)品外觀創(chuàng)意設(shè)計(jì)、油泥模造型、產(chǎn)品掃描、點(diǎn)云曲面造型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造工藝成型等一系列過(guò)程。產(chǎn)品外觀創(chuàng)意設(shè)計(jì)一般多采用Photoshop、3DMax、Rhino、Alias等軟件在創(chuàng)意師的作品基礎(chǔ)上進(jìn)行三維樣機(jī)設(shè)計(jì)與圖像處理;油泥師根據(jù)創(chuàng)意設(shè)計(jì)進(jìn)行油泥造型,然后通過(guò)激光掃描獲取油泥點(diǎn)云模型;三維工程師通過(guò)Imageware、Geomagic、CATIA或者其它的專業(yè)逆向工程軟件進(jìn)行點(diǎn)云造型、產(chǎn)品細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)與裝配設(shè)計(jì);工藝師依據(jù)最終的產(chǎn)品進(jìn)行模具設(shè)計(jì)、夾具設(shè)計(jì)、工藝流程設(shè)計(jì)、數(shù)控加工等完成產(chǎn)品的最終成型。
產(chǎn)品逆向工程中的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與油泥造型主要考慮美學(xué)設(shè)計(jì),在很大程度上依賴于油泥師和創(chuàng)意師的經(jīng)驗(yàn)與藝術(shù)修養(yǎng)。產(chǎn)品逆向在完成油泥造型、點(diǎn)云掃描后,主要時(shí)間就花在反求建模上。Imageware作為典型的逆向工程軟件促進(jìn)了高級(jí)的、符合人體工學(xué)和美學(xué)的產(chǎn)品形狀的開(kāi)發(fā),其提供的造型功能,對(duì)于構(gòu)造完美的高質(zhì)量曲面滿足設(shè)計(jì)師和工程師的要求是很容易實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)Imageware完成逆向后,其提供數(shù)據(jù)接口包括Iges、xmt_txt",、".model"文件、step文件、stl文件等多種格式,數(shù)據(jù)交換非常方便,與UGNX具有嵌入式接口。
Imageware點(diǎn)云的處理方式包括點(diǎn)云過(guò)濾、分區(qū)、在擬合曲線所需要的點(diǎn)云時(shí),可平行截面截取、曲線投影、曲面相交等方式。曲線的生成方式除基準(zhǔn)曲線外,擬合曲線的階次一般采用4階即可,曲線的段數(shù)依據(jù)曲線的特性適當(dāng)。曲面擬合功能包括基本的平面錐面柱面擬合、旋轉(zhuǎn)曲面、Loft曲面、Swept掃描導(dǎo)軌曲面、UVBlend曲面、點(diǎn)云直接擬合Uniform曲面、點(diǎn)云配合邊界擬合曲面、Extrude曲面、Boundary邊界曲面、管道面、融接過(guò)渡面、圓角面、曲面偏移放大裁剪等功能。Imageware的點(diǎn)云曲面對(duì)齊方式可采用基準(zhǔn)球混合模式對(duì)齊、采用平面對(duì)齊動(dòng)態(tài)逐步最佳配合模式對(duì)齊和321多種對(duì)齊方式。如下圖所示為對(duì)某產(chǎn)品進(jìn)行逆向造型時(shí)首先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)齊,然后利用曲率分區(qū)功能和輪廓線提取,再利用點(diǎn)云擬合曲線的方式構(gòu)造大曲面,最后在正向CAD系統(tǒng)中進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)。如下圖2所示為產(chǎn)品逆向工程造型設(shè)計(jì)的流程示意圖。
圖2 逆向工程三維造型設(shè)計(jì)流程圖
2.2 艇身逆向工程應(yīng)用事項(xiàng)
Imageware曲面為復(fù)雜自由曲面形狀的設(shè)計(jì)提供了一系列強(qiáng)有力的曲線和曲面創(chuàng)建編輯的功能,它包括了曲面生成的主要命令,如掃掠、放樣,以及其它CAD產(chǎn)品中所沒(méi)有的用于復(fù)雜形狀開(kāi)發(fā)的功能。在進(jìn)行艇身設(shè)計(jì)時(shí)需要使用Bezier高階幾何模型,而Imageware曲面可生成高達(dá)21階的曲面,在貫穿整個(gè)曲面構(gòu)造過(guò)程中能夠保證設(shè)計(jì)者遵循設(shè)計(jì)、工程和制造的標(biāo)準(zhǔn)。如圖3所示為高速摩托艇艇身造型的流程圖,下述對(duì)在進(jìn)行艇身逆向工程造型的過(guò)程中,總結(jié)出來(lái)關(guān)于逆向造型的技巧歸納如下。
①采用激光掃描時(shí)由于大多采用曲率連續(xù)的方式取點(diǎn),在大范圍內(nèi)曲率相等的區(qū)域采用基準(zhǔn)球可有效解決掃描精度和效率問(wèn)題,針對(duì)不同的零件特征應(yīng)采用相應(yīng)的點(diǎn)距精度進(jìn)行掃描。針對(duì)不同大小精度結(jié)構(gòu)零件掃描時(shí)在條件許可前提下采用合適的掃描設(shè)備可以達(dá)到良好的掃描效果。對(duì)于裝配體如車身或新產(chǎn)品仿制時(shí),一定要先進(jìn)行整體掃描、再將零部件拆分掃描后掃描、對(duì)于兩面都有細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)的薄壁零件掃描時(shí),掃描時(shí)一定要處理好。
②點(diǎn)云再導(dǎo)入逆向軟件后,點(diǎn)云的顯示盡量進(jìn)行過(guò)濾,但是在點(diǎn)云的處理過(guò)程中一般不要進(jìn)行刪除過(guò)濾、以避免進(jìn)行細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)需要點(diǎn)云時(shí)密度不夠就難以解決。在細(xì)節(jié)處理過(guò)程中,可以對(duì)點(diǎn)云采用網(wǎng)格面的渲染模式顯示可有效觀察細(xì)節(jié)特征的處理方式,同時(shí)對(duì)實(shí)物或者是油泥模型的仔細(xì)觀察是非常有必要的。。
③在進(jìn)行逆向造型時(shí),總體策劃思路的好壞對(duì)于提高造型的效率和質(zhì)量有著較大影響、尤其是曲面點(diǎn)云的區(qū)域劃分如何構(gòu)造整體產(chǎn)品對(duì)象一定要清楚,同一零件不同的設(shè)計(jì)人員有不同的理解和構(gòu)造方式,正確的理解產(chǎn)品的構(gòu)造可少走彎路;對(duì)于塑性模具成型的零件盡量使點(diǎn)云數(shù)據(jù)沿拔模方向?qū)R,可提前對(duì)模具進(jìn)行備料采用這種并行的方式可大幅度縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期。對(duì)于對(duì)稱零件有效的利用軟件的對(duì)稱功能顯示和對(duì)齊功能也是非常有意義的。
④利用Imageware軟件基于曲率變化的顏色劃分區(qū)域的功能和尖銳輪廓線提取功能在一定程度上可減少造型師的工作量,同時(shí)利用其對(duì)于薄壁雙層點(diǎn)云的單面提取功能也是提高薄壁零件造型效率的有效手段之一。
⑤在進(jìn)行曲面逆向造型的過(guò)程中,曲面造型的方式應(yīng)該依據(jù)對(duì)象的構(gòu)成特征采用相應(yīng)的曲面類型,尤其要避免非曲率連續(xù)的多張曲面片采用強(qiáng)制性整體造型、對(duì)于后續(xù)的光順修改非常不理。另外要根據(jù)產(chǎn)品對(duì)象的配合或光順要求選擇不同的方法,在將零件表面化整為零的時(shí)候曲面片之間有縫合光順時(shí),曲面片盡量要作大,以方便裁剪光順。
⑥Imageware提供的曲面逆向造型構(gòu)造方式比較多,對(duì)于一般非自由曲面特征,有效利用軟件提供的如孔、平面、柱面、錐面、旋轉(zhuǎn)曲面二次曲線曲面功能可以優(yōu)質(zhì)高效的完成曲面造型。
⑦在曲面造型時(shí)要使曲線和曲面時(shí)時(shí)與原始點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)比、以有效觀察曲線曲面與點(diǎn)云的誤差以及曲面的光滑連續(xù)性,利用Imageware的曲線節(jié)點(diǎn)調(diào)節(jié)功能和曲面的邊界UV控制線提取功能進(jìn)行曲面的二次擬合可有效的控制曲面精度達(dá)到產(chǎn)品要求。
⑧在Imageware中完成曲面的大體構(gòu)造后,利用UGNX進(jìn)行零件的細(xì)節(jié)與整體造型,完成如曲面融接、圓角、孔位、凸臺(tái)等細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)可幫助設(shè)計(jì)師方便的進(jìn)行修改完善,同時(shí)在UGNX環(huán)境下進(jìn)行裝配與間隙調(diào)整等對(duì)于產(chǎn)品的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)是非常有必要的,可以減小后續(xù)模具設(shè)計(jì)制造、產(chǎn)品總體裝配的潛在風(fēng)險(xiǎn)。
圖3 艇身逆向造型的工作流程
3 艇身與發(fā)動(dòng)機(jī)總成設(shè)計(jì)與裝配
3.1摩托艇艇身特點(diǎn)
摩托艇艇身由SMC復(fù)合材料熱模壓工藝成型,因此艇身性能穩(wěn)定一致,強(qiáng)度高,耐腐蝕、耐候性好,重量輕,壽命長(zhǎng)。同時(shí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性好,艇身各部分可由多塊SMC模壓復(fù)合材料拼接而成,所以用 SMC模壓技術(shù)成型玻璃鋼艇身會(huì)發(fā)展迅猛、具有廣闊應(yīng)用前景。特別是在水上娛樂(lè)艇、游艇、摩托艇、沖浪艇和水陸兩用船艇上將廣泛應(yīng)用。在民用的漁船、工程船、海事監(jiān)察船和軍用的艦艇、登陸艇也將被快速使用。
艇身總成主要由上艇身、內(nèi)腔、下艇身三大部分組成,如圖4所示。上艇身除外觀裝飾件安裝外,還包括乘坐駕駛等操作部分的連接。內(nèi)腔則主要安裝發(fā)動(dòng)機(jī)、供油系統(tǒng)、傳動(dòng)裝置、水氣混合排放系統(tǒng)、駕駛控制系統(tǒng)等部分的安裝;下艇身則主要承擔(dān)噴射系統(tǒng)和艇身平衡尾翼等部件的安裝和整艇的支撐作用。下艇身是船體設(shè)計(jì)的核心,其對(duì)承載、克服阻力、破浪性等方面對(duì)整體的性能起著決定性的作用。艇身總成設(shè)計(jì)制造具備如下特點(diǎn):
①在設(shè)計(jì)上,利用逆向工程的原理進(jìn)行艇身設(shè)計(jì)。通過(guò)油泥模型進(jìn)行外觀設(shè)計(jì)后,利用三維激光掃描配合軟件點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理,同時(shí)采用先進(jìn)軟件進(jìn)行外觀再造型和后期數(shù)控加工。在船型上利用流體力學(xué)和仿生學(xué)對(duì)艇身進(jìn)行外觀造型,其流線形外觀新穎獨(dú)特,具有較好的美學(xué)效果。采用計(jì)算流體力學(xué)分析船舶航行時(shí)阻力,以合理的完成船機(jī)槳的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)。
②在結(jié)構(gòu)上,對(duì)下艇身與內(nèi)膽等多處結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部加強(qiáng),利用整體復(fù)合模壓成型的優(yōu)勢(shì),避免了采用多套模具通過(guò)粘結(jié)加強(qiáng)的方式,尤其是下艇身尾部側(cè)板兩個(gè)區(qū)域加強(qiáng)處,一次減少了兩套模具的開(kāi)發(fā)投入,為成本開(kāi)發(fā)節(jié)約二十多萬(wàn)元的費(fèi)用。
③在工藝上,艇身是國(guó)內(nèi)采用SMC技術(shù)壓制成型的外形尺寸最大,結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的深陷異型制品,艇身的所有部件(上艇身、下艇身、內(nèi)襯、隔板)全部采用SMC模壓成型。艇身重量輕、強(qiáng)度高、性能好,同比鋁合金船體從重量和成本上節(jié)省30%以上。該產(chǎn)品通過(guò)模壓其表面光潔度高。
三人乘用水上摩托艇要求不僅外形美觀、速度快等特點(diǎn),其所涉及的關(guān)鍵核心技術(shù)多,該產(chǎn)品與汽車工業(yè)具有相同的特點(diǎn),是國(guó)家工業(yè)制造技術(shù)水平的集中體現(xiàn)。艇身的總成與裝配如下圖4所示,利用UGNX的三維設(shè)計(jì)與裝配功能,可以非常容易的檢查出裝配干涉等問(wèn)題,而不必等到實(shí)物裝配暴露出問(wèn)題后再去處理,提前解決了大部分的裝配質(zhì)量問(wèn)題,尤其是艇身與外觀塑料件、操控系統(tǒng)、排水推進(jìn)系統(tǒng)之間的配合更是如此。同時(shí)對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)上裝、船機(jī)槳之間的配合,利用UGNX提前解決了許多無(wú)法預(yù)見(jiàn)的技術(shù)質(zhì)量問(wèn)題,加速了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。
圖4 艇身總成示意圖
3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)總成設(shè)計(jì)與裝配
摩托艇發(fā)動(dòng)機(jī)本體主要由曲軸箱體、活塞連桿組、曲軸飛輪組、配氣機(jī)構(gòu)、冷卻潤(rùn)滑系、排放系統(tǒng)、ECU電控系統(tǒng)等部分組成。機(jī)械本體主要由氣缸體、氣缸蓋、氣缸套、氣缸墊和油底組成。利用UGNX的三維設(shè)計(jì)與裝配功能,很容易完成該發(fā)動(dòng)機(jī)各個(gè)部件及其總成的三維裝配和工程圖,如下圖5和圖6所示為該高速發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配示意圖。同時(shí)利用UGNX的運(yùn)動(dòng)分析功能和裝配包絡(luò)干涉分析功能,較好地解決了曲軸、連桿、活塞與缸體及傳動(dòng)部分的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)、裝配間隙控制關(guān)系,為該發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配、點(diǎn)火、磨合試驗(yàn)的順利成功起到了很好的促進(jìn)作用。
圖5 發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械總成
圖6 ECU電噴高速發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物
4 艇身與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體模具設(shè)計(jì)制造
UGNX提供了基于專家系統(tǒng)的注塑模(Mold Wizard)、鈑金零件沖壓模(Die Engineer)、級(jí)進(jìn)模(Progressive Die Wizard)等模具設(shè)計(jì)功能,模具專家設(shè)計(jì)系統(tǒng)融入了模具設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)和系統(tǒng)開(kāi)發(fā)師的智慧,使用它們可以加速模具設(shè)計(jì)速度,提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量。模具設(shè)計(jì)向?qū)Ъ夹g(shù)提供了基于最優(yōu)實(shí)踐基礎(chǔ)上的、逐步引導(dǎo)式進(jìn)行構(gòu)造的工作流程,使許多企業(yè)的模具設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。使得企業(yè)在模具設(shè)計(jì)制造(規(guī)劃,采購(gòu),詳細(xì)設(shè)計(jì),電極設(shè)計(jì),模具制造)的并行展開(kāi),因而縮短了交付時(shí)間。艇身SMC熱壓復(fù)合模具和發(fā)動(dòng)機(jī)缸體壓鑄模具的設(shè)計(jì),充分利用了UGNX的曲面造型設(shè)計(jì)、裝配設(shè)計(jì)以及UGNX注塑模具向?qū)е械哪＞叻帜９δ茉O(shè)計(jì)模塊。由于熱壓模和壓鑄模在模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上與注塑模有相似的地方,因此在進(jìn)行艇身熱壓模與發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的壓鑄模具設(shè)計(jì)時(shí),充分利用模具設(shè)計(jì)的相似性解決模具分模,模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)工作。
4.1 艇身SMC熱壓模具設(shè)計(jì)與制造
摩托艇艇身覆蓋件是目前國(guó)內(nèi)最大的SMC模壓件,加上其外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鑲嵌件多、成型難度高、配合精度高、耐海水腐蝕等要求;同時(shí)承受著艇的各種運(yùn)行工況作用,因而要求重量輕、比強(qiáng)度高。采用傳統(tǒng)的手糊成型工藝不僅產(chǎn)品質(zhì)量差、技術(shù)含量低、一致性差,而且存在勞動(dòng)強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率低、制造成本高等缺陷。艇身采用SMC片狀模塑料壓制成型,將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)采用此種方法成型全SMC復(fù)合材料艇身的空白。采用鋼板拼焊整體模具設(shè)計(jì)制造,通過(guò)油循環(huán)加熱實(shí)現(xiàn)SMC艇身的熱模壓,實(shí)現(xiàn)SMC艇身的大批量無(wú)余量生產(chǎn)。SMC模壓最核心的主要依賴于模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、模壓的時(shí)間、壓力溫度等工藝參數(shù)的合理制定、熱變形的校正措施等。如下圖7所示為SMC模壓成型的艇身下船體模具結(jié)構(gòu)示意圖以及模壓出的產(chǎn)品。該模具結(jié)構(gòu)為封閉式、油循環(huán)加熱成型艇身。此種結(jié)構(gòu)較開(kāi)放式、電加熱型模具,其產(chǎn)品重量可以嚴(yán)格控制、無(wú)飛邊、壁厚一致性好、加熱均勻、維修維護(hù)方便、模壓能耗低等多種優(yōu)點(diǎn)。
UGNX系統(tǒng)提供了數(shù)控線切割、車削、銑削編程功能等多種模塊。如鉆空循環(huán)、攻絲和鏜孔等點(diǎn)位加工編程;具有多種輪廓加工、等高環(huán)切行切以及島嶼加工平面銑削編程功能;其提供3~5坐標(biāo)復(fù)雜曲面的固定軸與變軸加工編程功能,可以任意控制刀具軸的矢量方向,具有曲面輪廓,等高分層、參數(shù)線加工、曲面流線、陡斜面、曲面清根等多種刀具軌跡控制方式。系統(tǒng)提供的數(shù)控銑削編程功能模塊包括平面銑削、型芯型腔銑削,固定軸銑削,自動(dòng)清根,可變軸銑削,順序銑,高速銑削等軌跡策略。其切削仿真模塊可模擬2~5軸聯(lián)動(dòng)的銑削和鉆削加工。如圖7所示為利用UGNX完成的該摩托艇艇身模具設(shè)計(jì)、模具數(shù)控加工編程、模具實(shí)物和模壓后的產(chǎn)品,UGNX在艇身的快速成功開(kāi)發(fā)上起到了至關(guān)重要的作用。
圖7 摩托艇艇身模具設(shè)計(jì)制造與實(shí)物
4.2 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體壓鑄模具設(shè)計(jì)
壓鑄是最先進(jìn)的金屬成型方法之一,是實(shí)現(xiàn)少切屑,無(wú)切屑的有效途徑,應(yīng)用很廣,發(fā)展很快。目前壓鑄合金不再局限于有色金屬的鋅、鋁、鎂和銅,而且也逐漸擴(kuò)大用來(lái)壓鑄鑄鐵和鑄鋼件。壓鑄件的尺寸和重量,取決于壓鑄機(jī)的功率。由于壓鑄機(jī)的功率不斷增大,鑄件形尺寸可以從幾毫米到1~2m;重量可以從幾克到數(shù)十公斤。國(guó)外可壓鑄直徑為2m,重量為50kg的鋁鑄件。隨著鑄造的精密性、質(zhì)量與可靠性、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保等要求越來(lái)越高,壓力鑄造已從單一的加工工藝發(fā)展成為新興的綜合性的先進(jìn)工藝技術(shù)。如下圖8~圖10所示為利用UGNX設(shè)計(jì)后的高速發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及其壓鑄模具的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與實(shí)物。
圖8 鋁合金高速發(fā)動(dòng)機(jī)缸體
圖9 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體壓鑄模具
圖10 發(fā)動(dòng)機(jī)缸體模具
發(fā)動(dòng)機(jī)的制造在我國(guó)制造業(yè)中是難度較高的制造技術(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)缸體缸蓋鑄造成功率低,設(shè)計(jì)和機(jī)械加工難度大。由于摩托艇的發(fā)動(dòng)機(jī)是在特殊環(huán)境下工作的,因此其材料需要具有耐磨、抗熱、抗變形等特點(diǎn),所以設(shè)計(jì)選材具有一定的難度。鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體結(jié)構(gòu)尺寸小、內(nèi)外部型腔結(jié)構(gòu)復(fù)雜,尺寸精度高;同時(shí)其使用轉(zhuǎn)速高功率大等特點(diǎn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的鑄造提出了更高的要求。該發(fā)動(dòng)機(jī)缸體采用的為高磷鑄鐵鑲缸套,在壓鑄時(shí)嵌入到缸體一次成型后進(jìn)行精密機(jī)械加工。缸套的厚度為2mm ,機(jī)械加工后保證最小壁厚不小于1.5mm。上下缸體均為壓鑄鋁合金ADC12(LY12),熱處理時(shí)效為170度、保溫16小時(shí);機(jī)械性能要求抗拉強(qiáng)度大于320Mpa,延伸率不小于5%,彈性模量大于75GPa。
針對(duì)鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的特點(diǎn),其壓鑄模具的設(shè)計(jì)質(zhì)量對(duì)于缸體的壓鑄有著重要的影響,不僅要滿足缸體空間結(jié)構(gòu)上的要求,同時(shí)要考慮鋁合金材料壓鑄時(shí)的成型工藝,另外對(duì)于壓鑄過(guò)程中的充型、持壓、脫模、保溫等都需要在模具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上考慮周全,利用UGNX的強(qiáng)大三維設(shè)計(jì)功能以及UGNX在工裝模具設(shè)計(jì)專家系統(tǒng)上的優(yōu)勢(shì),較好的解決了該鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的模具設(shè)計(jì)和壓鑄要求,在國(guó)產(chǎn)高速汽油發(fā)動(dòng)機(jī)缸體的壓鑄模具設(shè)計(jì)和壓鑄成型工藝上取得了較大的突破。如下圖11所示為壓鑄成型及利用UGNX的CAM功能進(jìn)行數(shù)控編程,精密加工完成后的鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體實(shí)物。UGNX在該發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功應(yīng)用上,不僅促進(jìn)了國(guó)產(chǎn)高速汽油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)水平,極大的促進(jìn)了鋁合金壓鑄技術(shù)和精密機(jī)械加工技術(shù)的升級(jí)和廣泛應(yīng)用。
圖11 壓鑄鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)缸體
5 螺旋槳數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造仿真
該摩托艇其噴射系統(tǒng)主要包括葉輪(螺旋槳)總成、發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水供應(yīng)系統(tǒng)、進(jìn)水?dāng)r網(wǎng)等組成。螺旋槳通過(guò)軸與發(fā)動(dòng)機(jī)輸出采用梅花聯(lián)軸接形式進(jìn)行柔性連接,是推動(dòng)艇運(yùn)行的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該螺旋槳外形尺寸小(直徑156mm,葉片高度不足60mm,葉片最薄處為0.5mm)、重量輕(為1.2Kg)、葉片流道精度要求高。其轉(zhuǎn)速高、推力大(10000r/min,700Kg載荷,達(dá)到1.5g的加速度)、動(dòng)平衡精度高,因而要求其綜合機(jī)械性能好,同時(shí)要防海水腐蝕等耐侯性要求。在研制期間采用五坐標(biāo)精密機(jī)械加工等手段進(jìn)行開(kāi)發(fā),批生產(chǎn)階段采用的是精密鑄造成型,再配合動(dòng)平衡量校正技術(shù)實(shí)現(xiàn)該產(chǎn)品的制造。設(shè)計(jì)出的該螺旋槳如下圖12所示。利用UGNX完成的螺旋槳幾何模型和有限元網(wǎng)格劃分為后續(xù)的計(jì)算流體水動(dòng)力學(xué)分析模擬、螺旋槳鑄造成型模擬、數(shù)控加工編程仿真等提供了較好的輸入條件。
圖12 高速摩托艇噴射式導(dǎo)管螺旋槳
5.1 螺旋槳計(jì)算流體水動(dòng)力學(xué)分析
螺旋槳的水動(dòng)力性能分析是螺旋槳設(shè)計(jì)過(guò)程中不可缺少的環(huán)節(jié),數(shù)值分析技術(shù)是現(xiàn)在螺旋槳水動(dòng)力性能分析的一種重要手段。采用CFD模擬,可以有效地減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)、節(jié)省經(jīng)費(fèi)、加快新產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程。下面講述利用UGNX配合ANSYS-CFX,對(duì)該三葉螺旋槳進(jìn)行計(jì)算流體力學(xué)分析的模擬仿真的結(jié)果簡(jiǎn)要說(shuō)明,如下圖所示為將UGNX的有限元前處理模型導(dǎo)入ANSYS-CFX中進(jìn)行分析的結(jié)果。從分析圖中可以看出,利用UGNX和ANSYS-CFX可以非常方便的對(duì)螺旋槳工況進(jìn)行定義,并針對(duì)不同轉(zhuǎn)速工況情況下的螺旋槳速度、壓力、流量、推力進(jìn)行數(shù)值分析。
如圖13為螺旋槳6000r/min情況下,螺旋槳軸向、徑向、旋轉(zhuǎn)的流體速度分布。圖14~為10000r/min條件下,螺旋槳的流量、壓力分布圖,從圖中可以看出,葉梢的壓力最大、葉根處壓力最小。針對(duì)該螺旋槳,采用CFX計(jì)算后,其葉片通道流量為3.31Kg/S,總流量為5.5Kg/s。同時(shí)將葉片受力情況導(dǎo)入到強(qiáng)度分析中,從圖15中可以看出其最大變形量發(fā)生在葉片外圍為2.719mm,最大應(yīng)力應(yīng)變發(fā)生的部位以及疲勞強(qiáng)度滿足永久使用要求。
圖13 軸向、徑向、旋轉(zhuǎn)的流體速度分布
圖14 螺旋槳的流速、流量、壓力分布圖
圖15 變形與應(yīng)力強(qiáng)度分布圖
5.2 螺旋槳五坐標(biāo)數(shù)控加工編程仿真
螺旋槳設(shè)計(jì)制造、產(chǎn)品定型早期為有效的進(jìn)行螺旋槳的敞水試驗(yàn),減少鑄造批量生產(chǎn)時(shí)模具的返修工作量以及避免模具報(bào)廢,采用五坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工其模型件是非常有意義的?？梢詫?shí)現(xiàn)縮短開(kāi)發(fā)周期,提高螺旋槳設(shè)計(jì)質(zhì)量,避免設(shè)計(jì)時(shí)參數(shù)的確定、葉片形狀以及螺旋槳的強(qiáng)度等綜合方面的影響。針對(duì)該螺旋槳的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),在五坐標(biāo)機(jī)床上進(jìn)行加工時(shí),如何有效的設(shè)計(jì)其刀具加工軌跡路徑,避免機(jī)床干涉、碰斷刀、報(bào)廢零件等方面是非常有必要的。該螺旋槳五坐標(biāo)機(jī)床加工時(shí)分為幾個(gè)組成部分,三軸粗加工排量、刀具側(cè)刃五坐標(biāo)粗精加工葉型、刀具底刃五坐標(biāo)粗精加工流道等。如圖16所示為在UGNX環(huán)境下設(shè)計(jì)的該螺旋槳的銑削刀具軌跡示意圖。銑削加工完成后進(jìn)行拋光處理即可得到模樣件進(jìn)行螺旋槳的敞水試驗(yàn)。
圖16 螺旋槳五坐標(biāo)銑削編程示意圖
針對(duì)該螺旋槳,其鑄造成型方式常用的有真空鑄造、離心鑄造、消失模鑄造等多種方式,其中離心鑄造方案雖然產(chǎn)品的成型理論上一致性容易保證,但其模具投入成本相對(duì)較高,消失模鑄造由于槳葉厚度最薄處只有0.5mm,本身由于其強(qiáng)度要求,采用消失模鑄造其鑄造表面質(zhì)量難以滿足其疲勞強(qiáng)度要求。而采用真空鑄造成型的方案可以兼顧離心鑄造與消失模鑄造的優(yōu)點(diǎn),即可有效保證產(chǎn)品質(zhì)量,同時(shí)又能減小模具的投入費(fèi)用。如17圖所示為采用鑄造成型大批量生產(chǎn)后的螺旋槳實(shí)物,該螺旋槳經(jīng)過(guò)5萬(wàn)公里的測(cè)試后完全滿足使用要求。
圖17 導(dǎo)管螺旋槳鑄造實(shí)物
6 消聲器拉深成型模擬
如下圖18所示的摩托艇發(fā)動(dòng)機(jī)的消聲器,采用的是兩個(gè)半筒形薄壁鋁合金殼體焊接成型,其半筒形殼體采用拉深成型。利用UGNX的板料沖壓拉深成型模擬分析功能,如下圖所示,對(duì)該筒形件的展開(kāi)料和回彈進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析計(jì)算,提高了產(chǎn)品工藝的設(shè)計(jì)效率。如展開(kāi)料計(jì)算方面,采用UGNX模擬計(jì)算的毛料直徑為578.81mm,而采用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的展開(kāi)料直徑為560.39mm。分析原因在于其底部的凸起,經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證,UG軟件的計(jì)算模擬是合理的,規(guī)避了經(jīng)驗(yàn)公式無(wú)法解決局部區(qū)域展開(kāi)料計(jì)算問(wèn)題。
圖12 消聲器筒形件拉深成型模擬
結(jié)合拉深成型工藝特點(diǎn),該產(chǎn)品總的拉深系數(shù)為0.5183;材料的相對(duì)厚度為0.8638。根據(jù)總的拉深系數(shù)和材料的相對(duì)厚度,對(duì)該無(wú)凸緣筒形件,不用壓邊圈拉深時(shí),需要三次拉深才能滿足工藝要求,三次拉深系數(shù)分別設(shè)置為0.75、0.85、0.813;每次拉深的直徑分別為434.3、368.98、300;采用壓邊圈時(shí)至少需要兩次拉深,兩次拉深系數(shù)可在0.55~0.6,0.8~0.9之間選取。每次拉深的工件高度依據(jù)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算,在此不進(jìn)行描述。經(jīng)過(guò)模擬仿真,其孔口直徑存在1.3mm的回彈,利用UGNX的設(shè)計(jì)功能較好的完成了模具設(shè)計(jì)上的修配,經(jīng)過(guò)驗(yàn)證有效的節(jié)省了后續(xù)工序修整的同時(shí)提高了產(chǎn)品的成型質(zhì)量。
7 總結(jié)
UGNX作為一款高檔的CAD\CAM\CAE設(shè)計(jì)平臺(tái),功能豐富,使用方便。本文簡(jiǎn)略講述了利用UGNX開(kāi)發(fā)高速摩托艇項(xiàng)目過(guò)程中,所涉及的產(chǎn)品逆向工程應(yīng)用、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與裝配協(xié)調(diào)、模具工裝設(shè)計(jì)與數(shù)控加工編程、板料成型模擬仿真等方面的功能應(yīng)用。利用UGNX提供的強(qiáng)大的設(shè)計(jì)制造仿真一體化功能,極大的提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和研發(fā)效率,推動(dòng)了企業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和制造平臺(tái)的升級(jí)。
本文最后對(duì)UGNX的現(xiàn)有版本的相關(guān)功能提出一點(diǎn)的建議,希望對(duì)從事UGNX的設(shè)計(jì)人員和開(kāi)發(fā)人員有所借鑒作用。建議增加類似于船型設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、螺旋槳設(shè)計(jì)、機(jī)翼及飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等專業(yè)方面的模塊功能,包括提供相應(yīng)的基本模型庫(kù)以滿足相關(guān)工程設(shè)計(jì)的需要。建議增加標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)模塊如齒輪、螺栓等標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù)以提高用戶的設(shè)計(jì)效率。建議增加專業(yè)鋼架模塊設(shè)計(jì),提供如工字鋼、槽鋼、圓鋼等各種標(biāo)準(zhǔn)型材庫(kù)與連接方案以滿足工程建設(shè)設(shè)計(jì)的需要。
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