搜索基于UG NX實現摩托車新產品創(chuàng)新設計
2013-05-18 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
史春濤 劉建軍 劉志鋒 夏淑敏 于善穎 孫梅 來源:e-works
關鍵字:UG NX 創(chuàng)新設計 實體建模 曲面建模 流程
提高摩托車產品的自主創(chuàng)新能力,是實現我國摩托車行業(yè)由大到強的必由之路。天津摩托車技術中心設計所建立了基于UG NX的新產品創(chuàng)新設計體系,在其基礎上成功地為企業(yè)開發(fā)了數十款摩托車整車和發(fā)動機新產品。同時,再一次證明UG NX強大的CAD/CAE功能很好地滿足了復雜產品對于縮短設計周期、提高設計質量的設計需求。
1.引言
我國摩托車工業(yè)經過改革開放近30年的發(fā)展,已連續(xù)15年成為世界摩托車生產大國,年產量上升到2500萬輛,占世界總量的一半以上。同時,摩托車出口已占到生產總量的20%以上,成為了世界摩托車出口大國。我國摩托車產品以中小排量實用型摩托車為主,形成了完善的零部件配套體系,制造技術已達到世界先進水平,具有較好的國際競爭力。摩托車行業(yè)的生產集中度不斷提升,在重慶、廣東、江浙地區(qū)形成了三大板塊。近年來,在建設節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的國策下,在國家有關規(guī)范市場競爭秩序、促進技術進步的政策法規(guī)引導下,以及國內消費市場由運載代步逐漸向休閑娛樂的轉型和提高國際競爭力的內在需求下,摩托車企業(yè)逐漸加大了具有自主知識產權的摩托車新產品的開發(fā)力度。目前,我國摩托車產品創(chuàng)新的重點是積極對中小排量實用型摩托車進行技術升級以滿足越來越嚴格的國內外排放法規(guī)和產品多樣化、品牌化需求,保持其產品主導地位。同時,積極推進對大量運用電子控制技術、新材料、新工藝的大排量豪華踏板車、運動賽車、越野賽車、ATV沙灘車的研制開發(fā),切實提高摩托車新產品的創(chuàng)新能力。
成立于1958年的天津內燃機研究所(天津大學內燃機研究所)是由原第八機械工業(yè)部和教育部共建,委托天津大學管理的專業(yè)內燃機研究機構。1994年,在原機械部汽車司領導下,在其基礎上成立了我國唯一的摩托車技術中心,成為國家主管部門的重要技術支撐單位。1997年成立了天津摩托車技術中心設計所(天津朝霞摩托車技術開發(fā)有限公司),主要從事摩托車、摩托車發(fā)動機、通用小型汽油機、農林機械、非道路用車及相關零部件的設計、開發(fā)和應用技術研究。從成立之初,設計所就致力于利用先進技術提高摩托車產品現代設計開發(fā)能力,率先建立并且不斷擴展以UG為數據核心的摩托車數字化開發(fā)平臺,逐步建立了摩托車整車和發(fā)動機數據庫,不斷完善和優(yōu)化摩托車整車和發(fā)動機的新產品開發(fā)流程。設計所與國內數十家摩托車企業(yè)建立了緊密合作關系,累計與摩托車企業(yè)合作開發(fā)了四十多種發(fā)動機新產品和四十多款摩托車整車新產品。
2.摩托車數字化設計平臺建設
隨著以信息技術為主導的現代科學技術的迅速發(fā)展, CAD/CAE/CAM/PDM技術成為了現代設計的基礎性關鍵技術。早在1997年,經過多方位的調研評估,基于UGII軟件強大的實體和曲面建模能力,設計所就建立了以UGII軟件為三維軟件平臺,以SGI圖形工作站和服務器為硬件平臺的數字化網絡協(xié)同開發(fā)環(huán)境。在UGS北京辦事處從領導、銷售到工程師的大力推廣和良好的售后服務支持下,設計所三維CAD技術應用水平得到了迅速提升,新產品開發(fā)能力得到了飛躍式發(fā)展。規(guī)范、準確的三維設計產品徹底改變了以往以原始樣機為開發(fā)模版、以2D測繪圖紙作為輔助參考,或者2D設計圖紙只能用于產品鑒定的落后局面。
設計所從應用UG建立摩托車數字化模型開始,循序漸進地將快速測量、逆向設計、工業(yè)設計、快速原型制造、多體動力學、有限元分析、計算流體力學等技術引入到新產品設計中。由于摩托車整車和發(fā)動機結構特別復雜,在采用統(tǒng)計、類比和經驗方法進行新產品設計的同時,越來越多地開始使用CAE/CFD技術對產品進行分析指導,設計所在以UG NX為數據核心的基礎上,運用多種FEM軟件對整車和發(fā)動機零部件的靜強度、疲勞強度、動態(tài)特性進行分析計算,運用多體動力學軟件對整車加速性、制動性和平順性進行仿真分析,運用內燃機專用CFD軟件對發(fā)動機配氣結構運動規(guī)律、缸內流場、性能特性進行仿真分析。同時,設計所在建立了先進的快速測量體系之外,還購置了世界先進水平的振動、噪聲、應力應變測試設備和內燃機燃燒診斷分析儀,為CAE/CFD計算分析提供必要的輸入數據和邊界條件以及對計算模型進行驗證和修改。不斷完善和優(yōu)化的數字化設計平臺,為縮短設計周期、提高設計質量打下了良好的基礎。
圍繞一個優(yōu)秀的數字設計平臺,建立適合的設計流程是實現新產品設計高效、準確的重要保證。經過十多年的探索發(fā)展,設計所和摩托車企業(yè)之間建立了以市場為導向,設計所作為設計主體提供數據一致的3D/2D設計數據,整機廠組織配套廠按照設計數據進行零部件試制,設計所協(xié)助整機廠進行樣機裝配、試制和試驗的摩托車新產品合作開發(fā)模式。同時引入并行工程概念,在新產品開發(fā)流程的各個階段設定多個評審點,摩托車企業(yè)和配套廠針對3D/2D數字模型,從市場定位、模具制造、生產工藝、裝配工藝等方面實時發(fā)表評審意見,同時設計所在產品設計中對評審意見做出有效響應。
3.摩托車整車全新設計
摩托車整車全新設計主要針對具有知識產權的外觀形態(tài)特征部位進行全新設計,是摩托車產品創(chuàng)新設計的重要內容。外觀形態(tài)特征部位是指用于與其它同類摩托車外觀相區(qū)分的覆蓋件、燈具、車座、油箱、擋泥板等零部件。
3.1摩托車整車全新設計特點
1)現代摩托車呈現品種和結構形式多樣化的特色,從外觀造型的角度主要分為彎梁車、踏板車、騎式車、運動車、越野車、太子車等類型。同時,摩托車還形成了強烈的地域特色。同一類型的摩托車基本特征一致,外觀形態(tài)越來越接近,在眾多同類型產品中能夠脫穎而出是摩托車整車全新設計的難點。
2)摩托車多采用各種自由曲面的起伏、過渡、轉折來表現復雜的外形特征,美學設計特別重要。自由曲面構成特征面,特征面之間的過渡、轉折形成特征線,特征面和特征線是外觀設計的主要內容。
3)以車架、發(fā)動機、懸掛、車輪等組成的基本車體結構確定了整車的類型、總體布置、結構尺寸、人機尺寸、受力分布、前后輪載荷分布等技術參數以及強度、剛度和動態(tài)特性等力學特性。因此,設計合理的基本車體結構,滿足騎乘舒適、操縱方便、功能實用、低振動、低噪聲等需求以及法規(guī)要求,是縮短設計時間、提高設計質量和降低試制成本的基礎。
3.2摩托車整車全新設計流程
設計所在摩托車行業(yè)內最早形成了行之有效的摩托車整車全新設計流程,見表1所示:
3.3利用UG NX進行摩托車新產品設計的特點
1)準確的車架模型是新產品設計的基礎。
車架通過多樣化的空間框架形式滿足不同零部件的總體布置需要,在之上焊接的小型沖壓件滿足零部件的安裝需要,不同類型的摩托車具有不同的車架結構形式如圖1所示。車架是建立整車裝配關系的基礎,通過車架建立的整車坐標系是將實物模型測量數據轉換到整車裝配狀態(tài)的基準。參考樣車車架的測量和車架的3D設計都要在整車坐標系下進行,然后將發(fā)動機、車輪、懸掛等零部件的3D模型按照匹配關系虛擬裝配到車架模型,就完成了車體基本結構的建模。利用UG NX的基本實體造型功能很容易就能完成車體基本結構零部件的3D建模。
圖1:典型摩托車車架形式
2)快速測量及數據處理提供了完整、準確的離散點數據
表達了設計創(chuàng)意的油泥模型首先需要轉換為準確、完整、充分并且可供在UG NX環(huán)境下使用的離散點數據,才能進行三維曲面重建。采用流動式光學掃描儀ATOS成功地實現了對模型表面數據的快速測量,經過坐標系轉換后可將測量數據統(tǒng)一到整車坐標系下。ATOS采集到的大量點云數據需要采用UG Imageware軟件進行數據稀疏、分層放置、截面處理、去除噪聲點等數據處理,然后通過IGES格式導入到UG NX軟件中,如圖2所示。
圖2:典型摩托車實物模型快速測量及數據處理
3)UG NX強大的自由曲面建模功能很好地滿足了摩托車復雜表面的建模需要
曲面重建是外觀設計的重點和難點,是將實物模型真實轉化為產品的關鍵環(huán)節(jié)。UG NX提供了豐富的曲線和曲面生成、調整和分析的方式以及靈活多樣的編輯功能,充分滿足了復雜曲面重建的需要。
首先,參考特征線將曲面進行分片構造。構造曲面最常采用的方式建立網格曲面,網格曲面一般需要比相應的點云數據范圍大,網格曲線要根據曲面變化規(guī)律構造,盡量使用最少的曲線,曲線的曲率變化盡可能平緩,盡量降低曲線的段數和階數,同一方向的曲線要有相似的曲率變化趨勢,同時曲線要保證光順。除了單個曲面要光滑連續(xù)外,曲面之間形成的交線也要連續(xù)光滑。
其次,曲面連接較常用和易實現的方法是以曲面間的交線為導引線,進行等半徑或變半徑軟倒角;也可預先確定相切邊界對曲面進行裁剪后采用橋接的方法;或者與裁剪過的曲面建立具有邊界相切約束的網格曲面,其關鍵點是要保證網格線與網格線延長線在曲面上的投影線相切連續(xù)。一般地合理設計曲面的生成方式和生成順序,可以順序生成連續(xù)曲面。對于摩托車造型中常采用的一些造型方法,如特征線逐漸消失,則需要對曲面進行局部切割后再進行補面。
曲面調整占曲面重建最大的工作量,通過調整曲線來控制曲面質量,是對曲面進行精細調整有效而準確的方法。曲面重建過程中,一直貫穿著曲面質量的檢查,在曲面光順性和曲面與點云數據的偏離之間取得一個良好的折衷。圖3所示為典型摩托車曲面重建。
圖3:典型摩托車曲面重建
4)整車裝配狀態(tài)下進行詳細結構設計
在新產品設計過程中一直貫穿著在整車裝配狀態(tài)下進行三維設計的概念,保證了整車零部件的準確的結構設計和準確的裝配關系,以及外觀件相關特征曲面、特征線、邊界線的連續(xù)性,同時可以及時對動、靜干涉進行檢查。將曲面模型與基本車體結構模型裝配在一起后就可以進行整車零部件的詳細結構設計工作。UG NX提供了曲面特征增厚或用曲面特征去切割實體的方法將曲面特征轉化為實體特征,在設計時可以靈活應用。覆蓋件需要進行合理分塊,巧妙設計之間的搭接結構;油箱、坐墊要根據外觀曲面、安裝空間及功能要求完成底板等內部結構;燈具、儀表建立外形和安裝結構模型;車體基本結構要根據安裝需要進行適應性設計修改。摩托車整車零部件多、空間緊湊、連接安裝結構及裝配關系均比較復雜,如圖4所示。詳細結構設計的重點在于如何實現結構簡單、裝配性好、滿足模具制造和裝配工藝的要求。
圖4:典型摩托車結構設計
5)UG NX提供了便捷的CAE分析功能
車架作為摩托車的骨架,空間結構形式和受力狀態(tài)最為復雜,是影響摩托車整車強度和振動問題最為關鍵的因素之一。UG NX提供了CAD/CAE集成環(huán)境,CAE環(huán)境下的CAD模型與主模型相關,同時可以進行再處理。利用UG NX可以快速提取中面、組合復雜鋼板沖壓件的曲面碎面、抑止不影響分析結果的孔、倒角和細微曲面等特征,有利于降低網格數量、增加網格均勻性。利用2D MESH功能可以很容易地對每個零件進行網格劃分,采用Edge-Face Connections功能產生剛性連接單元,用于對零件間的焊縫進行近似處理,將所有零件的單元連接在一起后就完成了網格劃分工作,之后可進行強度和動態(tài)特性分析相關分析,如圖所示5所示。
圖5:典型摩托車車架有限元分析
3.4摩托車整車全新設計案例
4.摩托車發(fā)動機數字化設計
摩托車發(fā)動機熱機部分輸出動力,傳動部分將動力輸出到后輪,通過變速比的調整將發(fā)動機工況與整車運行狀態(tài)相匹配。同時,發(fā)動機不但排出污染物,而且是摩托車的主要噪聲源和振動激勵源。作為摩托車最重要的總成,發(fā)動機直接決定著摩托車整車的動力性能、排放指標和NVH(振動噪聲舒適性)水平。
4.1發(fā)動機產品特點:
從結構設計的角度出發(fā),發(fā)動機產品具有以下特點:
1)排量范圍廣、結構類型和動力特性多樣化:摩托車發(fā)動機排量分布在50~1900ml之間,從二沖程到四沖程;從風冷、油冷到水冷;從立式到臥式;從單缸、雙缸到四缸;從兩氣門、三氣門、四氣門到五氣門;從有檔變速到無級變速;從輸出軸直接傳動、鏈傳動到軸傳動等等,不同組合構成了不同結構形式和動力特性的發(fā)動機以匹配不同類型的摩托車整車。
2)發(fā)動機內部結構布置緊湊:由于摩托車整車尺寸的限制,發(fā)動機布置空間有限,一般的,不同于汽車發(fā)動機,摩托車發(fā)動機不設獨立的傳動箱,而是將熱機部分和傳動部分統(tǒng)一地設計到機體內。圖6所示為一250ml、水冷、四氣門、立式發(fā)動機的內部結構3D裝配模型,主要包括活塞連桿曲柄、頂置凸輪配氣機構、平衡軸、五檔變速、換檔操縱、片式濕式離合器、電起動、磁電機等機構,裝配關系復雜,空間布置緊湊。
圖6:水冷發(fā)動機內部結構及機體組
圖7: V型雙缸發(fā)動機潤滑及冷卻系統(tǒng)
3)發(fā)動機機體組結構復雜:機體組包括氣缸蓋罩、氣缸蓋、氣缸體、曲軸箱和曲軸箱蓋等零部件,如圖6所示。機體組不但要提供發(fā)動機內部結構的安裝位置和運動空間,還要通過潤滑油路和冷卻水路將潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)聯(lián)通一起,圖7所示為250ml、V型雙缸、水冷發(fā)動機的潤滑系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)布置圖。
4)發(fā)動機具有美學功能:摩托車發(fā)動機部分或全部地裸露在外,作為整車造型的一部分,還具有強烈的美學功能,外觀設計是發(fā)動機設計的重要組成部分,如圖8所示。
圖8:發(fā)動機外觀效果圖設計及三維模型
4.2摩托車發(fā)動機創(chuàng)新設計流程
設計所形成的摩托車發(fā)動機全新設計流程與整車全新設計流程各有側重,見表2所示
表2:摩托車發(fā)動機全新設計流程
4.3利用UG NX建立發(fā)動機虛擬模型有以下特點:
1)建立準確的零件3D模型是發(fā)動機設計的基礎
發(fā)動機零件結構復雜,特別是機體組零件必須建立準確的3D模型,為CAM提供準確的產品數據來源。曲軸箱體、曲軸箱蓋主要支撐曲軸、傳動軸、平衡軸、起動軸等傳動部件,并且提供其運動回轉空間,是表面形狀復雜的薄壁壓鑄零件,具有凸臺、凹臺、圓柱、孔等標準特征多的特點。通過對產品特征進行合理分解,靈活應用UG NX的成型特征和特征操作,按照循序漸進的方法就可以完成。圖9所示為典型發(fā)動機曲軸箱三維模型:
圖9:典型發(fā)動機曲軸箱三維模型
氣缸蓋是發(fā)動機最為復雜的機體零件,在相對較小的體積上,要布置有燃燒室、進排氣道、氣門驅動機構、潤滑油道、火花塞等零部件。隨著多氣門技術和水冷技術的大量應用,更是增加了缸蓋的復雜程度。在建模過程中,除了將產品特征合理分解外,還需要利用曲面建模功能構建燃燒室、氣道和冷卻水套的3D模型,如圖10所示。在零件建模過程中要確立"面向制造"的設計理念,充分考慮模具設計、工藝制造的應用要求,不能忽視撥模角特征。
圖10:典型發(fā)動機氣缸蓋及相關零部件裝配三維模型
2)采用裝配環(huán)境下的零件3D建模和修改保證了復雜裝配關系的準確發(fā)動機設計
發(fā)動機設計一般采用自底向上,由零件到部件的設計方法。機體是發(fā)動機裝配的基礎,機體零件要在統(tǒng)一的整機坐標系下進行3D建模,從建模開始就要隨時檢查和調整缸頭與缸體之間、左右曲軸箱之間、曲軸箱與曲軸箱蓋之間結合面的數據,保證其一致性。內部運動結構件可以在各自獨立坐標系下建模,然后按照匹配關系裝配到整機中。UG NX采用虛擬裝配模式,對零部件部件的三維模型進行裝配引用,在保持了零部件在裝配模式和建模模式下的數據相關性的同時,有效地提高了裝配設計的效率。零部件在裝配環(huán)境中除了進行裝配分析、靜干涉檢查外,還必須進行動干涉檢查,例如:連桿在回轉過程中與活塞、缸體和曲軸箱的干涉檢查。利用三維模型可以方便地分析重要物理參數,如零件質量、慣性矩、離心力和燃燒室容積等用于設計計算,同時便于在其基礎上進行CAE/CFD分析。
3)UG NX靈活多樣的編輯功能很好地滿足了零件模型調整、修改的需要發(fā)動機創(chuàng)新設計需要對參考樣機、數據庫借用結構等進行再設計,因此UG NX的特征編輯功能很重要。發(fā)動機成型特征一般是以二維曲線為基礎進行拉伸或旋轉形成。UG NX提供了靈活的曲線生成和編輯功能,根據需要曲線即可以完全參數化,也可以非參數化。通過修改或替換曲線可將成型特征進行重塑,而保持在之后的特征不變,特別有利于數據模型的設計修改。特別地,UG NX提供的設計特征的重新排序和將既往特征設為當前特征的功能,可以大量節(jié)省模型更改時間。
4)2D工程圖是發(fā)動機設計的重要組成部分
由于發(fā)動機的內部結構、力學特性、熱力循環(huán)過程等都比較復雜,名義尺寸精度、形位公差和配合等級直接影響到發(fā)動機的力學性能和燃燒過程。發(fā)動機的2D工程圖依然是產品試制和生產的重要數據依據,同時也是設計的重點和難點。利用UG NX的工程圖功能可以靈活、方便地對3D零件和組件模型進行多角度和多方位的投影和剖切,以滿足設計意圖的表達需要。然后,根據已形成的2D設計規(guī)范,進行零部件的尺寸、公差、表面粗糙度等標注,同時標明材料、熱處理等技術要求。UG NX提供了易于與Auto CAD進行數據交換的接口,滿足了實際設計需要。
4.4發(fā)動機創(chuàng)新設計成功案例
5.結論
1)UG NX很好地滿足了既包含復雜的外部形狀又涉及復雜的內部結構的摩托車產品三維建模和虛擬裝配的設計需要。設計所經過十多年總結出的建模經驗已經融入到設計規(guī)范中,設計人員能夠隨心所欲地實現各種復雜的設計特征,從而將更多的精力投入到產品的創(chuàng)新設計中。
2)三維虛擬產品設計不僅為提高設計數據的精確性提供了重要手段,而且實現了與模具廠的無縫結合,提高了模具制造的準確性和制造速度。數字化產品數據庫的不斷擴充和完善,為創(chuàng)新設計提供了大量的參考數據并且經過調整后可以快速應用到新產品設計當中。
3)UG NX提供了CAD/CAE集成環(huán)境,其獨具特色的模型簡化和網格劃分功能彌補了專用CAE分析軟件建模能力的欠缺,并且能夠快速反應設計變更, 特別是針對復雜結構,更體現出其優(yōu)越性。UG NX易于快速普及和提高CAE技術的應用水平,特別適宜于CAD建模經驗豐富的設計人員使用。
4)實踐證明設計所建立的以逆向設計為基礎、以正向設計為主導的新產品創(chuàng)新設計流程適宜于高效率、高質量地開發(fā)具有自主知識產權的摩托車新產品。在設計過程中引入市場、裝配、生產、制造等需求,對于縮短設計周期、成功開發(fā)新產品具有重要意義。
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