搜索UGNX在高速摩托艇數(shù)字化設計制造仿真開發(fā)中的集成應用
2013-05-17 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
王華僑 李玉豐 盛學斌 耿巍麟 來源:e-works
關(guān)鍵字:UGNX 逆向工程 模具設計 數(shù)控加工 塑性成型模擬
本文以UGNX作為開發(fā)平臺,以某高速摩托艇產(chǎn)品研發(fā)過程中涉及的產(chǎn)品逆向工程、裝配設計、模具設計、數(shù)控加工編程、塑性成型模擬分析等核心關(guān)鍵技術(shù)應用研究為對象,簡略講述了UGNX作為CAD\CAM\CAE的集成平臺,其該產(chǎn)品開發(fā)過程中有效的提高了企業(yè)新產(chǎn)品設計制造開發(fā)的效率,為企業(yè)創(chuàng)造了巨大的經(jīng)濟效益。最后對UGNX平臺的相關(guān)設計功能擴展提出了一些建議,希望對從事UGNX的設計人員和開發(fā)人員有所參考借鑒作用。
1. 前言
UGNX作為當前世界上最先進和緊密集成的、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計、工業(yè)設計、機械設計以及工程仿真和數(shù)字化制造等各個領(lǐng)域。它提供了一個基于過程的產(chǎn)品設計環(huán)境,使產(chǎn)品開發(fā)從設計到加工真正實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成,從而優(yōu)化了企業(yè)的產(chǎn)品設計與制造。UG面向過程驅(qū)動的技術(shù)是虛擬產(chǎn)品開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù),在面向過程驅(qū)動技術(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)品開發(fā)全過程的各個環(huán)節(jié)保持相關(guān),從而有效地實現(xiàn)了并行工程。UGNX作為下一代數(shù)字產(chǎn)品開發(fā)軟件,幫助企業(yè)加速產(chǎn)品創(chuàng)新,實現(xiàn)更高的成本效益。
UGNX不僅具有強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配和產(chǎn)生工程圖等設計功能;而且,在設計過程中可進行有限元分析、機構(gòu)運動分析、動力學分析和仿真模擬,提高設計的可靠性。同時,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)控機床。通過NX產(chǎn)品組合全面集成工業(yè)設計和造型的解決方案,用戶能夠利用一個更大的工具包,涵蓋建模、裝配、模擬、制造和產(chǎn)品生命周期管理功能。設計專用工具和傳統(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)設計和最高級的表面處理解決方案。UG的各功能是靠功能模塊來實現(xiàn)的,不同的功能模塊實現(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)設計、產(chǎn)品設計、計算仿真、工裝模具設計、數(shù)控加工編程、工程數(shù)據(jù)管理等方面的問題。
如下圖1所示利用UGNX作為設計平臺開發(fā)出的高速摩托艇SEADANCE,是一種小型采用噴射推進的高速動力艇,其時速可高達100公里以上。該摩托艇由艇身、發(fā)動機、噴射單元、控制系統(tǒng)、操縱系統(tǒng)、儲物箱等部分組成。摩托艇以發(fā)動機為動力,具有自重輕、吃水淺、回旋半徑小、動力大、能耗低、操縱機動靈活、速度快、抗浪性好、低噪聲、故障率低等特點。主要應用在體育運動、旅游休閑等方面,是一種高級休閑產(chǎn)品,在國外使用較為廣泛,目前國內(nèi)使用的產(chǎn)品主要靠進口。該摩托艇采用的是SMC整體復合成型船體、10000轉(zhuǎn)/分的ECU電噴高速發(fā)動機、導管式螺旋槳噴射推進的船機槳系統(tǒng),所采用的這些技術(shù)在國內(nèi)均處于領(lǐng)先水平。下述對利用UGNX在該產(chǎn)品研發(fā)過程中的一些關(guān)鍵技術(shù)應用進行簡要介紹。
圖1 SEADANCE高速摩托艇
2. 艇身逆向工程應用開發(fā)
隨著現(xiàn)代企業(yè)的產(chǎn)品開發(fā)周期的越來越短、產(chǎn)品質(zhì)量要求越來越高,尤其是產(chǎn)品的外觀質(zhì)量更是要求實用美觀。隨著計算機輔助設計制造CAD\CAM\CAE的普及應用,產(chǎn)品逆向工程技術(shù)在新產(chǎn)品的開發(fā)過程中得到了充分應用。尤其在汽車整車廠、 通用機械領(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)品及動畫考古等方面產(chǎn)生了巨大社會經(jīng)濟效益。下面介紹利用Imageware和UGNX,在開發(fā)摩托艇的艇身設計時所涉及的逆向工程、改型創(chuàng)新設計方面的應用。
2.1 UGNX/Imageware逆向工程應用流程
產(chǎn)品逆向工程開發(fā)流程一般分為產(chǎn)品外觀創(chuàng)意設計、油泥模造型、產(chǎn)品掃描、點云曲面造型、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計、產(chǎn)品制造工藝成型等一系列過程。產(chǎn)品外觀創(chuàng)意設計一般多采用Photoshop、3DMax、Rhino、Alias等軟件在創(chuàng)意師的作品基礎上進行三維樣機設計與圖像處理;油泥師根據(jù)創(chuàng)意設計進行油泥造型,然后通過激光掃描獲取油泥點云模型;三維工程師通過Imageware、Geomagic、CATIA或者其它的專業(yè)逆向工程軟件進行點云造型、產(chǎn)品細節(jié)結(jié)構(gòu)與裝配設計;工藝師依據(jù)最終的產(chǎn)品進行模具設計、夾具設計、工藝流程設計、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)意設計與油泥造型主要考慮美學設計,在很大程度上依賴于油泥師和創(chuàng)意師的經(jīng)驗與藝術(shù)修養(yǎng)。產(chǎn)品逆向在完成油泥造型、點云掃描后,主要時間就花在反求建模上。Imageware作為典型的逆向工程軟件促進了高級的、符合人體工學和美學的產(chǎn)品形狀的開發(fā),其提供的造型功能,對于構(gòu)造完美的高質(zhì)量曲面滿足設計師和工程師的要求是很容易實現(xiàn)的。同時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點云的處理方式包括點云過濾、分區(qū)、在擬合曲線所需要的點云時,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。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掃描導軌曲面、UVBlend曲面、點云直接擬合Uniform曲面、點云配合邊界擬合曲面、Extrude曲面、Boundary邊界曲面、管道面、融接過渡面、圓角面、曲面偏移放大裁剪等功能。Imageware的點云曲面對齊方式可采用基準球混合模式對齊、采用平面對齊動態(tài)逐步最佳配合模式對齊和321多種對齊方式。如下圖所示為對某產(chǎn)品進行逆向造型時首先對點云進行對齊,然后利用曲率分區(qū)功能和輪廓線提取,再利用點云擬合曲線的方式構(gòu)造大曲面,最后在正向CAD系統(tǒng)中進行細節(jié)設計。如下圖2所示為產(chǎn)品逆向工程造型設計的流程示意圖。
圖2 逆向工程三維造型設計流程圖
2.2 艇身逆向工程應用事項
Imageware曲面為復雜自由曲面形狀的設計提供了一系列強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)品中所沒有的用于復雜形狀開發(fā)的功能。在進行艇身設計時需要使用Bezier高階幾何模型,而Imageware曲面可生成高達21階的曲面,在貫穿整個曲面構(gòu)造過程中能夠保證設計者遵循設計、工程和制造的標準。如圖3所示為高速摩托艇艇身造型的流程圖,下述對在進行艇身逆向工程造型的過程中,總結(jié)出來關(guān)于逆向造型的技巧歸納如下。
①采用激光掃描時由于大多采用曲率連續(xù)的方式取點,在大范圍內(nèi)曲率相等的區(qū)域采用基準球可有效解決掃描精度和效率問題,針對不同的零件特征應采用相應的點距精度進行掃描。針對不同大小精度結(jié)構(gòu)零件掃描時在條件許可前提下采用合適的掃描設備可以達到良好的掃描效果。對于裝配體如車身或新產(chǎn)品仿制時,一定要先進行整體掃描、再將零部件拆分掃描后掃描、對于兩面都有細節(jié)結(jié)構(gòu)的薄壁零件掃描時,掃描時一定要處理好。
②點云再導入逆向軟件后,點云的顯示盡量進行過濾,但是在點云的處理過程中一般不要進行刪除過濾、以避免進行細節(jié)設計需要點云時密度不夠就難以解決。在細節(jié)處理過程中,可以對點云采用網(wǎng)格面的渲染模式顯示可有效觀察細節(jié)特征的處理方式,同時對實物或者是油泥模型的仔細觀察是非常有必要的。。
③在進行逆向造型時,總體策劃思路的好壞對于提高造型的效率和質(zhì)量有著較大影響、尤其是曲面點云的區(qū)域劃分如何構(gòu)造整體產(chǎn)品對象一定要清楚,同一零件不同的設計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;對于塑性模具成型的零件盡量使點云數(shù)據(jù)沿拔模方向?qū)R,可提前對模具進行備料采用這種并行的方式可大幅度縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期。對于對稱零件有效的利用軟件的對稱功能顯示和對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,同時利用其對于薄壁雙層點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在進行曲面逆向造型的過程中,曲面造型的方式應該依據(jù)對象的構(gòu)成特征采用相應的曲面類型,尤其要避免非曲率連續(xù)的多張曲面片采用強制性整體造型、對于后續(xù)的光順修改非常不理。另外要根據(jù)產(chǎn)品對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候曲面片之間有縫合光順時,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在曲面造型時要使曲線和曲面時時與原始點云進行對比、以有效觀察曲線曲面與點云的誤差以及曲面的光滑連續(xù)性,利用Imageware的曲線節(jié)點調(diào)節(jié)功能和曲面的邊界UV控制線提取功能進行曲面的二次擬合可有效的控制曲面精度達到產(chǎn)品要求。
⑧在Imageware中完成曲面的大體構(gòu)造后,利用UGNX進行零件的細節(jié)與整體造型,完成如曲面融接、圓角、孔位、凸臺等細節(jié)結(jié)構(gòu)特征設計可幫助設計師方便的進行修改完善,同時在UGNX環(huán)境下進行裝配與間隙調(diào)整等對于產(chǎn)品的系統(tǒng)開發(fā)是非常有必要的,可以減小后續(xù)模具設計制造、產(chǎn)品總體裝配的潛在風險。
圖3 艇身逆向造型的工作流程
3 艇身與發(fā)動機總成設計與裝配
3.1摩托艇艇身特點
摩托艇艇身由SMC復合材料熱模壓工藝成型,因此艇身性能穩(wěn)定一致,強度高,耐腐蝕、耐候性好,重量輕,壽命長。同時復合材料結(jié)構(gòu)可設計性好,艇身各部分可由多塊SMC模壓復合材料拼接而成,所以用 SMC模壓技術(shù)成型玻璃鋼艇身會發(fā)展迅猛、具有廣闊應用前景。特別是在水上娛樂艇、游艇、摩托艇、沖浪艇和水陸兩用船艇上將廣泛應用。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)動機、供油系統(tǒng)、傳動裝置、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。下艇身是船體設計的核心,其對承載、克服阻力、破浪性等方面對整體的性能起著決定性的作用。艇身總成設計制造具備如下特點:
①在設計上,利用逆向工程的原理進行艇身設計。通過油泥模型進行外觀設計后,利用三維激光掃描配合軟件點云數(shù)據(jù)處理,同時采用先進軟件進行外觀再造型和后期數(shù)控加工。在船型上利用流體力學和仿生學對艇身進行外觀造型,其流線形外觀新穎獨特,具有較好的美學效果。采用計算流體力學分析船舶航行時阻力,以合理的完成船機槳的協(xié)調(diào)設計。
②在結(jié)構(gòu)上,對下艇身與內(nèi)膽等多處結(jié)構(gòu)進行局部加強,利用整體復合模壓成型的優(yōu)勢,避免了采用多套模具通過粘結(jié)加強的方式,尤其是下艇身尾部側(cè)板兩個區(qū)域加強處,一次減少了兩套模具的開發(fā)投入,為成本開發(fā)節(jié)約二十多萬元的費用。
③在工藝上,艇身是國內(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,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,是國家工業(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的三維設計與裝配功能,可以非常容易的檢查出裝配干涉等問題,而不必等到實物裝配暴露出問題后再去處理,提前解決了大部分的裝配質(zhì)量問題,尤其是艇身與外觀塑料件、操控系統(tǒng)、排水推進系統(tǒng)之間的配合更是如此。同時對于發(fā)動機上裝、船機槳之間的配合,利用UGNX提前解決了許多無法預見的技術(shù)質(zhì)量問題,加速了產(chǎn)品的開發(fā)效率和生產(chǎn)質(zhì)量。
圖4 艇身總成示意圖
3.2 發(fā)動機總成設計與裝配
摩托艇發(fā)動機本體主要由曲軸箱體、活塞連桿組、曲軸飛輪組、配氣機構(gòu)、冷卻潤滑系、排放系統(tǒng)、ECU電控系統(tǒng)等部分組成。機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的三維設計與裝配功能,很容易完成該發(fā)動機各個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)動機的裝配示意圖。同時利用UGNX的運動分析功能和裝配包絡干涉分析功能,較好地解決了曲軸、連桿、活塞與缸體及傳動部分的運動協(xié)調(diào)、裝配間隙控制關(guān)系,為該發(fā)動機的裝配、點火、磨合試驗的順利成功起到了很好的促進作用。
圖5 發(fā)動機機械總成
圖6 ECU電噴高速發(fā)動機實物
4 艇身與發(fā)動機缸體模具設計制造
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)、級進模(Progressive Die Wizard)等模具設計功能,模具專家設計系統(tǒng)融入了模具設計師的經(jīng)驗和系統(tǒng)開發(fā)師的智慧,使用它們可以加速模具設計速度,提高產(chǎn)品的設計質(zhì)量。模具設計向?qū)Ъ夹g(shù)提供了基于最優(yōu)實踐基礎上的、逐步引導式進行構(gòu)造的工作流程,使許多企業(yè)的模具設計過程實現(xiàn)了自動化。使得企業(yè)在模具設計制造(規(guī)劃,采購,詳細設計,電極設計,模具制造)的并行展開,因而縮短了交付時間。艇身SMC熱壓復合模具和發(fā)動機缸體壓鑄模具的設計,充分利用了UGNX的曲面造型設計、裝配設計以及UGNX注塑模具向?qū)е械哪＞叻帜９δ茉O計模塊。由于熱壓模和壓鑄模在模具的結(jié)構(gòu)設計上與注塑模有相似的地方,因此在進行艇身熱壓模與發(fā)動機缸體的壓鑄模具設計時,充分利用模具設計的相似性解決模具分模,模具結(jié)構(gòu)設計方面的設計工作。
4.1 艇身SMC熱壓模具設計與制造
摩托艇艇身覆蓋件是目前國內(nèi)最大的SMC模壓件,加上其外形結(jié)構(gòu)復雜、鑲嵌件多、成型難度高、配合精度高、耐海水腐蝕等要求;同時承受著艇的各種運行工況作用,因而要求重量輕、比強度高。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,而且存在勞動強度高、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,將填補國內(nèi)采用此種方法成型全SMC復合材料艇身的空白。采用鋼板拼焊整體模具設計制造,通過油循環(huán)加熱實現(xiàn)SMC艇身的熱模壓,實現(xiàn)SMC艇身的大批量無余量生產(chǎn)。SMC模壓最核心的主要依賴于模具的結(jié)構(gòu)設計、模壓的時間、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)較開放式、電加熱型模具,其產(chǎn)品重量可以嚴格控制、無飛邊、壁厚一致性好、加熱均勻、維修維護方便、模壓能耗低等多種優(yōu)點。
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坐標復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計、模具數(shù)控加工編程、模具實物和模壓后的產(chǎn)品,UGNX在艇身的快速成功開發(fā)上起到了至關(guān)重要的作用。
圖7 摩托艇艇身模具設計制造與實物
4.2 發(fā)動機缸體壓鑄模具設計
壓鑄是最先進的金屬成型方法之一,是實現(xiàn)少切屑,無切屑的有效途徑,應用很廣,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,而且也逐漸擴大用來壓鑄鑄鐵和鑄鋼件。壓鑄件的尺寸和重量,取決于壓鑄機的功率。由于壓鑄機的功率不斷增大,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、環(huán)保等要求越來越高,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工藝技術(shù)。如下圖8~圖10所示為利用UGNX設計后的高速發(fā)動機缸體及其壓鑄模具的結(jié)構(gòu)設計與實物。
圖8 鋁合金高速發(fā)動機缸體
圖9 發(fā)動機缸體壓鑄模具
圖10 發(fā)動機缸體模具
發(fā)動機的制造在我國制造業(yè)中是難度較高的制造技術(shù)。發(fā)動機缸體缸蓋鑄造成功率低,設計和機械加工難度大。由于摩托艇的發(fā)動機是在特殊環(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,所以設計選材具有一定的難度。鋁合金發(fā)動機缸體結(jié)構(gòu)尺寸小、內(nèi)外部型腔結(jié)構(gòu)復雜,尺寸精度高;同時其使用轉(zhuǎn)速高功率大等特點對發(fā)動機缸體的鑄造提出了更高的要求。該發(fā)動機缸體采用的為高磷鑄鐵鑲缸套,在壓鑄時嵌入到缸體一次成型后進行精密機械加工。缸套的厚度為2mm ,機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),熱處理時效為170度、保溫16小時;機械性能要求抗拉強度大于320Mpa,延伸率不小于5%,彈性模量大于75GPa。
針對鋁合金發(fā)動機缸體的特點,其壓鑄模具的設計質(zhì)量對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,同時要考慮鋁合金材料壓鑄時的成型工藝,另外對于壓鑄過程中的充型、持壓、脫模、保溫等都需要在模具結(jié)構(gòu)設計上考慮周全,利用UGNX的強大三維設計功能以及UGNX在工裝模具設計專家系統(tǒng)上的優(yōu)勢,較好的解決了該鋁合金發(fā)動機缸體的模具設計和壓鑄要求,在國產(chǎn)高速汽油發(fā)動機缸體的壓鑄模具設計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功能進行數(shù)控編程,精密加工完成后的鋁合金發(fā)動機缸體實物。UGNX在該發(fā)動機的研制成功應用上,不僅促進了國產(chǎn)高速汽油發(fā)動機的設計水平,極大的促進了鋁合金壓鑄技術(shù)和精密機械加工技術(shù)的升級和廣泛應用。
圖11 壓鑄鋁合金發(fā)動機缸體
5 螺旋槳數(shù)字化設計與制造仿真
該摩托艇其噴射系統(tǒng)主要包括葉輪(螺旋槳)總成、發(fā)動機冷卻水供應系統(tǒng)、進水攔網(wǎng)等組成。螺旋槳通過軸與發(fā)動機輸出采用梅花聯(lián)軸接形式進行柔性連接,是推動艇運行的執(zhí)行機構(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,達到1.5g的加速度)、動平衡精度高,因而要求其綜合機械性能好,同時要防海水腐蝕等耐侯性要求。在研制期間采用五坐標精密機械加工等手段進行開發(fā),批生產(chǎn)階段采用的是精密鑄造成型,再配合動平衡量校正技術(shù)實現(xiàn)該產(chǎn)品的制造。設計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)的計算流體水動力學分析模擬、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管螺旋槳
5.1 螺旋槳計算流體水動力學分析
螺旋槳的水動力性能分析是螺旋槳設計過程中不可缺少的環(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,可以有效地減少實驗次數(shù)、節(jié)省經(jīng)費、加快新產(chǎn)品的研發(fā)過程。下面講述利用UGNX配合ANSYS-CFX,對該三葉螺旋槳進行計算流體力學分析的模擬仿真的結(jié)果簡要說明,如下圖所示為將UGNX的有限元前處理模型導入ANSYS-CFX中進行分析的結(jié)果。從分析圖中可以看出,利用UGNX和ANSYS-CFX可以非常方便的對螺旋槳工況進行定義,并針對不同轉(zhuǎn)速工況情況下的螺旋槳速度、壓力、流量、推力進行數(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。針對該螺旋槳,采用CFX計算后,其葉片通道流量為3.31Kg/S,總流量為5.5Kg/s。同時將葉片受力情況導入到強度分析中,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,最大應力應變發(fā)生的部位以及疲勞強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 變形與應力強度分布圖
5.2 螺旋槳五坐標數(shù)控加工編程仿真
螺旋槳設計制造、產(chǎn)品定型早期為有效的進行螺旋槳的敞水試驗,減少鑄造批量生產(chǎn)時模具的返修工作量以及避免模具報廢,采用五坐標數(shù)控機床進行加工其模型件是非常有意義的?？梢詫崿F(xiàn)縮短開發(fā)周期,提高螺旋槳設計質(zhì)量,避免設計時參數(shù)的確定、葉片形狀以及螺旋槳的強度等綜合方面的影響。針對該螺旋槳的結(jié)構(gòu)特點,在五坐標機床上進行加工時,如何有效的設計其刀具加工軌跡路徑,避免機床干涉、碰斷刀、報廢零件等方面是非常有必要的。該螺旋槳五坐標機床加工時分為幾個組成部分,三軸粗加工排量、刀具側(cè)刃五坐標粗精加工葉型、刀具底刃五坐標粗精加工流道等。如圖16所示為在UGNX環(huán)境下設計的該螺旋槳的銑削刀具軌跡示意圖。銑削加工完成后進行拋光處理即可得到模樣件進行螺旋槳的敞水試驗。
圖16 螺旋槳五坐標銑削編程示意圖
針對該螺旋槳,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,即可有效保證產(chǎn)品質(zhì)量,同時又能減小模具的投入費用。如17圖所示為采用鑄造成型大批量生產(chǎn)后的螺旋槳實物,該螺旋槳經(jīng)過5萬公里的測試后完全滿足使用要求。
圖17 導管螺旋槳鑄造實物
6 消聲器拉深成型模擬
如下圖18所示的摩托艇發(fā)動機的消聲器,采用的是兩個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,對該筒形件的展開料和回彈進行了簡要分析計算,提高了產(chǎn)品工藝的設計效率。如展開料計算方面,采用UGNX模擬計算的毛料直徑為578.81mm,而采用經(jīng)驗公式計算的展開料直徑為560.39mm。分析原因在于其底部的凸起,經(jīng)過實際驗證,UG軟件的計算模擬是合理的,規(guī)避了經(jīng)驗公式無法解決局部區(qū)域展開料計算問題。
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,該產(chǎn)品總的拉深系數(shù)為0.5183;材料的相對厚度為0.8638。根據(jù)總的拉深系數(shù)和材料的相對厚度,對該無凸緣筒形件,不用壓邊圈拉深時,需要三次拉深才能滿足工藝要求,三次拉深系數(shù)分別設置為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)相應的經(jīng)驗公式進行計算,在此不進行描述。經(jīng)過模擬仿真,其孔口直徑存在1.3mm的回彈,利用UGNX的設計功能較好的完成了模具設計上的修配,經(jīng)過驗證有效的節(jié)省了后續(xù)工序修整的同時提高了產(chǎn)品的成型質(zhì)量。
7 總結(jié)
UGNX作為一款高檔的CAD\CAM\CAE設計平臺,功能豐富,使用方便。本文簡略講述了利用UGNX開發(fā)高速摩托艇項目過程中,所涉及的產(chǎn)品逆向工程應用、產(chǎn)品設計與裝配協(xié)調(diào)、模具工裝設計與數(shù)控加工編程、板料成型模擬仿真等方面的功能應用。利用UGNX提供的強大的設計制造仿真一體化功能,極大的提高了產(chǎn)品的設計質(zhì)量和研發(fā)效率,推動了企業(yè)的技術(shù)進步和制造平臺的升級。
本文最后對UGNX的現(xiàn)有版本的相關(guān)功能提出一點的建議,希望對從事UGNX的設計人員和開發(fā)人員有所借鑒作用。建議增加類似于船型設計、發(fā)動機設計、螺旋槳設計、機翼及飛行器結(jié)構(gòu)設計等專業(yè)方面的模塊功能,包括提供相應的基本模型庫以滿足相關(guān)工程設計的需要。建議增加標準的設計模塊如齒輪、螺栓等標準件庫以提高用戶的設計效率。建議增加專業(yè)鋼架模塊設計,提供如工字鋼、槽鋼、圓鋼等各種標準型材庫與連接方案以滿足工程建設設計的需要。
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