虛擬樣機技術(shù)及其在發(fā)動機設(shè)計中的應用

1 前言

在發(fā)動機的傳統(tǒng)設(shè)計過程中，由于在前期設(shè)計階段缺乏足夠的試驗用的樣機，因此不可能取得足夠的實際經(jīng)驗以避免設(shè)計中潛在的缺陷。這樣，有關(guān)裝配、操作和維護的問題往往只會在設(shè)計后期或在最終產(chǎn)品試車過程中、甚至在投入使用一段時間后才能暴露出來，所以產(chǎn)品往往不得不返回到構(gòu)造設(shè)計階段以進行必要地修改，這樣的設(shè)計過程不僅效率低，費用還高。同時，由于世界經(jīng)濟全球一體化，市場競爭日益激烈，發(fā)動機企業(yè)為了提高競爭力，必需盡快改變品種、更新設(shè)計、縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期、提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、降低產(chǎn)品研發(fā)成本，進行創(chuàng)新性沒計，這樣才能對快速多變化市場需求做出敏捷響應.從而在市場競爭中獲得相當?shù)氖袌龇蓊~和利潤，傳統(tǒng)的基于物理樣機的設(shè)計制造方式已無法滿足這些要求。將虛擬樣機技術(shù)應用于發(fā)動機的設(shè)計將具有巨大的優(yōu)勢和經(jīng)濟效益。

2 虛擬樣機技術(shù)的概念及技術(shù)體系

虛擬樣機技術(shù)是上世紀九十年代逐漸興起并發(fā)展起來的—個新概念。“虛擬樣機”，英文為“VirtualPrototyping”，是在一種基于計算機仿真技術(shù)生成“虛擬樣機”。“虛擬”是指“樣機”并不是物理實體，義說它是“樣機”，是因為它具有一切樣機實體的外觀顯現(xiàn)、操作界面，以及完備的樣機功能。目前，國內(nèi)外對虛擬樣機技術(shù)(Virtual Prototyping，VP)的研究還處于發(fā)展的階段，還沒有比較統(tǒng)一的定義。在建模和仿真領(lǐng)域比較通用的虛擬樣機的概念是美國國防部建模和仿真辦公室(DMSO)給出的定義。DMSO將虛擬樣機定義為對—個與物理原型具有功能相似性的系統(tǒng)或者子系統(tǒng)模型進行的基于計算機的仿真;而虛擬樣機則是使用虛擬樣機來代替物理樣機，對備選設(shè)計方案的某一方面的特性進行仿真測試和評估的過程。虛擬樣機技術(shù)是一項嶄新的數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)手段。是一種基于計算機仿真的分析設(shè)計方法，是實現(xiàn)機械產(chǎn)品的數(shù)字化沒計、仿真、分析、制造、實驗的開發(fā)過程的新技術(shù)。

虛擬樣機技術(shù)涉及許多關(guān)鍵技術(shù)與相關(guān)研究領(lǐng)域，其中核心是建模技術(shù)、仿真分析技術(shù)和町視化技術(shù)。虛擬樣機技術(shù)體系構(gòu)成示意圖，如圖1所示。虛擬樣機技術(shù)是基于這三種技術(shù)發(fā)展起來的。建模技術(shù)的主要功能根據(jù)研究目的通過數(shù)字化模型來描述客觀事物，主要涉及模型的準確性、真實性、精確性、穩(wěn)定性、通用性和有效性等問題。仿真技術(shù)中的是在建模技術(shù)的基礎(chǔ)上是科學合理地建立仿真模型、利用計算機硬件與軟件技術(shù)使仿真模型和原型比較逼真地仿真原型的結(jié)構(gòu)、功能和行為.動態(tài)描述工程師和技術(shù)人員的思維過程和行為。

可視化技術(shù)Ⅱ了以使建模過程和仿真結(jié)果真實而形象地表現(xiàn)出來，使設(shè)計者可以方便的觀察求解量的分布情況和各種性能參數(shù)的變化規(guī)律及系統(tǒng)：r作狀態(tài)的動態(tài)效果。待解決的問題規(guī)模越大、越復雜.可視化技術(shù)帶來的優(yōu)勢就越明顯?？梢暬夹g(shù)是虛擬樣機技術(shù)實用化的體現(xiàn)和重要保障。建模技術(shù)、仿真分析技術(shù)和可視化技術(shù)因此它們的發(fā)展對于虛擬樣機技術(shù)的發(fā)展起著舉足輕重作用。

3 虛擬技術(shù)在發(fā)動機中的應用

3.1 發(fā)動機零件參數(shù)化建模及裝配設(shè)計

發(fā)動機零件參數(shù)化建模是指借助基于特征的三維參數(shù)化建模軟件對發(fā)動機進行幾何設(shè)計。發(fā)動機的幾何結(jié)構(gòu)主要包括活塞組件、曲軸、連桿、氣缸體、氣缸蓋、凸輪及凸輪軸和氣閥等。裝配設(shè)計則是指利用三維建模軟件的裝配功能將發(fā)動機零部件裝配成發(fā)動機整體的過程。

目前很多三維軟件都可以實現(xiàn)發(fā)動機零部件的參數(shù)化建模和裝配功能，這類軟件主要有某公司的UG，法國CATIA，美國某公司的PRO-e等。發(fā)動機零件設(shè)計和裝配的三維圖，如圖2、圖3所示。

3.2 發(fā)動機運動仿真分析

發(fā)動機運動機構(gòu)主要包括氣門機構(gòu)和曲柄連桿機構(gòu)。通過對發(fā)動機運動機構(gòu)的仿真可以直觀觀察其的動作過程，通過修改參數(shù)可以看出使其動作滿足實際要求。仿真模型和運動過程參數(shù)可為整個機構(gòu)的優(yōu)化提供理論依據(jù)，繼而為快速、準確方便地設(shè)計和制造物理樣機奠定基。許多功能強大的三維軟件都具備了運動仿真功能，比如UG、PRO-e等，利用這些軟件建模后可以直接進人運動模塊。

也可以利用三維軟件建立仿真模型.然后導人到專業(yè)仿真軟件中在進行仿真.比如ADAMS軟件。國內(nèi)目前很多研究人員對發(fā)動機的配氣機構(gòu)做了很多的研究。配氣機構(gòu)運動仿真模型和仿真結(jié)果分析，如圖4、圖5所示。具體仿真過程可參見參考文獻。對模型進行動態(tài)仿真，通過測試整個模型或模型的一部分可以很好的驗證其運動的正確性。

3.3 發(fā)動機動其他態(tài)仿真試驗

虛擬樣機技術(shù)在發(fā)動機的曲軸強度分析、疲勞壽命分析、活塞應力分析及疲勞壽命分析、缸內(nèi)流體流動分析等也得到應用.從中可以獲得所有動力學參數(shù)在發(fā)動機工作時的變化過程，顯示出較大的優(yōu)點，限于篇幅’筆者在此不再贅述，有興趣的讀者可以參閱相關(guān)的文獻。

4 結(jié)束語

隨著科學技術(shù)的發(fā)展和對發(fā)動機性能的要求的日益提高，虛擬樣機技術(shù)在發(fā)動機設(shè)計上的應用越來越廣泛。利用虛擬樣機技術(shù)，可以快速適應市場要求的變化、縮短產(chǎn)品制造周期、降低生產(chǎn)成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，提高發(fā)動機企業(yè)在市場競爭中的優(yōu)勢。