搜索CATIA在活塞設計中的應用
2016-11-25 by:CAE仿真在線 來源:互聯網
CATIA作為功能強大的計算機輔助繪圖軟件,集設計、分析、制造于一體,現在已經廣泛應用于汽車制造業。在進行汽車零件的方案設計時,它不僅可以方便快捷地繪制產品外型,而且還可以進行產品的機構運動與裝配分析,對零部件進行動態仿真分析,有效縮短了開發周期,提高設計質量,降低開發費用。
本文以V6汽油發動機活塞設計為例,在CATIA軟件中對其零部件進行建模、虛擬裝配、運動仿真等操作,闡述如何利用CATIA進行活塞設計。
1、CATIA對于零件設計的優勢
虛擬裝配是一種零件模型按約束關系進行重新定位的過程,根據產品設計的形狀特性、精度特性,真實地模擬產品三維裝配過程。同時,允許用戶以交互方式控制產品的三維模型真實模擬裝配過程,實現三維設計過程與實際零部件的設計制造.裝配過程的高度統一,是有效分析產品設計合理性的一種手段。通過虛擬裝配可以初步對活塞與其它零件是否干涉有初的了解,同時為之后的運動分析打下基礎。
運動仿真是指通過構建運動機構模型,分析其運動規律,進行機構的干涉分析;跟蹤零件的運動軌跡,進行運動參數分析,將設計與實際生產聯系起來。DMU是CATIA的運動分析模塊,它集成在CATIA中,可直接調用建模參數進行優化分析,常用它進行較為簡單的運動機構仿真分析。活塞設計時,通過DMU模塊分析,可以確定活塞與曲軸,噴油嘴和進、排氣門之間的間隙,對相應位置進行調整,避免活塞與它們發生干涉。
2、活塞三維模型的建立
通過對標選型機型,確定活塞的主要參數,然后根據確定的主要參數進行活塞建模。建模過程中對于未確定的尺寸可以根據經驗和設計標準進行相應設計,而對于氣門避讓槽、噴油嘴避讓槽這些最開始無法確定的參數,可先粗略設定,建立初步活塞模型(見圖1),最終通過運動仿真來確定這些參數。
圖1 活塞初始模型
3、虛擬裝配和運動副添加
進入裝配模塊,導入配氣機構和曲柄機構的零部件,諸如活塞、連桿、挺柱、氣門和曲軸等零部件。為了簡化運算模型,提升運算速度,應該對缸體缸蓋進行相應簡化,只提取曲軸、氣門、活塞和凸輪軸的運動基準即可。同時對其它對運動仿真影響不大的結構也做相應的簡化或合并。零件優化后,在提取的基準上裝配各零件。為了方便之后的運動分析,應建立曲柄連桿機構、曲柄連桿機構和配氣機構這兩個裝配模型。
進入DMU模塊,建一個運動機構。根據發動機實際運動情況,首先把運動基準固定,在曲柄連桿機構中,活塞沿氣缸中心線作往復直線運動,連桿作平面復合運動,曲軸沿缸體上的軸承中心作旋轉運動,曲柄連桿機構與配氣機構的存在比例運動,凸輪軸沿缸蓋上的軸承中心作旋轉運動,凸輪軸驅動氣門、挺柱等做往復直線運動。根據這些運動特點來添加機構的運動副,運動模型即建立完成。添加約束的時候,要注意對于已有的約束進行裝配約束轉換(assemibly constrains conversion),避免過約束影響運動分析。
4、運動驅動命令的設置
在活塞運動分析中,配氣和曲柄連桿機構可以運動,驅動命令是必不可少的,可以在創建運動副時直接定義驅動命令,也可以在運動副創建之后定義驅動命令。活塞運動模擬的主要目的是檢查活塞與其它零件的運動最小間隙,因此運動源是否與實際相符可不作要求。為方便模擬命令的操作,以實現模擬過程中VVT對相位的調整,將曲軸和進、排氣凸輪軸三個零件作為單獨運動源,分別添加同一類型的驅動命令,即角度驅動。具體操作方法是在添加這三個零件與固定零件的運動副時,在對話框中勾選角度驅動(angled river)選項。為了保證曲軸和凸輪軸正時運轉,必須定義運動規律(laws)。通過定義曲軸轉角速率是凸輪軸轉角速率的2倍,以實現曲軸和凸輪軸正時運轉。
5、活塞運動仿真分析
活塞在運動過程,最有可能干涉的零件是曲軸、噴油嘴和進、排氣門,所以設計時要重點關注這些間隙。活塞與曲軸、噴油嘴的間隙只需要通過形成活塞、曲軸的運動包絡就可檢測活塞和曲軸的最小間隙,之后把活塞包絡導入缸體總成中,檢測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達到設計值不小6mm的要求;從圖3可看出活塞與噴油嘴的間隙都大于4mm,符合設計值不小于4mm的要求。
圖2 活塞與曲軸的最小間隙測量
圖3 活塞與噴油嘴的最小間隙測量
檢測活塞與氣門的間隙相對而言更為困難,需要模擬VVT工作時的運動情況。在DMU中點擊模擬命令,通過圖4運動模擬窗口中1、2、3這三個命令和“插入”按鈕模擬運動。測量進、排氣門與活塞間的距離并保持尺寸顯示,通過“編輯分析”命令把測量尺寸導入運動模型中以便分析結果,如圖5所示。同時注意點開“距離”下拉菜單點開“開”選項,保證測量值會隨著運動變化而變化。
圖4 編輯模擬和運動模擬窗口
圖5 運動模擬窗口
點開目錄樹中的Application,雙擊模擬中的法線進入運動模擬窗口,先在命令2中輸入10度的提前角模擬進氣提前10度。接著激活“激活傳感器”命令顯示傳感器窗口,在曲軸轉角和活塞與進、排氣門間隙測量值后面選擇“是”。點開圖6中“選項”命令,通過“自定義”命令建立分別以進、排氣門與活塞間隙為縱坐標,曲軸轉角為橫坐標的兩條曲線。最后通過運動模擬中“按需要”命令,步驟數為36模擬運動,點擊傳感器窗口中的“圖形輸出”命令輸出間隙曲線。通過圖7、8可看出進氣提前10°時,活塞與進、排氣門的最小間隙都大于1mm的設計要求,說明在這個狀態下活塞氣門避讓槽設計是符合要求的,其它狀態不做演示。
圖6 傳感器窗口
圖7 進氣門與活塞間隙隨曲軸轉角變化曲線
圖8 排氣門與活塞間隙隨曲軸轉角變化曲線
6、結束語
本文主要闡述了CATIA在活塞設計的應用,通過CATIA設計人員能夠較快地校核活塞與曲軸,噴油嘴和進、排氣門的間隙。在建立活塞運動模型時運用了一定的簡化手段以減少了運算時間,使建模和間隙分析過程能盡量簡化,又能較為準確地檢測了活塞與曲軸,噴油嘴和進、排氣門的間隙。和過去的檢測手段相比,基于CATIA的運動模擬方法縮短了間隙校核的工作時間,減少了工作量,提高了工作效率,減少了零件試制失敗率,降低了研發成本。
來源:e-works
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