（机械工程专业论文）虚拟样机技术及其在新型内燃机开发中的应用研究.pdf

摘要 随着全球市场化的发展，产品开发必须迅速响应市场的需求。在产品开发过 程中应用虚拟样机技术，可以优化产品设计方案，缩短产品开发周期，节约产品 开发成本，从而使企业在竞争中获得极大的优势。本文根据新型双连杆双曲轴内 燃机的开发要求，以虚拟样机技术为基础，对双连杆双曲轴运动机构设计方案进 行仿真优化，建立了新型内燃机的虚拟样机模型。 根据内燃机的自顶向下设计要求，首先进行双连杆双曲轴运动机构运动方案 的设计与优化，针对新型双连杆双曲轴内燃机的结构特点，运用c + + b u i l d e r 开发 了双连杆双曲轴运动机构分析软件。运用该软件研究各个杆件尺寸以及偏差对机 构运动的影响，从而确定下三角滑块结构双连杆双曲轴运动机构方案。 确定运动机构方案后，在分析装配模型，装配关系等基础上用s o l i d w o r k s 建立 了零件库和螺栓、螺母、链、销等标准件库，根据内燃机结构特点实现新型双连 杆双曲轴内燃机的装配模型，并检查了整个样机模型设计的合理性。 在探讨运动机构动力学仿真理论的基础上，结合双连杆双曲轴运动机构模型， 用a d a m s 软件进行动力学仿真，得出该机构在多种运动条件下的相关数据和曲 线，进一步检验了样机的结构合理性和设计正确性。 本文探讨了虚拟样机技术从设计模型、装配模型、动力学仿真模型等方面在 新型内燃机开发中的应用研究，缩短了新型内燃机开发的周期，节约了开发成本。 关键词：内燃机虚拟样机技术装配模型仿真 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eg l o b a lm a r k e t , p r o d u c t i o nr e s e a r c hm u s tb eq m c k i y i nr e s p o n s et ot h en e e do fm a r k e t d u r i n gt h er e s e a r c h v i r t u a lp r o t o t y p i n gc a i lb e a p p l i e dt oo p t i m i z et h ep r o j e c to fd e s i g n ，s h o r t e n t i m ea n dr e d u c ed e s i g nc o s t ，嬲a r e s u l t c o m p a n yc a ng e tt h e r u nu p o nt h ec o m p e t i t i o n t h i sa r t i c l eo p t i m i z e st h e m e c h a n i s ma n de s t a b l i s ht h em o d e lo fn e w t y p ei n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n eb a s e d o n v i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya c c o r d i n gt ot h ed e m a n do f t h em e c h a n i s m w i t hd o u b l e c o n n e c t i n g r o d sa n dc r a n k s l w a a c c o r d i n g t ot h ed e m a n do f t o p _ d o w nd e s i g nm e t h o d ，t h em o t i o np r o j e c t i o n w i t hd o u b l ec o n n e c t i n gr o d sa n dc 瑚n l 洛h a f t sm u s tb eo p t i m i z e df i r s t l yb a s e do nt h e a n a l y s e t h es t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i c ，t h es o f t w a r ei sd e v e l o p e d 、) v i 血c + + b u i l d e r , w h i c h c a l lb ea p p l i e dt os t u d yt h ei n f l u e n c eo nt h em o t i o nf r o md i m e n s i o na n dt o l e r a n c e a t l a s t , t h eb e s tm o t i o np r o j e c t i o n i sa s c e r t a i n e d a f t e r a s c e r t a i n i n g t h em o t i o n p r o j e c t i o n t h ee n g i n e m o d e lw i t hd o u b l e c o n n e c t i n gr o d sa n d c r a n k s h a f t si se s t a b l i s h e da n dt h er a t i o n a l i t ya b o u tt h es t r u c t u r eo f t h em o d e lh a sb e e nt e s t e d a tt h es a m et i m e t h es t a n d a r dc o m p o n e n tp a r t sl i b r a r y s u c ha sb o l t ，n u t , b o n da n dp i ni sb u i l d e d ，w h i c hw i l lb ec o n v e n i e n tt ol a t e rd e s i g n d y n a m i ca n a l y s ei sf u l f i l e dw i t ha d a m s o nt h et h es t u d yo f t h e o r y0 nd y n a m i c s i m u l a t i o na c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lm o d e l t h es p l i n e sa r cd r a w no u ti nd i f f e r e n t w o r k i n g c o n d i t i o n t h i sa r t i c l ed i s c u s s sh o wt oa p p l yv i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yt od e s i g nn e w t y p ei n t e r n a l - c o m b u s t i o ne n g i n ea n do p t i m i z e st h em o d e l s oa st os h o r t e n d e s i g n a n d r e s e a r c ht i m e k e y w o r d s ：i n t e r n a l - c o m b u s t i o n e n g i n e v i r t u a l p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y a s s e m b l y m o d e l s i m u l a t i o n 第一章概述 1 1 虚拟样机技术的发展 3 0 6 0 年代，制造业追求的是规模效益。美国首先提出了大规模、大批量、 流水线的生产，以更大的经济实力占领市场，降低生产的风险，其代表为福特和 通用两大公司。进入7 0 年代，制造业更加重视降低制造的成本，以日本为代表， 特别是丰田公司，发展了准时生产和精益生产方式，放弃了流水线生产中所存在 的库存大、周转慢的浪费现象，在不太大的批量下仍然获取了低的成本和高的效 益。进入8 0 年代，为了适应市场和用户的要求，产品的质量是企业界和各个制造 商的主要追求目标。9 0 年代以来，对市场的快速响应在工业发达国家成为竞争的 焦点，于是敏捷制造、智能制造、虚拟制划l 】【2 】等新概念，新的生产组织方式， 新的生产模式相继出现，企业的柔性和快速响应市场的能力成为竞争的主要标志。 般说来，新产品的开发，需要考虑诸多的因素。例如在开发一种新车型时， 其美学的创造性要受到安全、人机工程学、可制造性及可维护性等多方面要求的 制约。过去，为在这些方面作出较好的权衡，需要建立小比例( 或者是全比例) 的产品物理样机，用样机来支持设计、管理和销售等不同技术背景的人员进行讨 论。这些人员希望能有直观的样机，且样机能迅速地进行修改，以便能体现讨论 的结果，并做进一步的讨论，但这样做要花费大量的时间和费用。 根据企业的竞争要求，虚拟样机技术就是在强调柔性和快速的前提下，于8 0 年代提出的，并随着计算机，特别是信息技术产业的发展，在9 0 年代得至人们的 极大重视，获得迅速的发展。 虚拟样机是利用v r 在可视化方面的强大优势以及可交互地探索虚拟物体的 功能，对产品进行几何、功能、制造等方面交互的建模与分析。它在c a d 模型的 基础上，使虚拟技术与仿真方法相结合，为样机的建立提供了新的方法。虚拟样 机技术可用来快速评价不同的设计方案，虚拟样机生成的速度快，生成的样机可 被直接操纵与修改，且数据可被重新利用。运用虚拟样机技术，可加速产品的开 发进程，很快成为了企业界的研究热点之一。 1 2 虚拟样机技术及其在内燃机开发中的应用研究 1 2 1 虚拟样机技术的内涵 虚拟样机( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ) 【3 】1 4 1 是以利用先进c a d 技术建立起来的主 模型为中心，将其扩展衍生到产品生命周期的不同阶段，建立与物理样机相一致 的数字化仿真模型，并对该模型进行评估和测试，通过对不同候选模型的筛选、 更改和优化将设计思路转化为正确的数字原型。 虚拟样机技术涉及到诸如c a d 建模技术、虚拟现实技术、c a e 技术和计算可 视化多个领域。其开发以i n t e r n e t i n t r a n e t 构成的计算机网络为平台，通过信 息共享和数据分权开放的格局，以并行协同的方式使各设计小组共同完成新产品 的从概念设计、初步设计、详细设计、装配检验、性能评估、制造性加工仿真一 直到物理样机试制等工作。 虚拟样机必需能够反映物理样机的特性，包括外观、空间关系以及运动学、 动力学等方面。用户应能从不同的角度，以不同的比例观察虚拟原型，还能够通 过操纵样机对产品的功能进行定性的判断。因而，要使虚拟样机技术发挥作用， 必需将虚拟现实、建模、仿真等技术结合起来，形成一个集成的，能提供所需要 信息及实时交互性的虚拟样机开发环境。虚拟样机开发环境模式如图1 1 所示， 说明了这种开发环境的组成情况。 1 2 2 实施虚拟样机的意义 虚拟样机技术对企业的具体意义主要表现在以下几个方面： 1 、在产品概念设计阶段，应用系统工程的方法，确定产品的总体参数和布 局参数，并定义两者的关联控制结构，实现产品级的参数化。这样可以很好地贯 彻设计师的设计意图和实现对概念模型因个性需求的快速修改和优化、评估。 2 、在产品的初步设计阶段，通过贯彻自顶向下的设计思想，建立部件级的 几何关联结构和约束层次关系，并确定详细设计步骤，实现部件级的相关修改。 3 、在产品的详细设计阶段，通过参数化和变量化技术建立零级的数字化主 模型。通过此模型的衍生快速生成产品不同阶段相应的模型，为加工仿真和性能 仿真提供数据来源。 4 、通过虚拟装配技术，方便实现复杂的大型装配并检验产品是否干涉及几 何结构是否正确，并对其进行修改、优化。这样可减少物理样机数量，节约成本。 5 、通过进行关键零件的加工仿真和工装仿真，及时发现设计缺陷和工艺实 2 现问题，避免开发风险。 6 、通过对零件、部件以及产品级的运动学和动力学性能分析仿真，及时发 现性能失真和结构不合理等问题，提高设计的正确性。 7 、整个设计的过程中，贯彻并行工程的开发方法，提高产品上市时间，缩 短开发周期。 图1 1虚拟样机开发环境模式示意图 总之虚拟样机是一项新生的工程技术。借助于这项技术，工程师们可以在计 算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的 运动和动力特性，并根据仿真结果精化和优化系统的设计。 1 2 3 虚拟样机技术在内燃机开发中的应用研究 内燃机结构复杂，按照传统的设计开发思路，通常开发的周期需要三年左右， 在此过程中多台相应物理样机的反复实验支持必不可少，这样使得内燃机的传统 开发周期长，投资大。而在内燃机开发中应用虚拟样机技术，可以迅速建立虚拟 样机模型，并对其分析修改优化，减少物理样机的数量，缩短开发周期，减少资 金投入。虚拟样机技术在内燃机开发中的应用和研究，已引起国内外众多研究机 构和企业的高度重视，主要体现在如下凡个方面： 1 、在内燃机设计阶段，贯彻自顶向下设计思想，运用参数化设计和变量化 设计技术，对内燃机进行概念设计，建立部件阔几何关联和零龆件的数字模型。 如根据内燃机功率和挣量等设计要求，初步设定气缸直径，活塞行程和上下止点 位置，进行双连杆双曲轴运动机构概念援计； 2 、建立内燃机装配模型，实现内燃机零部件韵复杂装配，检验产品几何结 构是杏正确，是否产生装配干涉，并对其修改。如惹立双连杆双曲轴运动机构装 配模型，配气机构装配筷型，内燃机虚j 当【样机模型等，内燃枫虚拟样机模型如嗣 1 2 所示； 3 、对内燃机重要零部件结构进行优化，如曲轴箱体，活塞，连秆，曲轴等； 4 、对内燃枫运动机构进行运动学动力学分析仿真，以便及时发现性能失真 和结构不合理的地方。如疆苏常紫股份有限公司运用a 潞憋对柴袖机顶置凸轮配 气机构进行运动分析，获得了难于用艘的数学解析方法直接求出的气门升程规 律，从面解决了在物理样机实验中出现的捧气门播臀断裂，捧气门断裂和捧气门 与活豢顶面干涉等问题i 习。 图1 2 内燃枧纛损样帆模型图1 3 内燃机风冷气流路线 当然，虚拟样枫技术在内燃机的应用是多方面的。如日本的m i t s u b i s h i m o t o r sc o r p o r a t i o n 结合虚拟样机技术实现对内燃机风冷气流路线的研究，如图 t 3 所示；如可结合有限元分析软件 惦y s 建立发动机曲轴系的多体系统动力学 模型，并对其平衡特性和曲轴的扭振响应进行分析i 如在含柔性构件和运动捌阅 隙的曲柄滑块机构中，为研究构件柔性和运动副婀骧对机构动力学特性的影响， 可应用 n 粥软件仿真研究其动力学特性。可以相信，麓着虚拟样机技术在内燃 机开发中的应用和研究不断深入，将迅速提高内燃机的开发和研制水平。 1 3 课题来源及本文的研究重点 本文所研究的课题内容为新型双连杆双曲轴s l l l 2 6 内燃机研制课题的 一部分，在分析了新型双连杆双曲轴内燃机结构特点的基础上，贯彻虚拟样机技 术自顶向下的设计思想，探索新型双连杆双曲轴s l l l 2 6 内燃机的设计开发过程 并优化了双连杆双曲轴运动机构设计方案。在本文研究的基础上利用s o l i d w o r k s 的装配体模块生成新型内燃机的装配模型，并对双连杆双曲轴运动机构进行动力 学仿真分析。 归纳起来，本文的研究重点集中在以下几个方面： 1 、在概念设计阶段针对新型内燃机的结构特点和工作要求，运用自顶向下 的设计方法，设计双连杆双曲轴运动机构方案，分析其特点，并采用c + + b u i l d e r 5 0 开发软件，对曲柄机构设计方案进行优化； 2 、在装配模型阶段研究装配模型的表示方法，产品装配特征的分类与表达， 零部件之间装配关系的表示方法及其数据结构等内容，用s o l i d w o r k s 在三维零件 库的基础上建立新型内燃机的装配模型并对其进行干涉检查； 3 、在仿真分析阶段研究动力学仿真的基础理论和基本算法，用a d a m s 对双连 杆双曲轴运动机构进行仿真，探讨其在多工况下的运动规律和受力情况等，以进 一步验证设计的合理性。 第二章新型双连杆双曲轴内燃机运动机构的 设计与分析 2 1 新型双连杆双曲轴内燃机的主要优点与关键技术 2 1 1 单连杆单曲轴内燃机大功率化的制约因素 目前国内单缸内燃机广泛使用单连杆单曲轴运动机构，如图2 1 所示，由于 受结构使用等因素影响，如果要大幅度增加单缸内燃机的功率( n e ) ，必然增大发 动机的缸径( d ) 和行程( s ) ，而且为平衡其一级往复惯性力需在曲轴下方增设平 衡轴，导致发动机结构不紧凑，体积重量增加剧多，使比重量g n e 上升，升功率 n e v 下降，从而最终制约了大功率单缸内燃机的发展1 6 儿”。 图2 1 单连杆单曲轴运动机构示意图图2 2双连杆双曲轴运动机构示意图 2 1 2 新型双连杆双曲轴内燃机的主要优点 双连杆双曲轴运动机构，如图2 2 所示，是单缸大功率内燃机发展的极好方 案。内燃机采用双连杆双曲轴运动机构，具有如下主要优点： l 、两侧对称，在工作过程中活塞与气缸基本不受侧压力，两者相互磨损显 著减小，从而提高机械效率；同时避免了活塞对气缸的“拍击”敲缸，减小了发 动机的噪音，延长了发动机零部件的使用寿命。 2 、可降低程径比s d 。在相同缸径情况下，行程减小，从而升功率n e v 上升，比重量g n e 下降。 3 、上止点至下止点曲轴转角大于1 8 0 0 ，即相对增加了进气时间，使进气更 6 加充分，燃烧更加完成，使热效率提高；同时相对增加了做功时间，发动机工作 更加平稳。 4 、由于连杆曲轴可达到自身平衡，所以取消了曲轴下方的平衡轴，发动机 整体布置更加紧凑。 2 1 3 新型双连杆双曲轴内燃机的关键技术 虽然内燃机采用双连杆双曲轴运动机构存在以上优点，但在内燃机开发试验 过程中发现，两曲轴很难做到时刻同步运转，容易出现卡缸现象，所以很长时间 内难于投入实际运用，究其原因主要存在以下两个方面【8 】f 9 j ： 1 、双曲轴( 主、副曲轴) 及其相关件由于负载作用不同，在结构上设计一般 存在较大差异，导致两曲轴质量、转动惯量等不同，所以难以保证两曲轴同步运 转； 2 、双连杆双曲轴运动机构由于事实上存在不可消除的制造偏差，以致不能 保证机构的几何绝对对称。 为了解决以上两个方面的问题，新型双连杆双曲轴内燃机主要采用两个关键 技术，如图2 3 所示： 曲轴 阿步 图2 3 新型内燃机的关键技术 l 、主副两曲轴设置同步齿轮来消除由于设计差异等带来的不同步影响； 2 、在活塞上设置滑块，滑块浮动安装于活塞内，活塞销浮动安装于滑块内。 通过滑块、活塞销的浮动可巧妙地自动协调由于机构制造偏差带来的不同步影响。 2 2 新型双连杆双曲轴运动机构方案的自顶向下设计 2 2 1 自顶向下设计方法及其优点 一般说来，通常的设计过程是：先需求分析，概念设计，再进行结构设计， 详细设计，最后试制实验修改。其中的结构设计一般是先设计总装配图，再设计 零件图，这就是自顶向下( t o p d o w n ) 1 0 1 1 1 1 的设计方法。 图2 4 自顶向下的设计过程 对于自顶向下的设计过程，如图2 4 所示，设计是从产品功能要求出发，选 用一系列的零件去实现产品的功能：先设计出初步方案及其装配结构草图，建立 约束驱动的产品模型；通过设计计算，确定每个设计参数，然后进行零件的详细 设计，通过几何约束求解将零件装配成产品；对设计方案分析之后，返回修改不 满意之处，直至得到满足功能要求的产品。 自顶向下设计方法在零件设计的初期就考虑零件之间的约束和定位关系，在 完成产品的整体设计之后，再实现单个零件的详细设计。自顶向下设计过程能充 分利用计算机的优良性能，最大限度地发挥设计人员的设计潜力，最大程度地减 少设计实施阶段不必要的重复工作，使企业的人力、物力等资源得到充分的利用， 大地提高了设计效率，减少了新产品的设计研究时间。 8 2 2 2 功能设计方案的重要性及其比较 根据自顶向下设计的要求，功能方案设计是总体设计的前提，是整个机械设 计工作的基础。功能设计方案的好坏，对机械产品能否完成预定的任务，能否正 常工作和工作质量的优劣有决定性的作用。 机构的功能就是转换运动和传递动力。在作机构功能方案设计时，常须对实 现功能的质量进行比较分析”2 】。譬如：机构能否达到所要求的行程大小? 达到这 一行程所需的机构空间尺寸是否合适? 是否满足要求的运动规律? 机构的传力特 性是否良好? 对输出功率有何影响等。在综合考虑以上因素的基础上，最终确定 机构的设计方案。 2 2 3 新型双连杆双曲轴运动机构方案的自顶向下设计 双连杆双曲轴运动机构是内燃机实现能量转换和动力传递最常见的装置。前 已述及，与传统单连杆单曲轴运动机构相比，双连杆双曲轴运动机构的关键技术 在于同步齿轮与滑块装置的添加。 2 2 3 1 运动机构方案参数确定方法 从图2 3 可知，此内燃机的运动机构设计方案比较复杂而又有创造性的地方 在于滑块的结构设计。有针对性地分析滑块的结构特点以及对整个机构产生的影 响，将是本章的主要任务。 根据此内燃机的功能要求，在设计过程中画出运动机构方案草图如图2 5 所 示，盐轴轴颈c 偏离中心0 位置h 3 可设定为已知，其它具体参数确定可由两种 方法【1 4 】。 方法一：由活塞行程上下止点位置a ，b 和d 点坐标来确定连杆长度和曲柄 半径。即上止点a 及相应位置h 1 和下止点b 及相应位置h 2 已知，设d 点坐标为 ( x ，y ) ，则d l 点坐标为( x ，y 一( h 1 _ h 2 ) ) ，可知： d c = c z 日3 ) 2 + y 2 ：( 2 1 ) d i c = 拓i 芴汀石j 丽丽； 则可求出曲柄半径r 和连杆长l 设计尺寸， r = ( d c d i c ) 2 ： l = d c r = d i c + r 。 9 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 图2 5 运动机构方案草图图2 6 活塞销孔中心设计可选区域 方法二：由活塞行程上止点a 及相应位置h l ，曲柄半径r ，连杆长l 和d 点 某一坐标来确定下止点b 及相应位置h 2 和d 点另一坐标。设d 点坐标为( x 0 ，y ) ( 或( x ，y o ) ) ，可知： d c = 扳i 矿j 两f 酽- l + r ：( 或d c = 扳i j 葫矿干丽= l + r ；) ( 2 5 ) d i c = 正面j 矿可f 面丽= l r ； ( 或d 1 c = ( x h 3 ) 2 + ( r o 一( h i h 2 ) ) 2 = l + r ；) ( 2 6 ) 联立( 2 5 ) ，( 2 6 ) 两式，可求出h 2 和y ( 或x ) 之值。 图2 6 对活塞销孔心d 的可设计区域作了进一步的分析。以a 1 为直径的圆 表示滑块的几何边界，以a 2 为直径的圆表示在满足力学工艺要求的前提下活塞销 孔实际能取到的外边界，以a 3 为宽度的矩形表示在满足主副曲轴机构不发生运动 干涉的最小间距( 包括力学内边界) 。从上分析可知，活塞销孔心实际的可选设计 区域为阴影部分所示。以阴影部分e k f g 为分析对象，对d 点坐标( x ，y ) 来说， 则 a 3 2 a 2 ，则继续重复计算，直到l q i 一 a 2 ： 3 、计算出右图极限位置时a 0 1 和a 0 2 ： a t ) l = a r c t a n ( y ( n 1 + x ) ) ， a 0 2 = a r c t a n ( ( y m ) ( n 2 - x ) ) ； 计算滑块偏转角a = a r c t a n ( ( y - y ) ( x - x ) ) ；然后令：a 0 1 = a 0 1 + d t ，a 0 2 = a 0 2 + d t ( d r 为角度增量，可自己设定，d t 越小精度越高) ； 4 、重复1 ，2 ，3 步骤直到完成一个行程( 其中第2 步代入的方程组为 ( 2 8 ) 一( 2 1 4 ) ，第3 步不要再算a 0 1 和a 0 2 ) ，然后求出最大滑块偏转角a m a x 。 以上步骤只是为了介绍解此方程组的逼近过程，具体逼近起始点、终点和步 长要根据具体情况设定。 上述步骤求出了滑块销孔在某一尺寸下一个行程内滑块的最大偏转角，然后 我们通过增大或减小e 1 、e 2 、e 3 ，重复上述步骤，求出滑块销孔中心在不同位置 时滑块偏转角的大小，具搜寻步骤如图2 1 4 ( 以上三角为例) ，其中虚线所示为 1 6 搜寻路径。 如图2 1 4 所示，r 为滑块半径，r e 为活塞销孔半径， d 1 为活塞销孔能设 计到滑块几何边界的最近距离，d 2 + 2 r e 为两活塞销孔能设计到的最近距离，如前 所述，d 1 ，d 2 的大小主要由活塞销孔的运动受力和工艺来决定。 图2 1 4 搜寻步骤图 很显然，如果虚线越密，则搜寻的精度越高，但所计算的时间越长。同时为 了模拟实际加工情况，所有的尺寸的偏差大小都是随机产生的，即机构各部件尺 寸为l 十o ，其中。是在公差范围内随机产生的，当取样次数越多，则所计算的偏 转角a 越接近真实值。 1 7 2 4 双连杆双曲轴运动机构分析软件的开发及应用 本文在上述双连杆双曲轴运动机构分析的基础上开发了双连杆双曲轴运动 机构分析软件。 本软件是在w i n d o w s 2 0 0 0 平台下，采用c + + b u i l d e r5 0 编程实现的，界面风 格为w i n d o w s 风格，便于操作。零件数据的输入、用户与系统的交互以及系统设 计结果的反馈，都是通过图形界面完成的。 2 4 1c + + b u ii d e r 的开发环境 c + + b u i l d e r 是b o r l a n d 公司( 即现在的i n p r i s e 公司) 继成功地推出d e l p h i 之后，推出的又个全新的可视化编程工具f 1 7 1 【1 扪，它使用了微软公司的w i n d o w s 图形界面的许多先进特性和设计思想，采用了主流的、可重用的和完整的面向对 象程序设计语言c + + 。 在使用c + + b u i l d e r 时，便置身于它的集成开发环境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ，简称i d e ) 中。i d e 提供所有的设计所需的设计、开发、调试、配 置方面的工具，包括可视化窗口设计器( v i s t u df o r md e s i g n ) ，对象观察器( o b j e c t i n s p e c t o r ) ，组件面板( c o m p o n e n tp a l e t t e ) ，工程管理器( p r o j e c tm a n a g e r ) ，代码 编辑器( s o u r c ec o d ee d i t o r ) 等。可视化窗口设计器为增添各种可视的组件和不 可视的组件提供一个容器，是与用户交互最多的部分。对象观察器用来设置组件 属性及创建事件句柄。组件面板为每一个基于v c l 的应用程序提供构造模块，是 v c l 库的基础。工程管理器用来组织和管理工程中的各个文件。代码编辑器用来 编写、检查源代码。 c + + b u i l d e r 的核心是提供了可视化组件组( v i s u a lc o m p o n e n tl i b r a r y ，即 v c l ) 。v c l 是基于属性( p r o p e r t i e s ) 、方法( m e t h o d s ) 、事件( e v e n t s ) ，即p m e 模型的，其中属性定义组件的数据成员，方法定义操作数据的方法，事件定义与 用户的接口。在c + + b u i l d e r 中可以直接把组件从组件面板拖到窗体f o r m 上，对 它们的属性、方法、事件进行操作，从而提供了一种快速应用程序开发( r a p i d a p p l i c a t i o nd e v e l o p m e n t ，即r a d ) 的方法。v c l 是进行编程时使用的类库，简 单来讲，v c l 是一个设计得很好并且尽可能地使用了继承的框架，在v c l 中很 大一部分是代表组件的一些类，在这些类中包括了对组件的属性、方法和事件的 定义，- - 4 , 部分类用来完成一些比较琐碎的事情。在v c l 中，所有的对象都存在 继承和被继承的关系。图2 1 5 是v c l 中的主要的基类以及由此派生出来的类的 示意图。 图2 1 5v c l 中的主要基类及派生类 在程序开发中，在表单( 如f o r m ) 上新添一个组件时，c + + b u i l d e r 就自动 产生一段代码，从v c l 类中继承一个代表这个组件的类，并同时产生一个指向这 个对象的指针，从而使用户可以在代码中用该指针来访问对象，c + + b u i l d e r 用类 名的名字属性来为指针变量命名。 2 4 2 双连杆双曲轴运动机构分析软件的主界面及其特点 为了模拟仿真机构运转的过程，我们在c + + b u i l d e r5 0 的基础上编程1 1 9 】 开发了双连杆双曲轴运动机构分析软件，其主界面及仿真运动如图2 1 6 所示： 其主要特点有： 主界面仿真运动图 图2 1 6 程序主界面和仿真运动图 1 9 l 、通过输入参数，可快速建立双连杆双曲轴运动机构示意图l 2 、可自选上三角和下三角形式，中心形式可看作是上三角或下三角的一种 特殊形式 各杆件的公差可自行设定； 3 、可实现双连杼双蛆轴运动机构的动态显示和分析数据输出。 2 4 3 双连杆双曲轴运动机构分析软件的具体应用 2 4 3 1 同一机构方案不两杆件钧榻l 可儡差对a i 曲a 的影响 以活塞销孔中心形式，连秆长l = 1 9 5 的设计方案来进行分析。为了分析曲轴 轴心与气缸中心线距离n ，连杆实席尺寸l ，曲轴实琢尺寸融活塞销孔中心与 滑块中心的距离e 的尺寸俯差对馈转角的影响，每一系列计算时只改变一个参数。 在机构右边相应参数公称尺寸加上正偏差o 0 5 ，其它数据均不变。各系列数据变 化具体见表2 2 。 表2 2各杆件系列的数据变化 荔卜趱 n 2r 2l 2e 2 系列19 2 0 5 6 0 1 9 52 1 9 8 5 系列2 9 2 6 0 0 51 9 52 1 5 系列39 26 01 9 5 0 52 1 9 8 5 系列4 9 26 0 1 9 52 2 0 3 5 图2 1 7 同一机构方案不罚秆件的相同偏差对a l p h a 韵影响 t h e t a 为曲轴转角a l p h a 为滑块偏转角度，以活塞上止点( 相应t h e t a 等于 o ) 为计算起点，得如圈2 1 7 曲线( 图2 ，1 8 、图2 ，1 9 、圈2 0 0 、图2 2 1 、圈2 i ： 2 简 此设定) 。 对比分析可知： 1 、如a l p h a - l 曲线所示，连杆长的偏差对a l p h a 的变化影响最为显著； 2 、如a l p h a n 和a l p h a e 曲线所示，曲轴轴心与气缸中心线距离正偏差可以 补偿活塞销孔中心与滑块中心距离的正偏差对a l p h a 的变化影响； 3 、如a l p h a r 曲线所示，曲轴半径偏差对a l p h a 的变化产生周期性的影响。 上三角和下三角形式结构方案不同杆件的相同偏差对a l p h a 的影响与图2 1 7 所示曲线相似，不再一一列出。 2 4 3 2 杆件相同偏差在不同的机构设计方案对a l p h a 的影响 对于上三角，中心，下三角三种不同结构方案，到底哪个方案机构杆件的偏 差对a l p h a 的影响更敏感昵? 下面通过分别改变机构杆件n ，r ，l ，e 的一侧尺 寸来分析，而其它数据不变。这种改变为方便比较，在原实际公称尺寸上统一设 定偏差为0 0 5 ，具体数据设定如表2 3 所示。 表2 3 三种机构方案的具体参数数值变化表 参数 结构方案n rle 系列 系列1上三角 9 2 0 56 0 0 51 9 2 0 52 1 4 0 5 系列2 中心9 2 0 56 0 0 51 9 5 0 52 2 0 3 5 系列3下三角 9 2 0 56 0 0 51 9 9 0 52 1 4 0 5 如分析曲轴轴心与气缸中心线距离n 偏差对a l p h a 的影响，就分别对三种机 构的n 值( 可统一为n 2 ) 加上正偏差o 0 5 ，而其它参数n 1 ，r i ( r 2 ) ，l 1 ( l 2 ) e 1 ( e 2 ) 数据不变，仍如表2 1 所示，通过分析则可获得三种机构相应杆件相同 偏差对a l p h a 的影响。 其它r ，l ，e 对a l p h a 的影响，同样如此分析。 红色，黄色，蓝色曲线分别对应为上三角，中心，下三角结构方案对a l p h a 的影响。 经分析计算后得出结果，列出如下曲线。 2 1 强2 1 8 曲轴轴心与气缸中心线距离偏差n 对a l p h a 的影响 图2 1 9 曲柄半径囊偏差对a l p h a 的影响 图2 2 0 连秆长l 偏差对a l p l m 的影响 图2 2 l 活塞销孔中心与滑块中心距离e 偏差对a l p h a 的影响 通过对比分析圈2 。1 8 图2 2 1 ，可知对于相同的各秆件偏差，下三角形式滑 块结构方案对应的偏转角最小，对机构的稳定最为有利 2 ，4 。3 j3 各轷件麓帆儡差对i p h | 柏影响 以上分析都是根据特定的误差来分析对象对a l p h a 的影响，但实际上各杆件 的误差是随桃分布的。取备秆件麓机误差e r r o r - - o 0 5 ，样条数c o l r n t = i s o ，计算 得如图2 2 2 曲线簇。 圈2 2 2 抒件髓机偏差对滑块偏转韵影响 2 5 双连杆双曲轴运动机构方案的仿真结论 为尽量减小滑块的偏转角度，提高双连杆双曲轴运动机构的运动稳定性能， 通过仿真计算分析，可得出如下结论： 1 、从设计角度来说，在相同的约束条件下，下三角形式滑块结构设计方案 比其它方案能使滑块偏转更小，其方案见图2 1 1 ，其具体参数设计数据见表2 1 ； 2 、从各杆件设计偏差来说，连杆偏差使滑块偏转变化最大，所以应尽量减 小其设计公差范围； 3 、从装配角度来说，根据公差合理对备杆件进行分组，使运动机构各杆件 相对随机偏差范围下降，可使滑块偏转减小；检查机体两曲轴轴颈孔的对称度误 差，注意与滑块活塞销孔与滑块中心距离的误差相应协调，也能促使滑块偏转减 小； 4 、在设计公差范围内，滑块随机的偏转难于超过0 2 0 。 第三章新型内燃机的装配模型 在产品的初步设计阶段，通过贯彻自顶向下的设计思想，建立了部件之间的 几何关联结构和约束关系，经过产品的详细设计阶段之后，运用虚拟样机技术来 实现复杂的大型装配，检验产品的几何结构是否正确，产品之间是否干涉，从而 减少物理样机数量，节约成本。 3 1 装配模型 3 1 1 装配模型的产生背景 目前，虽然基于实体造型的机械c a d 系统的造型功能已经日趋完善，但是 它们大都只支持零件结构的详细设计，对于设计意图、功能要求和装配关系等非 几何信息都无法表达。为了解决这些问题，需要一种描述机械产品内在关联与约 束的方法，使产品设计能够按照自顶向下的设计方法进行。在产品设计时，设计 者能从整机开始，首先确定产品的组成状态以及零部件之间的装配约束关系，然 后把产品的设计约束分解成零部件之间的设计约束，从而能同步对这些零部件进 行设计与修改。另外，根据保存的装配关系信息，可以通过改变设计参数直接产 生新的图纸。 而实现这一目标的关键，首先是建立一个能够描述产品装配关联与约束关系 的数据模型。这时就出现了装配模型的概念。 国外对装配模型皿o 】【2 1 】阎的研究始于七十年代，最早的尝试是l i e b e r m a n 和 w e l s l e y 等人a u t o p a s s 项目研究中作出的，国内在这方面的研究尚处于起步和 探索阶段。 3 1 2 装配模型的定义与特点 从自顶向下设计方法以及并行设计的角度，装配模型定义如下： 产品装配模型是一个支持产品从概念设计到零件设计，并能完整、正确地传 递不同装配体设计参数、装配层次和装配信息的产品模型口3 】畔】【2 5 1 。它是产品设 计过程中数据管理的核心，是产品开发和支持设计灵活变动的强有力工具。 装配模型是一组零件经过一系列的装配操作后生成的具有确定关系的模型， 是对装配体的抽象表达。装配模型应能描述产品中所有零件的空间位置和装配关 系，应能在多个抽象层次( 功能、全局几何信息和实体详细几何信息) 上支持和表 达装配信息。对于“自顶向下”的设计方法，装配模型至关重要。它包括3 个方面 的信息：一是产品功能描述，它是用户对产品的初始要求，也是产品设计的最终 目标，产品的设计过程就是逐步实现功能到零部件实体的不断转变的过程；二是 装配特征信息，它是定义装配体零件之间相互关系的装配特征的集合，表达了装 配体内零部件之间的相互关联信息；三是零件实体信息，它是装配体中各零件、 部件实体信息的总和，如点、线、面、精度等几何信息和材料、颜色等物理特征。 在装配设计阶段，大部分注意力集中在零部件相互关系上，而在零件详细设计阶 段，主要精力则集中在零件的实体信息上。装配体的功能都是通过零部件的相互 关联实现的，所以要得到一个正确的装配体，就必须建立起完整的实体模型和存 在于这些实体之间的相互关系模型。 建立产品装配模型的目的在于建立完整的产品装配信息表达，一方面使系统 对产品设计能进行全面支持；另一方面它可以为新型c a d 系统中的装配自动化 和装配工艺规划提供信息源，并对设计进行分析和评价。 产品装配模型具有以下特征： 1 、能完整地表达产品装配信息。产品装配模型不仅描述了零、部件本身的 信息，而且还描述了零、部件之间的装配关系及拓扑结构： 2 、可以支持并行设计。装配模型不但完整地表达了产品的信息，而且还描 述了产品设计参数的继承关系和其变化约束机制，这样保证了设计参数的致性， 从而支持产品的并行设计； 3 、满足快速多变的市场需求。当产品需求发生变化时，通过装配模型可以 方便地修改产品的设计以适应新的产品需求； 4 、具有一定的独立性。产品装配模型本身既独立于现有的c a d 系统，又支 持现有的c a d 系统。 3 1 3 装配模型的应用 对装配模型的应用主要体现在产品设计过程、装配过程控制和装配仿真三个 方面 2 6 1 2 7 11 2 8 1 。 1 、以设计为中心的装配模型应用 ( 1 ) 面向装舀已设计( d f a ：d e s i g nf o ra s s e m b l y )产品研制过程是一项复 杂的跨学科、跨部门的系统工程，需要在产品研制初期即设计阶段进行总体的协 调，主要是对产品协同工作进程的可行性与合理性分析，并且进行产品主体结构 物理装配方案评价。传统的设计过程与装配过程严重脱节，需要采用面向装配设 计方法，即在设计初期把产品设计过程与制造装配过程有机结合，从设计的角度 来保证产品的可装配性。引入面向产品装配过程的设计思想，能在产品研制初期 使设计部门与制造部门之间更有效地协同工作。 ( 2 ) 并行产品设计( c p d ：c o r r e n tp r o d u c t i o nd e s i g n )基于并行产品设计的 装配技术支持自顶向下的设计方法，通过自顶向下的并行产品设计可以分层次地 建立统一的产品模型。在并行设计中要求将下游环节，如加工工艺、装配、检测、 质量等，作为设计环节的约束条件，以避免或减少产品开发进行到晚期才发现错 误，再返回到设计初期进行修改，延长产品的开发周期。 2 、以过程控制为中心的装配模型应用 ( 1 ) 总体设计阶段总体设计阶段是产品研制的初期阶段，在此阶段进行产 品初步的总体布局，主要包括：建立主模型( m a s t e r m o d e l ) 空间；进行产品初 步的结构、系统总体布局。 ( 2 ) 装配设计阶段装配设计阶段为产品研制的主要阶段，在此阶段产品三 维实体模型设计已经基本完成，主要包括：产品模型空间分配( 装配区域、装配 层次的划分) ；具体模型定义( 建立几何约束关系、三维实体模型等) ：应力控 制。 ( 3 ) 详细设计阶段详细设计阶段为产品研制的完善阶段，在此阶段完成产 品三维实体模型的最终设计，主要包括：完成产品三维实体模型的最终设计，进 行产品模型的计算机装配，进行全机干涉检查。 3 、以仿真为中心的装配模型应用 ( 1 ) 优化装配过程目的是使产品能适应当地具体情况，合理划分成装配 单元，使装配单元能并行地进行装配。 ( 2 ) 可装配性评价主要是评价产品装配的相对难易程度，计算装配费用， 并以此决定产品设计是否需要修改。 3 2 装配关系及其表达 3 2 1 装配关系的分类 装配关系2 9 】【3 0 1 是产品装配模型的核心，装配关系的描述与确定建立在装配特 征的基础上。装配关系是由特定的装配特征决定的，它体现和维护了产品_ 的功能， 反映了零件之间的相互约束。产品零部件之间的装配关系描述如图3 1 所示。 图3 1装配模型的装配关系 l 、位置关系描述产品中两个零部件几何元素之间的相互关系，如重合、 对齐等； 2 、联接关系描述产品零部件几何元素之间的直接联接关系，如螺钉联接、 键联