高速大功率车用柴油机气缸盖CAD系统的研究与开发.pdf

第 24卷 第 1期2 0 0 3 年 2 月 兵 工 学 报 24 1 2003高 速 大 功 率 车 用 柴 油 机 气 缸 盖 统 的 研 究 与 开 发邹 渊 廖 日 东 左 正 兴 王 文 清(北 京 理 工 大 学 车 辆 与 交 通 工 程 学 院 ,北 京 ,100081)摘 要 气 缸 盖 是 发 动 机 中 最 大 、 最 复 杂 的 零 部 件 之 一 。 结 构 的 复 杂 性 使 得 在 气 缸 盖 设 计 中 应 用 术 受 到 很 大 限 制 。 目 前 ,气 缸 盖 统 的 开 发 在 国 内 仍 属 空 白 。 本 文 以 10为 开 发 平 台 ,充 分 挖 掘 能 ,综 合 应 用 参 数 化 特 征 建 模 技 术 、 面 向 对 象 技 术 和 数 据 库 技 术 ,开发 了 “ 高 速 大 功 率 车 用 柴 油 机 气 缸 盖 统 ” (实 际 上 是 一 个 三 维 建 模 、 二 维 绘 图 及 有 限 元 结 构 分 析 、优 化 的 集 成 系 统 ) ,建 立 高 速 大 功 率 车 用 柴 油 机 气 缸 盖 的 现 代 设 计 软 环 境 。关 键 词 机 械 设 计 ; 气 缸 盖 ; 统 ; 面 向 对 象 技 术中 图 分 类 号 0. 311 系 统 研 究 开 发 的 目 标 及 内 容1. 1 系 统 研 究 开 发 的 目 标“ 高 速 大 功 率 车 用 柴 油 机 气 缸 盖 统 ” (以下 简 称 该 气 缸 盖 统 )的 目 标 是 研 制 一 套 利 用现 代 设 计 分 析 方 法 进 行 辅 助 建 模 和 分 析 的 软 件 系统 ,应 用 于 该 气 缸 盖 零 部 件 设 计 的 全 过 程 ,从 而 缩 短设 计 周 期 ,提 高 一 次 设 计 成 功 率 ,为 其 改 型 及 研 制 提供 一 个 先 进 、 实 用 的 辅 助 工 具 。具 体 技 术 指 标 包 括 实 现 该 气 缸 盖 的 计 算 机 辅 助建 模 (气 缸 盖 组 的 参 数 化 三 维 造 型 和 空 间 装 配 以 及零 件 、 装 配 体 的 二 维 工 程 绘 图 ) ;实 现 其 气 缸 盖 的 计算 机 辅 助 分 析 ;实 现 其 气 缸 盖 的 计 算 机 辅 助 结 构 优化 ;系 统 中 所 有 技 术 手 段 能 够 应 用 于 现 有 发 动 机 气缸 盖 的 改 型 及 更 先 进 发 动 机 气 缸 盖 的 研 制 。1. 2 系 统 研 究 与 开 发 内 容气 缸 盖 设 计 方 案 的 基 本 尺 寸 和 形 式 由 发 动 机 总体 设 计 决 定 ,包 括 燃 烧 室 的 形 式 及 尺 寸 ,缸 心 距 ,气门 导 管 孔 的 位 置 、 个 数 及 尺 寸 ,喷 油 嘴 孔 的 位 置 及 尺寸 ,气 道 内 壁 的 结 构 形 状 及 尺 寸 ,丝 对 孔 的 位 置 、 个数 及 尺 寸 ,配 气 机 构 形 式 以 及 与 箱 体 匹 配 的 结 构 形状 及 总 体 尺 寸 等 。 气 缸 盖 统 应 能 按 照 这 些给 定 的 基 本 内 容 完 成 气 缸 盖 的 详 细 设 计 以 及 设 计 过2001 年 6 月 收 稿 ,2002 年 10 月 定 稿 。程 中 的 有 关 分 析 计 算 ,并 最 终 给 出 气 缸 盖 设 计 方 案的 全 部 工 程 图 。 结 合 内 燃 机 零 部 件 现 代 设 计 环 境 的要 求 ,气 缸 盖 统 的 研 究 内 容 大 体 包 括 下 列 诸方 面 。(1) 气 缸 盖 初 始 设 计 方 案 的 评 价气 缸 盖 的 基 本 尺 寸 和 结 构 形 式 由 发 动 机 总 体 设计 确 定 后 ,设 计 人 员 即 可 根 据 有 关 设 计 理 论 及 经 验进 行 气 缸 盖 的 初 始 方 案 设 计 ,进 一 步 确 定 气 缸 盖 的结 构 形 式 、 冷 却 水 孔 的 数 目 及 分 布 、 冷 却 水 道 的 基 本形 状 以 及 各 主 要 结 构 的 尺 寸 。(2) 气 缸 盖 的 变 结 构 参 数 化 设 计对 一 定 结 构 形 式 的 气 缸 盖 ,当 总 体 参 数 改 变 时 ,其 各 个 部 分 也 要 相 应 地 变 化 ,因 此 在 气 缸 盖 建 模 过程 中 考 虑 该 结 构 形 式 中 各 项 参 数 之 间 的 相 互 关 系 ,对 各 尺 寸 以 变 量 形 式 管 理 ,即 实 现 参 数 化 设 计 (或 称尺 寸 驱 动 ) 。 由 程 序 按 照 尺 寸 链 和 逻 辑 关 系 自 动 进行 改 变 尺 寸 后 的 模 型 修 改 。(3) 有 限 元 模 型 的 建 立气 缸 盖 统 采 用 先 进 的 有 限 元 建 模 技 术 ,对 特 征 库 中 已 有 结 构 形 式 的 气 缸 盖 实 现 有 限 元 模 型的 自 动 建 立 。(4) 结 构 分 析建 立 了 气 缸 盖 的 结 构 分 析 模 型 后 ,可 由 程 序 自 1994 ,其 内 容 包 括 基 于 机 械 负 荷 的 应 力场 分 析 、 基 于 热 负 荷 的 温 度 场 及 应 力 场 分 析 、 基 于 综合 负 荷 条 件 的 应 力 场 分 析 、 气 缸 盖 冷 却 水 的 流 动 分析 、 整 体 气 缸 盖 模 型 的 模 态 分 析 及 动 力 响 应 分 析 等 。(5) 结 构 优 化 设 计 及 优 化 模 型 的 建 立根 据 结 构 分 析 的 结 果 ,设 计 人 员 可 对 设 计 方 案进 行 优 选 。 此 外 还 可 以 利 用 气 缸 盖 统 提 供的 功 能 进 行 结 构 优 化 设 计 。(6) 结 构 分 析 与 结 构 优 化 的 后 处 理结 构 分 析 后 处 理 的 内 容 包 括 结 构 变 形 图 、 应 力分 布 图 、 变 形 的 动 态 过 程 和 生 成 结 果 数 据 文 件 。(7) 气 缸 盖 组 附 属 零 件 的 参 数 化 设 计包 括 气 缸 垫 、 配 气 凸 轮 轴 承 、 气 门 、 气 门 室 罩 等的 建 模 也 都 全 部 采 用 基 于 特 征 的 参 数 化 设 计 方 法 。由 于 这 些 零 件 几 何 结 构 相 对 简 单 ,对 每 个 零 件 只 建立 单 层 次 的 参 数 化 整 体 模 型 库 。 零 件 的 任 意 尺 寸 可以 改 变 ,并 按 尺 寸 链 对 本 零 件 的 各 尺 寸 变 量 实 现 联动 。(8) 气 缸 盖 组 的 空 间 装 配气 缸 盖 统 可 以 对 气 缸 盖 本 体 以 及 气 缸盖 组 的 附 件 进 行 空 间 装 配 , 装 配 过 程 根 据 零 件 的 尺寸 参 数 和 零 件 之 间 的 定 位 参 数 自 动 进 行 。(9) 二 维 工 程 绘 图根 据 参 数 化 三 维 设 计 的 结 果 ,自 动 将 其 转 换 为二 维 工 程 图 。(10) 建 立 相 应 的 工 程 数 据 库主 要 包 括 气 缸 盖 结 构 方 案 库 、 功 能 子 结 构 (特征 )库 、 结 构 参 数 库 、 工 程 图 库 、 材 料 库 、 试 验 数 据 库 、经 验 / 规 则 / 标 准 库 等 。(11) 气 缸 盖 统 各 部 分 的 调 用 和 界 面 管理气 缸 盖 统 以 面 向 对 象 的 可 视 化 技 术 为基 础 ,采 用 C + 510 作 为 主 要 开 发 语 言 ,具 有人 机 界 面 友 好 、 代 码 效 率 高 、 运 行 速 度 快 、 可 移 植 性强 等 特 点 。2 技 术 方 案 及 实 现 途 径2. 1 系 统 结 构气 缸 盖 统 包 括 气 缸 盖 结 构 方 案 设 计 、 气缸 盖 参 数 化 设 计 、 附 件 设 计 、 气 缸 盖 组 装 配 及 干 涉 检查 、 零 件 / 装 配 体 二 维 工 程 图 的 绘 制 、 气 缸 盖 有 限 元结 构 分 析 、 结 构 优 化 设 计 、 疲 劳 寿 命 预 估 以 及 相 关 的工 程 数 据 库 等 九 大 模 块 。 气 缸 盖 统 的 模 块结 构 如 图 2. 1 所 示 。图 2. 1 气 缸 盖 统 结 构 图2. 1 of AD of a . C. 2 系 统 设 计 中 的 关 键 问 题 及 解 决 方 案2. 2. 1 参 数 化 模 型 库 的 建 立气 缸 盖 统 的 设 计 思 路 是 以 气 缸 盖 零 件的 尺 寸 为 主 线 ,由 零 件 的 结 构 形 式 和 尺 寸 变 量 控 制三 维 实 体 模 型 、 有 限 元 分 析 模 型 、 结 构 优 化 模 型 、 空间 装 配 位 置 、 二 维 绘 图 参 数 及 图 面 布 置 。 程 序 中 的各 部 分 实 现 参 数 化 建 模 ,对 于 不 同 的 几 何 结 构 层 次完 全 实 现 特 征 描 述 。 气 缸 盖 统 中 重 点 是 确定 各 种 结 构 形 式 气 缸 盖 中 数 以 千 计 的 结 构 尺 寸 参 数之 间 的 关 系 。 这 些 参 数 最 终 只 有 数 目 较 少 的 一 些 自由 变 量 ,且 这 些 自 由 变 量 能 够 恰 好 反 映 气 缸 盖 设 计中 的 尺 寸 。(1)系 列 化 基 础 上 的 基 于 功 能 分 解 的 参 数 化 特征 建 模 技 术参 数 化 特 征 建 模 技 术 是 气 缸 盖 统 的 核心 技 术 之 一 1 。 气 缸 盖 组 零 件 的 三 维 建 模 、 气 缸 盖组 的 空 间 装 配 、 气 缸 盖 组 零 件 的 二 维 工 程 绘 图 、 气 缸盖 的 结 构 分 析 和 优 化 均 以 该 技 术 作 为 基 础 。 利 用 基于 功 能 分 解 的 特 征 建 模 技 术 2 ,可 以 快 速 地 建 立 各个 层 次 的 气 缸 盖 特 征 模 型 (即 功 能 子 结 构 ) 。 针 对 不同 类 型 的 气 缸 盖 ,采 用 基 于 系 列 化 基 础 上 的 参 数 化技 术 3 ,降 低 了 结 构 参 数 化 的 难 度 。(2) 气 缸 盖 组 零 件 的 功 能 子 结 构 描 述气 缸 盖 统 以 功 能 子 结 构 描 述 为 建 模 手段 。 系 统 建 立 具 有 各 种 零 件 的 整 体 模 型 库 和 具 有 气缸 盖 局 部 特 征 的 功 能 子 结 构 / 特 征 模 型 库 。 其 中 整体 库 包 含 气 缸 盖 零 件 本 体 及 气 缸 盖 部 件 组 的 所 有 零件 ,全 部 为 参 数 可 变 的 零 件 整 体 模 型 。 功 能 子 结 构库 包 含 气 缸 盖 的 所 有 局 部 模 型 ,如 单 缸 子 结 构 、 气 道子 结 构 等 。11第 1 期 高 速 大 功 率 车 用 柴 油 机 气 缸 盖 统 的 研 究 与 开 发 1994 。 气 缸 盖 的整 体 模 型 可 以 视 为 其 最 大 的 功 能 子 结 构 ,而 整 体 模型 包 含 单 缸 子 结 构 ,单 缸 子 结 构 包 含 顶 板 子 结 构 ,顶板 子 结 构 包 含 丝 对 孔 子 结 构 等 等 。 将 这 些 功 能 子 结构 分 别 按 照 不 同 层 次 存 储 到 功 能 子 结 构 / 特 征 库 中 ,同 时 对 其 中 的 所 有 变 量 都 实 现 参 数 化 。(3) 系 列 化 基 础 上 气 缸 盖 组 的 参 数 化 设 计参 数 化 设 计 是 一 种 解 决 设 计 约 束 问 题 的 数 学 方法 。 它 是 在 结 构 形 状 比 较 定 型 时 ,用 一 组 参 数 来 约定 尺 寸 之 间 的 关 系 ,然 后 通 过 尺 寸 驱 动 达 到 改 变 结构 形 状 的 目 的 1 。 气 缸 盖 组 的 参 数 化 设 计 是 以 特征 建 模 为 基 础 的 ,即 存 入 功 能 子 结 构 / 特 征 库 中 的 每一 种 特 征 都 由 一 组 唯 一 决 定 该 特 征 的 参 数 集 描 述 。决 定 特 征 形 状 的 称 为 形 状 参 数 ,决 定 特 征 位 置 、 方 向的 称 为 定 位 参 数 ,决 定 特 征 中 子 特 征 个 数 的 称 为 数量 参 数 。 另 外 ,特 征 参 数 还 可 分 为 两 类 :一 类 是 设 计者 输 入 的 参 数 ;一 类 是 上 级 特 征 遗 传 的 参 数 。 前 者由 设 计 者 按 要 求 交 互 输 入 ,受 约 束 方 程 的 约 束 ,是 约束 方 程 中 的 变 量 ;后 者 则 是 从 特 征 依 附 的 上 级 特 征继 承 下 来 的 ,它 实 际 上 约 束 方 程 中 的 已 知 量 。 特 征的 种 类 和 应 用 环 境 决 定 了 其 尺 寸 是 否 具 有 继 承 性 。2. 2. 2 实 现 和 交 互(1) 开 放 机 制 (2 件 提 供 放 机 制 (简 称。 一 个 灵 活 、 开 放 的 结 构 工 具 软 件 包 ,它 选用 范 作 为 实 现 机 制 。 范 是 实 现 分 布式 对 象 管 理 应 用 的 标 准 ,它 对 分 布 对 象 管 理 提 供 了一 个 广 泛 一 致 的 模 型 。 相 对 于 本 以 前 提 供 的 开 放 环 境 ,如 , 有 下 列 优 势 4 :可 以 采 用 面 向 对象 的 方 法 ,使 系 统 开 发 得 益 于 面 向 对 象 的 分 析 、 设 计和 开 发 ;基 于 产 品 可 以 在 任 何 选 择 第 三 方 产品 平 台 上 使 用 ( 一 种 基 于 向 市 场 的 产 品 ,很 多 平 台 都 支 持 它 ,如 T 等 ) ,脱 离 司 的限 制 ; 持 多 种 编 程 语 言 。 够 把 用 户 及 第 三 方 软 件 同 成 。 外 部 程 序 通 过 以 发 送 命令 给 也 能 够 接 收 来 自 件 的 结 果与 信 息 。 因 此 , 件 是 互 为客 户 与 服 务 器 ( 关 系 ,见 图 2. 2。 提 供 面 向 对 象 的 的 类 库 ,在 C + 程 序 中 可 以 调 用 类 库 ,实 现 与 件 通 讯与 交 互 。 例 如 :用 户 创 建 对 象 的 父 类 是 ,其 下 有 继 承 父 特 性 的 子 类 。图 2. 2 模 型2. 2 of 2)使 用 C + 实 现 与 互采 用 面 向 对 象 技 术 ,把 实 现 功 能封 装 成 ,在 h 中 有 该 类 的 说明 , 为 该 类 的 具 体 实 现 。 在 程 序 中只 需 申 明 一 个 类 对 象 ,便 可 使 用 其 成 员函 数 进 行 各 种 操 作 。 该 类 申 明 如 下 : 封 装 务 器 ;) ; 初 始 化 d () ;/ / 得 到 零 件 的 ; ; 得 到 零 件 中 名 称 为 某 一 个 尺 寸指 针 ; 得 到 针 的 尺 寸 值 ; 修 改 指定 零 件 中 指 定 尺 寸 的 值 ;i) ; 得 到 零 件 指 针 ; 删 除 零件 ; ; 得 到 零 件 拷 贝 ; 1024 ) ; 向 送 命 令 串 ; 把 装 配 从 模 型 库 中 拿 到 图 形 区 ;n (; 把 零 件21 兵 工 学 报 第 24 卷 1994 ; ) ; 把 装 配 从 图 形 区 放 回 模 型库 ; ; 把零 件 从 图 形 区 放 回 模 型 库 ;i) ; 得 到 装配 指 针 ; 得 到 零 件 体 积 ; 得 到 零 件 属 性 ; 1024 ) ; 发 送 消 息 ;) ; 使 图 标 区 变 的 不 敏 感 ;2. 2. 3 数 据 管 理 的 实 现(1) 数 据 分 析气 缸 盖 统 中 包 括 三 类 数 据 。 一 是 零 部件 三 维 模 型 数 据 ,该 数 据 利 用 件 提 供 的 存储 管 理 机 制 ,以 项 目 ( 组 织 对 象 ,存 储 在 模型 文 件 (、 目 录 ( 库 (三种 存 储 机 制 中 。 其 中 ,模 型 文 件 用 于 保 存 工 作 平 台上 的 设 计 环 境 和 三 维 图 形 信 息 。 目 录 和 库 用 于 存 储实 体 模 型 ,并 包 括 一 个 参 数 表 ,表 中 记 录 该 模 型 的 参数 值 。 该 数 据 结 构 全 部 由 织 管 理 。 二 是气 缸 盖 设 计 中 常 用 的 参 考 数 据 ,包 括 方 案 设 计 、 功 能子 结 构 、 结 构 参 数 、 工 程 图 、 材 料 、 实 验 数 据 和 经 验 规则 等 数 据 。 三 是 用 户 数 据 ,用 来 存 储 用 户 设 计 的 气缸 盖 项 目 。(2) 数 据 管 理 实 现气 缸 盖 统 综 合 应 用 件 提 供的 存 储 管 理 机 制 和 数 据 库 技 术 来 实 现 数 据 管 理 。 针对 气 缸 盖 零 部 件 建 立 了 参 数 化 的 三 维 模 板 库 ,把 各零 件 模 板 按 类 集 中 在 不 同 的 目 录 中 ,以 便 被 用 。 对 于 气 缸 盖 设 计 常 用 的 工 程 数 据 建 立工 程 数 据 库 ,利 用 关 系 型 数 据 库 技 术 ,用 若 干 个 表 来管 理 各 种 工 程 数 据 。 每 个 表 依 据 其 面 向 的 对 象 命名 ,表 的 各 栏 也 依 据 要 存 储 的 数 据 命 名 ,每 一 行 表 示表 中 的 一 组 值 ,也 是 表 对 象 的 一 个 记 录 。 表 中 的 每一 行 必 须 能 唯 一 标 识 ,定 义 一 个 或 多 个 栏 为 基 本 关键 字 ,以 便 查 找 。 对 用 户 数 据 建 立 用 户 数 据 库 ,采 用方 法 同 上 。 工 程 数 据 库 和 用 户 数 据 库 都 被 集 成 到 程序 中 ,并 且 支 持 数 据 的 查 询 、 删 除 、 修 改 等 常 见 操 作 。例 如 :在 用 户 数 据 库 中 ,为 气 缸 盖 组 的 零 部 件 建立 对 应 的 表 ,表 以 零 部 件 的 名 字 命 名 ,表 中 的 关 键 字定 义 为 零 部 件 的 设 计 名 称 ,其 它 则 定 义 为 参 数 化 尺寸 。 用 户 设 计 结 果 可 以 存 储 在 此 数 据 库 中 ,支 持 一般 数 据 库 操 作 。 该 数 据 库 结 构 见 图 2. 3。图 2. 3 用 户 数 据 库 结 构2. 3 of s 2. 4 气 缸 盖 统 的 实 现本 系 统 在 T 环 境 下 ,以 为 支 撑 软 件 ,采 用 面 向 对 象 语 言 + 5. 0 为工 具 开 发