基于UG的內(nèi)燃機(jī)活塞機(jī)構(gòu)虛擬裝配和運動仿真 (1)

1、L001L002L003L004圖1內(nèi)燃機(jī)原理圖基于UG 的內(nèi)燃機(jī)活塞機(jī)構(gòu)虛擬裝配和運動仿真熊娟1,覃欣2(1.四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,四川成都610071,2.中國測試技術(shù)研究院,四川成都610021摘要:為改變二維設(shè)計的不足和適應(yīng)現(xiàn)代化的需要,借助UG 強(qiáng)大的建模和裝配技術(shù),分析了內(nèi)燃機(jī)活塞機(jī)構(gòu)中各構(gòu)件的三維建模過程及構(gòu)件之間的虛擬裝配過程;通過UG 的仿真技術(shù),對內(nèi)燃機(jī)活塞機(jī)構(gòu)設(shè)計過程中的連桿創(chuàng)建、運動創(chuàng)建、驅(qū)動定義等環(huán)節(jié)進(jìn)行了分析。實踐證明,利用UG 進(jìn)行虛擬裝配和運動仿真,可以縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期,提高生產(chǎn)效率。文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1674-5124(200906-0038-04Vi

2、rtual assembly and movement emulation for piston mechanism of internalcombustion engines based on UGXIONG Juan 1,QIN Xin 2(1.Sichuan Technical College of Electric Engineering ,Chengdu 610071,China ;2.National Institute of Measurement and Testing Technology ,Chengdu 610021,China Abstract:In order to

3、conquer the shortage of two-dimensional design and adapt to the needs of modernization ,combining with the strong function of modeling and assembly technology of modern CAD software UG ,the authors analyzed the detailed modeling process of piston mechanism in internal combustion engine and introduce

4、d the virtual assembly process of all components.Based on the simulation function of UG ,it was analyzed for the movements of all components in piston mechanism.Finally ,the CAD software UG shows its strong advantage of mechanical design with flexibility and low cost.Key words:Internal combustion en

5、gine ;Piston mechanism ;UG software ;Virtual assembly ;Modeling ;Movement emulation收稿日期:2009-05-01;收到修改稿日期:2009-07-22作者簡介:熊娟(1964-,女,四川廣安市人,副教授,主要研究方向為現(xiàn)代制造技術(shù)。1引言隨著計算機(jī)輔助技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的以AutoCAD 技術(shù)為代表的二維設(shè)計越來越不能滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)計的需要,取而代之的是近年來發(fā)展起來的新型虛擬技術(shù)。這些技術(shù)對應(yīng)的應(yīng)用軟件系統(tǒng)有很多,已應(yīng)用于不同的企業(yè)、研究所和學(xué)校。UG 是一種功能非常強(qiáng)大的CAD/CAE/CAM 系統(tǒng)。它

6、包括從零件的實體建模、曲面造型、虛擬裝配到產(chǎn)生工程圖等,而在這些設(shè)計過程中,可以進(jìn)行物性分析、機(jī)構(gòu)運動分析、動力學(xué)分析和仿真模擬等來提高產(chǎn)品設(shè)計的可靠性和縮短設(shè)計研發(fā)周期。以內(nèi)燃機(jī)的活塞傳動機(jī)構(gòu)模型為例來說明UG 的虛擬裝配和運動仿真設(shè)計過程。2內(nèi)燃機(jī)活塞機(jī)構(gòu)的虛擬裝配內(nèi)燃機(jī)的工作原理如圖1。工作時,內(nèi)燃機(jī)將燃料與空氣的混合物引入到氣缸L004內(nèi),在氣缸里壓縮燃燒,產(chǎn)生高溫高壓,氣缸急劇膨脹,推動活塞L003移動,通過L002將運動傳給L001,從而將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能輸出。先用UG 建一個機(jī)構(gòu)模型,然后對模型的運動進(jìn)行仿真。機(jī)構(gòu)模型是由多個構(gòu)件組裝而成。因此,虛擬裝配前先建立構(gòu)件模型。此例主

7、要是對曲柄L001、連桿L002、活塞及活塞銷L003三個構(gòu)件建模。第35卷第6期2009年11月中國測試CHINA MEASUREMENT &TEST Vol.35No.6November ,2009第35卷第6期曲柄L001的建模。首先在草圖界面畫多個曲線輪廓(包括凸輪輪廓、圓,每個軸線輪廓要在不同的工作層里,然后完成草圖,進(jìn)入建設(shè)模界面,點擊“拉伸”,分別選擇曲線,輸入拉伸起始值和終了值,選擇“OK”完成圖2中的L001的建模,保存。連桿L002的建模、活塞及活塞銷L003的建模方法與曲軸的建模基本相同,只是在繪制草圖時的輪廓不同。最終零件模型如圖2中的L002和L003。將上述

8、構(gòu)件進(jìn)行裝配,具體裝配步驟如下:(1基礎(chǔ)構(gòu)件曲軸(L001的引入。打開UG界面,新建文件進(jìn)入主界面,單擊“Application”,點擊“Assembly”,進(jìn)入“Assembly(裝配”環(huán)境,點擊“Component”,選“Add Existing”,點擊“Select Part (選擇零件”,選擇剛才建好的L001作為基礎(chǔ)構(gòu)件加入裝配,在定位對話框中輸入定位坐標(biāo)或點擊要裝配的位置,單擊“OK”,完成基礎(chǔ)構(gòu)件的引入。(2組件連桿(L002的裝配。在“Assembly(裝配”模塊下單擊“Component”,選擇“Add Existing”,再點擊“Select Part(選擇零件”,選擇剛才

9、建好的L002作為第二個構(gòu)件加入裝配,在定位對話框中輸入定位坐標(biāo)或點擊要裝配的位置,通過“Face(面對面”、“Mating(配對”、“Align(對齊”“Parallel(平行”等匹配條件,移動構(gòu)件L002,完成與L001的裝配。(3組件連桿(L003的裝配。在“Assembly(裝配”模塊下單擊“Component”,選擇“Add Existing”,再點擊“Select Part(選擇零件”,選擇剛才建好的L003作為第三個構(gòu)件加入裝配,在定位對話框中輸入定位坐標(biāo)或點擊要裝配的位置,通過“Face(面對面”、“Mating(配對”、“Align(對齊”“Paraellel(平行”等匹配條

10、件,移動構(gòu)件L003,完成與L002的裝配,保存。裝配結(jié)果模型如圖2。3機(jī)構(gòu)的運動仿真UG的運動分析模塊(Scenario For Motion是CAE應(yīng)用軟件,用于建立運動機(jī)構(gòu)模型和分析運動規(guī)律,即在屏幕上模擬機(jī)構(gòu)的運動過程,檢測所設(shè)計的機(jī)構(gòu)的運動軌跡是否有干涉,并通過解算器計算機(jī)構(gòu)的加載運動是否正確,用Interference檢查機(jī)構(gòu)的運動干涉,用激活選項設(shè)定以高亮點來顯示干涉部位,使分析結(jié)果一目了然,從而通過修改得出合理的滿足要求的機(jī)構(gòu)。UG的運動分析設(shè)計一般有三個步驟:創(chuàng)建連桿。在UG中,連桿代表運動機(jī)構(gòu)中的一個構(gòu)件,機(jī)構(gòu)中的一個構(gòu)件在平面內(nèi)有三個自由度,一個構(gòu)件在空間有6個自由度。創(chuàng)

11、建運動副。運動副是兩構(gòu)件之間的一種聯(lián)接,且能保持相對運動,是用來產(chǎn)生約束的,也就是限制創(chuàng)建的構(gòu)件的運動副。定義運動驅(qū)動?？梢岳斫鉃轵?qū)動機(jī)構(gòu)的動力。任何機(jī)構(gòu)中,有且只有一個機(jī)架(固定構(gòu)件,還必須有原動件、從動件。故要對機(jī)構(gòu)定義驅(qū)動。首先要啟動運動分析模塊。單擊“Application”,點擊“Motion”,進(jìn)入運動分析環(huán)境。在分析方案導(dǎo)航器(Scenario Navigator對話框中,單擊右鍵,創(chuàng)建新的分析方案,彈出“Motion Joint Wizard”對話框,選擇“Cancel”。其次要進(jìn)行運動預(yù)設(shè)置。單擊“Preferences”,選擇“Motion”,彈出“Motion Prefe

12、rences”對話框,在“Angular Units”列表中選擇“Degrees”。單擊“Gravitational Constant”,彈出“Global Gravitational Constant”對話框,設(shè)置參數(shù)x=0、y=0、z=9810,單擊“OK”。首先將所有的消隱線設(shè)為可見。連桿L001(曲軸的定義。單擊“Insert”,點擊“Link”,彈出“Link”對話框,自動激活(選擇連桿幾何體工具,選擇圖2中的L001曲柄作為定義連桿的幾何體,接受默認(rèn)方向為矢量方向,單擊“OK”。自動激活(定義初始位移工具,選擇曲柄頂端的圓邊界,接受默認(rèn)方向作為矢量方向。單擊“Link”對話框中“O

13、K”,自動激活(定義初始旋轉(zhuǎn)速度工具,單擊“Link”對話框中“Vector Method”下拉列表框熊娟等:基于UG 的內(nèi)燃機(jī)活塞機(jī)構(gòu)虛擬裝配和運動仿真392009年11月中國測試中選擇“XC”坐標(biāo)軸。接受默認(rèn)的名稱L001,單擊“OK”。完成連桿L001的定義。連桿L002(連桿的定義。單擊“Insert”,點擊“Link”,彈出“Link”對話框,自動激活(選擇連桿幾何體工具,選擇圖2中的L002的連桿和連桿頭作為定義連桿的幾何體,接受默認(rèn)方向為矢量方向,單擊“OK”。自動激活(定義初始位移工具,選擇連桿大端的圓弧邊界,接受默認(rèn)方向作為矢量方向。單擊“Link”對話框中“OK”,自動激活

14、(定義初始旋轉(zhuǎn)速度工具,選擇連桿大端的圓弧邊界,接受默認(rèn)方向作為矢量方向。接受默認(rèn)的名稱L002,單擊“OK”。完成連桿L002的定義。創(chuàng)建曲軸與機(jī)架的固定旋轉(zhuǎn)副J001。單擊“Insert”,選擇“Joint(運動副”,選擇曲軸右端圓邊線為第一連桿定義運動副位置,自動識別運動副原點位置和方向,選中曲軸右端面上的圓心,單擊“OK”。自動激活第二連桿工具。在“Joint(運動副”對話框中,單擊“Motin Driver”組合框,選擇“Articulation (關(guān)節(jié)運動仿真”,單擊“OK”,創(chuàng)建了旋轉(zhuǎn)副J001。代表有運動驅(qū)動的固定旋轉(zhuǎn)副圖標(biāo)出現(xiàn)在曲軸右端圖形中心,提示信息“Gruebler”數(shù)

15、為12。創(chuàng)建連桿與曲軸的萬向節(jié)運動副J002。單擊“Insert”,選擇“Joint(運動副”,彈出“Joint(運動副”對話框,選擇萬向節(jié)工具,選擇連桿頭圓柱面右端半圓弧邊緣線為第一連桿定義運動副位置,自動激活第一連桿方向工具,在“Filter”列表中選擇“Vector”,單擊矢量方向下拉列表,選擇“ZC”方向。單擊“OK”,自動激活第二連桿工具,選擇曲軸作為第二連。自動激活第二連桿方向工具,在“Joint (運動副”對話框中單擊矢量方向下拉列表,選擇“-ZC”方向。單擊“OK”,創(chuàng)建了萬向節(jié)運動副J002。萬向節(jié)運動副圖標(biāo)出現(xiàn)在連桿頭圓柱面右端面半圓弧的圓心線上,提示信息“Gruebler

16、”數(shù)為8。創(chuàng)建連桿與活塞間的球面運動副J003。單擊“Insert”,選擇“Joint(運動副”,彈出“Joint(運動副”對話框,選擇球面副工具,選擇活塞右端圓邊緣線為第一連桿定義運動副位置,出現(xiàn)運動副的坐標(biāo)系圖標(biāo)。自動激活第一連桿方向工具,接受默認(rèn)原點(活塞面端面圓心和方向,單擊“OK”。自動激活第二連桿工具,選擇連桿作為第二連,單擊“OK”,創(chuàng)建了球面運動副J003。球面運動副圖標(biāo)出現(xiàn)在活塞右端面圓心上,提示信息“Gruebler”數(shù)為5。創(chuàng)建活塞與機(jī)架(缸體L004間的移動副J004。單擊“Insert”,選擇“Joint(運動副”,彈出“Joint(運動副”對話框,選擇移動副工具,選

17、擇活塞上端圓邊緣線為第一連桿定義運動副位置,出現(xiàn)運動副的坐標(biāo)系圖標(biāo)。自動激活第一連桿方向工具,接受默認(rèn)原點(活塞面上端面圓心和方向,單擊“OK”。自動激活第二連桿工具,單擊“OK”,創(chuàng)建了移動副J004。移動副圖標(biāo)出現(xiàn)在活塞頂端面圓心上,提示信息“Degrees Of Freedom”數(shù)為0。以上是運動模型連桿和運動副的創(chuàng)建,共包括三個連桿(L001、L002、L003和四個運動副(J001、J002、J003、J004。“Gruebler”數(shù)為0,表明模型是全約束。其信息可以通過分析方向?qū)Ш狡髦小癝cenartio_1”,右鍵,單擊“Information”,選擇“Motion Connec

18、tions”命令,彈出如圖3所示“Information(信息”窗口。注意“Degree of Freedom”為0,這和剛才提示信息一致。點擊“Analysis”,選擇“Motion”,點擊“Articulation”命令,彈出關(guān)節(jié)運動對話框,勾選復(fù)選框“J001”,激活J001的“Step size”文本框,在其文本框中輸入1,在“Displacement”文本框中輸入360。至此,已經(jīng)創(chuàng)建了連桿、運動副,加了驅(qū)動,就可以直接點擊進(jìn)行仿真運動了。單擊向前步進(jìn)工具,就可以看到活塞機(jī)構(gòu)模型中曲軸轉(zhuǎn)動360°,活塞完成兩次選行程運動。即曲軸轉(zhuǎn)動360°,活塞完成上、下各一次運

19、動 。40第35卷第6期運動仿真過程中,如果出現(xiàn)運動干涉,則會自動提醒什么地方發(fā)生了干涉,根據(jù)這個提醒可以對所設(shè)計的機(jī)構(gòu)進(jìn)行修改。4分析討論(1在建模時。如果用參數(shù)化建模,設(shè)計的機(jī)構(gòu)可以做到更為精確,修改時也很方便。UG的參數(shù)化建模工具有表達(dá)式和電子表單。表達(dá)式可以用來控制同一個零件上的不同特征關(guān)系;電子表單可以說是高級的表達(dá)式編輯器,可以通過更新電子表單中的數(shù)據(jù)實現(xiàn)模型的自動更新。根據(jù)需要,可以隨時修改模型尺寸和結(jié)構(gòu),來達(dá)到優(yōu)化設(shè)計。(2在裝配時。引入基礎(chǔ)構(gòu)件后,只有移動非基礎(chǔ)構(gòu)件向基礎(chǔ)構(gòu)件運動才能執(zhí)行各項匹配條件,否則是無法實現(xiàn)各種匹配條件的。對裝配的結(jié)果可以進(jìn)行干涉分析,如果出現(xiàn)干涉可以

20、對其干涉部分進(jìn)行修改,其他相應(yīng)的零件或裝配體會自動修改,這是因為UG有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫聯(lián)動技術(shù),包括二維和三維之間的聯(lián)動、裝配體內(nèi)部零件間的聯(lián)動、裝配體外部引入零件間的聯(lián)動。(3像活塞機(jī)構(gòu)這樣的曲柄連桿機(jī)構(gòu)可建立不同運動副組合來創(chuàng)建運動方案。運動副J001是與機(jī)架固定的旋轉(zhuǎn)副且有關(guān)節(jié)運動驅(qū)動,其余運動副J002、J003和J004可以有不同的組合,前提是傳動機(jī)構(gòu)的“Grubebler(自由度”數(shù)等于0。機(jī)構(gòu)自由度總數(shù)F grubebler的計算公式為:F grubebler=6×F links-F jo int sconstrains-F motion.inputs 式中:6×

21、F links所有連桿的自由度之和;F jo int sconstrains機(jī)構(gòu)中所有運動副所限制的自由度之和;F motion.inputs機(jī)構(gòu)中所有運動驅(qū)動所限制的自由度之和。(4定義的驅(qū)動“Step size”為1,表示旋轉(zhuǎn)的步長為1°,“Displacement”文本框中輸入360,表示單擊步進(jìn)按鈕一次,機(jī)構(gòu)運動360步。即本例中每步轉(zhuǎn)動1°,共有360步,使曲軸轉(zhuǎn)動360°。5結(jié)束語利用UG進(jìn)行虛擬裝配和運動仿真有以下特點:(1縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期,提高生產(chǎn)效率。如果研發(fā)產(chǎn)品用UG來完成,會縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期,提高生產(chǎn)效率。按傳統(tǒng)的設(shè)計和研發(fā)方法,要通過制圖設(shè)計,然后