虛擬制造環(huán)境下VE型分配泵的研發(fā)

虛擬制造環(huán)境下VE型分配泵的研發(fā)本文介紹了虛擬制造技術(shù)及其分類，探討了以設(shè)計為中心的虛擬制造技術(shù)在汽車零部件研發(fā)中的實踐，利用該技術(shù)，以柴油發(fā)動機VE型分配泵為研究對象，重點分析了傳動部件易斷裂問題，研究內(nèi)容涉及產(chǎn)品全生命周期的各個階段，包括虛擬樣機設(shè)計、虛擬樣機運動學(xué)動力學(xué)仿真、虛擬裝配、有限元分析和零件虛擬加工仿真等，并對研究結(jié)果進行了實驗驗證，結(jié)合企業(yè)實際，給出了解決方案。1引言VE型分配泵自20世紀(jì)70年代誕生于德國BOSCH公司以來，在國際上得到廣泛應(yīng)用，已成為高速中小型柴油機噴油系統(tǒng)的首選。近年來，國內(nèi)引進的一批柴油機均配裝VE型分配泵，如南汽的索菲姆系列、二汽的康明斯系列、北汽和江鈴的五十鈴系列等，伴隨這些柴油機的國產(chǎn)化，國內(nèi)企業(yè)通過引進技術(shù)生產(chǎn)的VE型分配泵卻在國產(chǎn)化過程中遇到了困難：國產(chǎn)部件結(jié)構(gòu)強度和可靠性方面達不到國際標(biāo)準(zhǔn)，集中表現(xiàn)為產(chǎn)品使用壽命達不到要求、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等；最為嚴(yán)重的是傳動軸、十字塊、端面凸輪等零件在工作過程中發(fā)生斷裂，零部件的斷裂情形如圖1所示，國內(nèi)對VE型分配泵研究起步較晚，大多處于理論階段。如果按照傳統(tǒng)的方法分析運動件斷裂的原因，并將改進的產(chǎn)品迅速投向生產(chǎn)，對企業(yè)來說是個難題。本文引入了近年來隨著制造業(yè)信息化進程而發(fā)展起來的虛擬制造技術(shù)，并探討虛擬制造技術(shù)在汽車零部件業(yè)的應(yīng)用模式和解決方案。點擊圖片查看大圖圖1零部件的三種斷裂情形2虛擬制造技術(shù)及其分類(1)定義虛擬制造是實際制造在計算機上的本質(zhì)實現(xiàn)，即采用計算機建模與仿真技術(shù)，在高性能計算機及高速網(wǎng)絡(luò)的支持下，在計算機上群組協(xié)同工作，通過三維模型及動畫或虛擬現(xiàn)實，實理產(chǎn)品的設(shè)計、工藝規(guī)劃、加工制造、性能分析、質(zhì)量檢驗，以及企業(yè)各級過程的管理與控制等產(chǎn)品制造的本質(zhì)過程，以增強裁造過程各級的決策與控制能力。由此可見，虛擬制造是面向產(chǎn)品全生命周期的，它應(yīng)用于從產(chǎn)品開發(fā)、生產(chǎn)、使用直至再制造的全過程，具有系統(tǒng)集成性、符合并行工程、高度的分布合作以及面向敏捷制造等特征，虛擬制造通過利用仿真技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等新技術(shù)為人們營造出一個與現(xiàn)實生活相似的虛擬的環(huán)境和將要生產(chǎn)出的產(chǎn)品相同功能的虛擬樣機，在這個虛擬的環(huán)境下，通過對虛擬樣機的控制可反映出將來真實的產(chǎn)品在現(xiàn)實的世界的各種狀態(tài)，以幫助科技人員、管理人員、生產(chǎn)人員乃至最終的消費者在未得到真實的產(chǎn)品之前就做出全局最優(yōu)化的決策。(2)分類虛擬制造的研究涉及產(chǎn)品全生命周期中的各個方面，可以分為三個不同的類別：以設(shè)計為中心的虛擬制造、以生產(chǎn)為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。以設(shè)計為中心的虛擬制造是將虛擬制造應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計的過程，主要是為設(shè)計者提供產(chǎn)品設(shè)計的科學(xué)性和制造可行性的評估環(huán)境；以生產(chǎn)為中心的虛擬制造是將虛擬制造應(yīng)用于生產(chǎn)組織過程中，目的是優(yōu)化配置生產(chǎn)制造過程的資源和合理編排生產(chǎn)計劃；以控制為中心的虛擬制造是將虛擬制造應(yīng)用于生產(chǎn)控制過程中，用以優(yōu)化制造過程和車間控制。本文主要研究以設(shè)計為中心的虛擬制造技術(shù)在VE型分配泵中的應(yīng)用。以設(shè)計為中心的虛擬制造的主要核心技術(shù)包括特征造型、面向數(shù)學(xué)的模型設(shè)計及加工過程的仿真技術(shù)；主要應(yīng)用領(lǐng)域包括造型設(shè)計、熱力學(xué)分析、運動學(xué)分析、動力學(xué)分析、容差分析和加工過程仿真等。3VE型分配泵的應(yīng)用本文的工作重點是研究將虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于汽車零部件業(yè)，解決企業(yè)在VE型分配泵國產(chǎn)化中所遇到的問題。適合企業(yè)實際的虛數(shù)制造系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和研究流程如圖2所示。具體的實施步驟如下：Step1.進行產(chǎn)品的虛擬設(shè)計，三維建模為后續(xù)CAE、CAPP和CAM提供數(shù)據(jù)源。Step2.進行運動機構(gòu)的運動學(xué)和動力學(xué)分析，運動學(xué)分析可以優(yōu)化產(chǎn)品傳動機構(gòu)的運動配合關(guān)系，產(chǎn)生的運動學(xué)分析結(jié)果速度和加速度用于動力學(xué)分析；動力學(xué)分析產(chǎn)生的機構(gòu)受力狀況用于有限元分析。Step3.將上述結(jié)果輸入有限元分析中進行關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有限元分析。Step4.依據(jù)有限元分析結(jié)果進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并將優(yōu)化結(jié)果重新進行各種分析。Step5.進行產(chǎn)品的虛擬裝配、關(guān)鍵件的虛擬加工仿真等，并在分析與優(yōu)化的各個階段進行各種實驗以驗證各項研究的正確性。點擊圖片查看大圖圖2以設(shè)計為中心的VE型分配泵的虛擬制造系統(tǒng)3.1虛擬設(shè)計及優(yōu)化設(shè)計產(chǎn)品虛擬設(shè)計是虛擬制造技術(shù)的基礎(chǔ)工作，它的重點是三維幾何模型的建立，同時為后續(xù)分析、優(yōu)化設(shè)計及各種設(shè)計仿真提供產(chǎn)品的數(shù)據(jù)源。在各類建模工具中，PTC公司的Pro/E軟件不僅建模功能十分強大，還能提供模型的質(zhì)量、重心、轉(zhuǎn)動慣量等參數(shù)，而且與很多分析類的軟件有專用的接口程序，可以建立無縫鏈接，從而避免數(shù)據(jù)的丟失。三維建模要完成的工作主要有建立各零件的三維幾何模型、按照各零件的裝配關(guān)系建立裝配體和傳遞模型數(shù)據(jù)建立各分析模型，VE型分配泵總裝圖如圖3所示，以有限元分析為例，Pro/E模型傳送方式有兩種：(1)由Pro/E建立幾何模型，然后完成網(wǎng)格劃分，最終以ANSYS文件格式.ans輸出模型，由ANSYS讀入該模型并完成后續(xù)分析；(2)Pro/E將模型以IGES格式傳輸給ANSYS識別讀取，或用專用接口程序使ANSYS軟件與Pro/E軟件建立無縫鏈接，ANSYS直接讀取Pro/E數(shù)據(jù)建立分析模型。第一種方法簡單易行，但是對于復(fù)雜的零件容易丟失信息并且無法對網(wǎng)格進行修改，本文研究將簡單零件（如傳動軸等）采用第一種方法，復(fù)雜零件和裝配體采用第二種方法。點擊圖片查看大圖圖3VE型分配泵總裝圖本文中，優(yōu)化設(shè)計采用德國FE-DESIGN公司的TOSCA作為輕量化設(shè)計的工具，以滿足強度要求為優(yōu)化條件(該軟件與有限元相連接，如我們采用的是ANSYS)，它以ANSYS軟件為求解器，計算滿足強度條件下，最小重量的零件幾何形狀，從而自動優(yōu)化零件的結(jié)構(gòu)，最終將優(yōu)化計算結(jié)果返回到CAD環(huán)境中生成三維實體模型。3.2運動部件的虛擬運動學(xué)和動力學(xué)仿真對于產(chǎn)品運動機構(gòu)的設(shè)計，虛擬運動仿真可以使設(shè)計的虛擬樣機按功能進行模擬運動，計算出指定構(gòu)件或指定點的位移、速度和加速度圖形，從而檢查出機構(gòu)運動的干涉情況，提前對可能出現(xiàn)的動作協(xié)調(diào)問題做出準(zhǔn)確的預(yù)測和改進，并且可以將所分析的數(shù)據(jù)傳遞給有限元分析作為依據(jù)條件，因此，通過虛擬運動仿真技術(shù)可使運動機構(gòu)的設(shè)計更加合理，做到各運動件的動作協(xié)調(diào)，避免運動過程發(fā)生干涉等問題，從而滿足性能要求。為滿足現(xiàn)代高速輕型柴油機的發(fā)展要求，VE型分配泵的發(fā)展越來越高速化、輕型化、精密化。因此只分析其運動規(guī)律是不夠的，還必須進行動力學(xué)分析。動力學(xué)分析研究機械在力的作用下所產(chǎn)生的運動和運動中產(chǎn)生力的規(guī)律，動力學(xué)分析可分為兩類：運動學(xué)的反問題和動力學(xué)的正問題。正問題是已知機構(gòu)的運動狀態(tài)和工作阻力，求解輸入扭矩和各運動副的約束反力及其變化規(guī)律（即已知運動求力）；而反問題是給定機器的輸入扭矩和工作阻力，求解機器的實際運動規(guī)律（即已知力求運動）。我們采用MSC公司著名的運動學(xué)和動力學(xué)分析軟件ADAMS作為分析工具，首先，利用ADAMS軟件和Pro/E軟件的接口文件直接相連得到準(zhǔn)確的CAD模型和準(zhǔn)確的質(zhì)量參數(shù)，即零件的質(zhì)量、重心位置、慣性矩等，在ADAMS中建立分析模型和運動關(guān)系，進行運動仿真分析，得到速度、加速度和位移之間的關(guān)系；然后，根據(jù)運動學(xué)反問題的求解方法，在AVIEW模塊建立運動機構(gòu)的動力學(xué)分析多體模型；最后，用.huishelirenADAMS軟件的SOLVER模塊求解得出各個部件的位移、速度和加速度曲線及受力狀態(tài)，比較和分析各個部件之間的位移、速度和加速度關(guān)系，對產(chǎn)品的設(shè)計性能進行分析，驗證產(chǎn)品的設(shè)計指標(biāo)是否得到滿足，并為有限元分析提供轉(zhuǎn)矩、反力等載荷邊界條件。盡管動力學(xué)分析能夠確定運動件的相互動力關(guān)系和作用力，但不能分析零件的應(yīng)力，只能借助有限元分析軟件來完成。3.3有限元分析有限元分析是虛擬制造技術(shù)的重要內(nèi)容之一，通過有限元分析研究VE型分配泵傳動件斷裂的成因及其變化規(guī)律，才能找到解決措施，虛擬制造體系下的有限元分析過程如圖4所示，有限元分析從CAD系統(tǒng)獲得分析的幾何模型，從運動學(xué)、動力學(xué)分析系統(tǒng)中分別獲取分析的邊界條件和載荷，對產(chǎn)品進行結(jié)構(gòu)靜力分析、動力學(xué)分析，以得到應(yīng)力、應(yīng)變的變化規(guī)律和振動的頻率特性等，具體步驟如下：Step1.確定分析的類型，根據(jù)結(jié)構(gòu)和斷裂的特點，按照非線性、接觸問題分析；Step2.確定材料的屬性，在有限元分析前處理程序中選擇單元類型，并自適應(yīng)地劃分網(wǎng)格，建立計算模型；Step3.求解計算模型，進行靜力或動力分析計算，有限元分析后處理程序生成并顯示計算所得盼應(yīng)力、應(yīng)變和振型等。點擊圖片查看大圖圖4傳動系統(tǒng)（傳動主軸、十字塊、端面凸輪等）有限元分析結(jié)果結(jié)構(gòu)靜力分析結(jié)果表明：扭矩產(chǎn)生的最大的交變應(yīng)力為941.1MPa；應(yīng)力分布較大的區(qū)域在撥叉根部導(dǎo)角處；接近材料的許用應(yīng)力、應(yīng)變范圍，這是零件在長期運轉(zhuǎn)以后產(chǎn)生疲勞斷裂的原因，此外，根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變情況選擇設(shè)計參數(shù)，分析設(shè)計參數(shù)的靈敏度，提出改進措施進行優(yōu)化設(shè)計；然后將優(yōu)化的結(jié)構(gòu)反饋給CAD系統(tǒng)。實際上，有限元分析與產(chǎn)品CAD是一個不斷循環(huán)迭代過程，有限元分析與CAD、運動學(xué)、動力學(xué)分析系統(tǒng)之間也不斷地交換幾何模型和載荷等信息。在結(jié)構(gòu)靜力分析以后，本文研究了傳動機構(gòu)的有限元模態(tài)分析。因為在工作時分配泵諸多零部件相互接觸，承受著極為復(fù)雜的載荷，其動態(tài)特性對分配泵的整體性能影響尤為重要，對結(jié)構(gòu)動態(tài)特性的研究主要有兩種基本方法：一種為有限元分析的方法，另一種為模態(tài)試驗分析方法。本文采用有限元數(shù)值計算和實驗測試相結(jié)合的方法，用模態(tài)試驗分析的結(jié)果驗證有限元分析的正確性，以得到含有結(jié)構(gòu)參數(shù)的、精確的有限元模型。動力學(xué)有限元分析主要包括兩方面的內(nèi)容：(1)分析結(jié)構(gòu)的固有頻率和固有振型，從而判斷結(jié)構(gòu)的固有頻率是否與外界激勵頻率接近，判斷固有振型對結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位是否有不利影響；(2)計算結(jié)構(gòu)對發(fā)動機振動激勵下的動態(tài)響應(yīng)，判斷其是否超過設(shè)計要求。用有限元分析方法對設(shè)計結(jié)構(gòu)進行動態(tài)特性預(yù)測，輔之必要的結(jié)構(gòu)修改，并以實驗加以驗證，可以獲得較好的動態(tài)工作性能，圖5