崔彥彬，尤 林，王文平，朱 凱

(華北電力大學(xué)機(jī)械工程系，河北保定 071003)

0 引言

傳統(tǒng)的機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)通常是采用平面圖形表示機(jī)械零件及其裝配關(guān)系，設(shè)計(jì)結(jié)果是在某一個(gè)位置的靜態(tài)圖形。這種方法難以反映機(jī)器在運(yùn)行過程中各零件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及其相對(duì)位置關(guān)系，無法直觀的判斷其運(yùn)動(dòng)是否合理，各零件之間是否存在干涉等問題。隨著CAD技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)硬件性能的不斷提高，三維建模、裝配及計(jì)算機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真技術(shù)逐步得到應(yīng)用，應(yīng)用這些技術(shù)就可進(jìn)行機(jī)器的運(yùn)動(dòng)仿真分析。

活塞連桿是機(jī)械行業(yè)中常見的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，應(yīng)用該機(jī)構(gòu)最典型的實(shí)例就是發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸，它可將燃?xì)饽茉崔D(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能。廣泛應(yīng)用到動(dòng)力機(jī)械的動(dòng)力源，本筆者以活塞連桿機(jī)構(gòu)為例，應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)其進(jìn)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真及結(jié)構(gòu)分析，作為對(duì)類似產(chǎn)品進(jìn)行分析的典范。

1 Pro/E計(jì)算機(jī)輔助分析模塊簡(jiǎn)介

計(jì)算機(jī)輔助分析是結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)的新興技術(shù)。CAE軟件采用計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、數(shù)學(xué)仿真技術(shù)、工程管理學(xué)等諸多學(xué)科的傳統(tǒng)理論和計(jì)算機(jī)相結(jié)合，從而形成一種綜合性知識(shí)密集型的信息產(chǎn)品［1］。CAE的核心技術(shù)為仿真模型運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)仿真技術(shù)(即Pro/Mechanism)和有限元分析技術(shù)(即Pro/Mechanica)。

圖1所示為用Pro/E MOTION模塊進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析的流程。

圖1 Pro/E MOTION模塊分析流程

Pro/E是集CAD/CAE/CAM于一體的大型三維設(shè)計(jì)軟件，其中CAE包含運(yùn)動(dòng)分析、結(jié)構(gòu)分析和熱力學(xué)分析3大部分，功能強(qiáng)大，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)采用運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)的理論和方法，通過CAD匯出實(shí)體模型并設(shè)計(jì)出會(huì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。對(duì)整體機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)/動(dòng)力學(xué)仿真，分析出如位置、速度、加速度作用力等具有重要的決定機(jī)構(gòu)性能等設(shè)計(jì)參數(shù)的物理數(shù)據(jù)。

(2)采用工程數(shù)值分析中的有限元技術(shù)，分析、計(jì)算產(chǎn)品機(jī)構(gòu)的應(yīng)力、變形等物理參數(shù)，分析物理量在空間和時(shí)間上的分布和變化規(guī)律，完成機(jī)構(gòu)的線性、非線性、靜力、動(dòng)力的計(jì)算分析。

(3)在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，采用過程優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，對(duì)產(chǎn)品的機(jī)構(gòu)、設(shè)計(jì)參數(shù)、機(jī)構(gòu)形狀等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品機(jī)構(gòu)性能達(dá)到最佳狀態(tài)。

(4)采用結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與壽命評(píng)估的理論、方法、規(guī)范，評(píng)估機(jī)構(gòu)的安全性、可靠性和使用壽命［2］。

2 活塞模型簡(jiǎn)介及仿真

活塞是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的“心臟”，承受交變的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷，是發(fā)動(dòng)機(jī)中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一［3］。活塞的功用是承受氣體壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)?；钊诟邷?、高壓、潤(rùn)滑不良的惡劣條件下工作。活塞直接與高溫氣體接觸，瞬時(shí)溫度可達(dá)2 500 K以上，因此，受熱嚴(yán)重，而散熱條件又很差?；钊敳砍惺軞怏w壓力很大，特別是做功行程壓力最大，汽油機(jī)高達(dá)3～5 MPa，柴油機(jī)高達(dá)6～9 MPa，這就使得活塞產(chǎn)生沖擊，并承受側(cè)壓力的作用。所以對(duì)活塞進(jìn)行運(yùn)動(dòng)與結(jié)構(gòu)分析是相當(dāng)必要的。圖2為在Pro/E中活塞的三維模型。

圖2 Pro/E中活塞模型

3 活塞的分析與優(yōu)化

分析就是計(jì)算結(jié)構(gòu)對(duì)周圍環(huán)境所加上的條件反應(yīng)。在完成對(duì)模型材料分配、理想化、約束、載荷等一系列設(shè)置后，就可以有針對(duì)性地建立所需的分析和研究［4］。選擇菜單欄中的【分析(A)】→【Mechanica分析/研究(E)】命令，系統(tǒng)彈出“分析和設(shè)計(jì)研究對(duì)話框”，通過單擊“文件”，如圖3所示，即可新建Pro/Mechanica結(jié)構(gòu)所提供的2類共10種分析的類型以及3種設(shè)計(jì)研究。

圖3 Pro/Mechanica的分析類型界面

靜態(tài)分析是用來模擬結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度，根據(jù)約束和載荷條件計(jì)算模型的應(yīng)力和應(yīng)變。

運(yùn)行靜態(tài)分析的條件:一個(gè)約束集;一個(gè)以上的載荷集;屬于3D模型。

在“分析和設(shè)計(jì)研究”對(duì)話框中，選中列表框中的靜態(tài)分析，單擊工具欄上的“查看設(shè)計(jì)研究或有限元分析結(jié)果”按鈕，系統(tǒng)彈出“結(jié)果窗口定義”對(duì)話框，如圖4所示。顯示類型中選擇“Fringe(條紋)”，則分析結(jié)果以條紋形式表現(xiàn)，選擇“Graph(曲線)”，則分析結(jié)果以曲線表的形式表現(xiàn)。圖5為壓力載荷施加圖示。

分析條件:活塞頂部受到2 500 K、9 MPa高溫氣體作用，在往返一千萬次運(yùn)行的疲勞安全系數(shù)?；钊麨锳l6061合金鋁，抗拉強(qiáng)度為290 MPa，屈服強(qiáng)度為240 MPa，疲勞強(qiáng)度為95 MPa，熱傳導(dǎo)為167 W/m℃。

圖4 結(jié)果窗口定義界面

圖5 壓力載荷施加面

模態(tài)分析中，單擊“模式”選擇模數(shù)為5，最小頻率為50，“運(yùn)行”得變形條紋圖及變形曲線如圖6、7。

圖6 變形條紋圖

圖7 變形曲線

在疲勞分析中，單擊“壽命”，在“所需強(qiáng)度”中輸入107，“正在加載”選擇“恒定振幅”選項(xiàng)在“輸出”選項(xiàng)組中“繪制網(wǎng)格”微調(diào)框輸入8，勾選“計(jì)算安全系數(shù)”，經(jīng)運(yùn)行計(jì)算的壽命條紋圖及安全系數(shù)條紋圖，如圖8、9所示。

圖8 壽命條紋圖

圖9 安全系數(shù)條紋圖

活塞的模態(tài)分析時(shí)的應(yīng)力變化以及溫度變化情況如圖10、11所示。

圖10 模態(tài)分析應(yīng)變曲線

圖11 溫度梯度曲線

優(yōu)化設(shè)計(jì)研究是結(jié)構(gòu)分析的精髓。它是分析的最終階段，前面的分析是為優(yōu)化設(shè)計(jì)研究做準(zhǔn)備。優(yōu)化設(shè)計(jì)研究是，通過給定參數(shù)范圍，綜合前面分析的結(jié)果優(yōu)化計(jì)算出最佳選項(xiàng)。使產(chǎn)品更加完美、更符合設(shè)計(jì)目標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究是對(duì)模型中尺寸對(duì)模型應(yīng)力、變形等影響程度分析研究，得到敏感性的尺寸，然后，通過敏感度研究得到影響模型應(yīng)力、變形等參數(shù)的尺寸范圍，最后通過優(yōu)化設(shè)計(jì)得到最佳合理的尺寸，如圖12～14所示。

圖12 變形條紋圖

圖13 應(yīng)力隨厚度變化曲線

圖14 優(yōu)化后模型

4 結(jié)語(yǔ)

使用Pro/E軟件對(duì)活塞設(shè)計(jì)模型進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析，能夠模擬在真實(shí)環(huán)境下活塞的工作狀況并對(duì)其進(jìn)行分析和研究，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的缺陷，并驗(yàn)證產(chǎn)品功能和性能的可靠性，提前進(jìn)行修改和優(yōu)化，從而減少制造中發(fā)現(xiàn)問題返修或者重新制造而付出昂貴的代價(jià)，提高設(shè)計(jì)的可行性和縮短開發(fā)周期。

［1］ 黃圣杰.Pro/E 2001高級(jí)開發(fā)實(shí)例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2002.

［2］ 高秀華.機(jī)械三維動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)仿真技術(shù)［M］.北京:化工工業(yè)出版社，2003.

［3］ 席 瓊，楊勝?gòu)?qiáng).基于Pro/E的機(jī)械動(dòng)態(tài)仿真研究［J］.機(jī)械管理開發(fā)，2005(2):5-6.

［4］ 魏 陽(yáng)，王書義.基于Pro/E的機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)仿真分析［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2004(5):55-56.