酒康煒

基于UG的新型汽車發(fā)動(dòng)機(jī)簡易模型設(shè)計(jì)

酒康煒

（武漢理工大學(xué) 國際教育學(xué)院，湖北 武漢 430070）

為滿足廣大學(xué)生學(xué)習(xí)、了解新型發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部構(gòu)造、工作原理的愿望，利用UG NX12.0設(shè)計(jì)了一款新型車用發(fā)動(dòng)機(jī)的簡易模型，可以用作桌面擺件。該模型基本具備了發(fā)動(dòng)機(jī)的所有結(jié)構(gòu)，還原度較高，并且采用半剖開式結(jié)構(gòu)，收藏者可以從外部一目了然地看到發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。模型的核心機(jī)、風(fēng)扇葉片可以轉(zhuǎn)動(dòng)，把發(fā)動(dòng)機(jī)的工作方式更直觀地呈現(xiàn)出來，同時(shí)增加了模型的趣味性。該模型是一件寓教于樂，集裝飾、收藏、科普等價(jià)值于一身的收藏品。

新型車用發(fā)動(dòng)機(jī)；簡易模型；UG；模型設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為“工業(yè)皇冠上的明珠”，其內(nèi)部設(shè)計(jì)之復(fù)雜、對材料性能要求之高、加工難度之大是其他工業(yè)產(chǎn)品所不能企及的。近年來中國工業(yè)取得了巨大成就，但發(fā)動(dòng)機(jī)依然是制約中國工業(yè)發(fā)展的最大瓶頸。為了激發(fā)廣大青少年對發(fā)動(dòng)機(jī)的興趣，同時(shí)滿足愛好者收藏一款發(fā)動(dòng)機(jī)模型的愿望，市面上非常需要一款大小適中、價(jià)格適中、做工細(xì)節(jié)良好的發(fā)動(dòng)機(jī)模型。

1 設(shè)計(jì)思路

該新型車用發(fā)動(dòng)機(jī)大致包括以下幾個(gè)部分：進(jìn)氣道、風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室、渦輪和尾噴管。這個(gè)模型在定位上屬于小尺寸，低仿真度模型，只求把航空發(fā)動(dòng)機(jī)的主要零部件、工作原理呈現(xiàn)出來即可，不過分追求細(xì)節(jié)上的完美。

1.1 總體尺寸

考慮到模型主要用作桌面擺件，因此不能過于占用空間，方便手握，因此長度被定在100 mm，半徑定在65 mm左右，約為一筒卷紙大小。同時(shí)為了方便擺放，筆者為其設(shè)計(jì)了一個(gè)基座加兩個(gè)支架，平時(shí)模型可擺放在支架上，需要擦拭、把玩時(shí)可以取下。

1.2 進(jìn)氣道與尾噴管設(shè)計(jì)

進(jìn)氣道分為外涵道和內(nèi)涵道?，F(xiàn)實(shí)中的航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)入外涵道的空氣只經(jīng)過風(fēng)扇，進(jìn)入內(nèi)涵道的空氣經(jīng)過風(fēng)扇后，依次經(jīng)過低壓壓氣機(jī)、高壓壓氣機(jī)，在燃燒室與油料混合燃燒，然后經(jīng)過高壓渦輪和低壓渦輪，最后從尾噴管噴射出去。因此在設(shè)計(jì)過程中要注意外涵道要包裹整個(gè)風(fēng)扇，而內(nèi)涵道則要包裹住整個(gè)核心機(jī)部分，同時(shí)固定核心機(jī)。外涵道與內(nèi)涵道之間要有支架連接，這些支架要強(qiáng)度足夠，同時(shí)要盡量減少空氣阻力。尾噴管與內(nèi)涵道連為一體，越接近尾部，尾噴管的厚度越小。整體結(jié)構(gòu)要流暢，面與面連接處倒圓角以盡量減少空氣阻力，保證空氣順利流過。

1.3 核心機(jī)設(shè)計(jì)

核心機(jī)包括風(fēng)扇、壓氣機(jī)、燃燒室和渦輪。由于風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪的空間幾何特征比較復(fù)雜，這部分零件建模難度較大。在設(shè)計(jì)中常采用連接空間曲線的方法形成空間曲面，之后再用另一個(gè)片面去截取這個(gè)曲面，最后把葉片加厚，再做陣列特征即可。

1.4 底座設(shè)計(jì)

底座由一個(gè)基底和兩個(gè)支架組成。出于美觀考慮，基底采用拔模和倒圓設(shè)計(jì)，支架呈Y字形，用于承受模型的重量。值得注意的是，支架的上端半徑要與整流罩的截面半徑相一致，否則支架與整流罩不能緊密配合，會(huì)導(dǎo)致放置不穩(wěn)。

2 建模過程

為了方便裝配，建模過程應(yīng)遵循從內(nèi)到外，從復(fù)雜到簡單的過程，一環(huán)扣一環(huán)，即先對核心機(jī)建模，再到內(nèi)涵道、外涵道，最后是底座。

2.1 核心機(jī)建模

主軸：在確定了發(fā)動(dòng)機(jī)的整體尺寸后，就可以確定主軸的整體長度參數(shù)，通過UG的旋轉(zhuǎn)命令可以快速做出主軸的形狀。

風(fēng)扇：在Y-Z平面上創(chuàng)作草圖，畫出一條曲線，再把曲線投影到主軸曲面上。在距離主軸25 mm的地方添加新的基準(zhǔn)平面，在上面做草圖畫出另一條曲線，注意要與主軸曲面上的曲線成一定角度。畫出葉片大致形狀，完成草圖后拉伸形成一個(gè)與曲面相交的片面。使用“修剪體”命令切除曲面上多于片面的部分。隱藏片面，利用“加厚”命令使被截取后的曲面形成一個(gè)薄片，最后再繞主軸做陣列特征，即可完成風(fēng)扇的建模。

低壓壓氣機(jī)：低壓壓氣機(jī)做法與風(fēng)扇大致相當(dāng)，但基準(zhǔn)平面距離主軸的位置有所不同，另外由于是5級機(jī)組，要先

橫向做一次線性陣列特征，再繞主軸做圓形陣列特征。

高壓壓氣機(jī)：高壓壓氣機(jī)的做法與低壓壓氣機(jī)相類似，在此不多做贅述。

燃燒室：燃燒室是空氣與油料混合燃燒的地方，這部分的截面積應(yīng)比其他部分要大，因此做在主軸上做挖槽處理即可，用回轉(zhuǎn)和布爾命令中的“減去”可以實(shí)現(xiàn)。

高壓渦輪：這部分內(nèi)容與風(fēng)扇的建模過程相類似，在此不多做贅述。

低壓渦輪：低壓渦輪的建模過程與之前的相類似，唯一不同的地方在于它是在一個(gè)錐形曲面上生成曲面。

合并、上色處理：最后對整個(gè)核心機(jī)進(jìn)行上色處理，把不同部件合并為一個(gè)零件，之后進(jìn)行隱藏圖層處理，即可完成核心機(jī)部分的建模。

核心機(jī)如圖1所示。

圖1 核心機(jī)示意圖

2.2 整流罩建模

2.2.1 內(nèi)涵道與尾噴口建模

根據(jù)先前已經(jīng)做好的核心機(jī)尺寸參數(shù)，可以確定內(nèi)涵道的長度和局部截面半徑。尤其需要注意不能與低壓壓氣機(jī)葉片相重疊，其尺寸參數(shù)不容易控制。另外，為了把核心機(jī)固定在內(nèi)涵道上，內(nèi)涵道與核心機(jī)的高、低壓壓氣機(jī)葉片應(yīng)剛好接觸，即內(nèi)涵道在這個(gè)截面上的半徑與核心機(jī)一致，這樣才能使核心機(jī)既能被固定，同時(shí)也可以轉(zhuǎn)動(dòng)。通過回轉(zhuǎn)功能可以實(shí)現(xiàn)上述要求，但畫草圖過程應(yīng)十分嚴(yán)謹(jǐn)。完成內(nèi)涵道建模之后應(yīng)先與核心機(jī)進(jìn)行一次組裝，以檢驗(yàn)它們之間的配合程度，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)建模不合理的地方，及時(shí)修改。

2.2.2 外涵道建模

外涵道建模相對于內(nèi)涵道較為簡單，唯一要注意的就是不能與風(fēng)扇葉片重疊。在參考大量現(xiàn)實(shí)中發(fā)動(dòng)機(jī)整流罩圖片后，可以基本確定外涵道的內(nèi)外面分別由兩段圓弧組成，首尾以直線相連并倒圓角，以減小空氣阻力。

2.2.3 支架建模

為固定內(nèi)、外涵道的相對位置，之間應(yīng)有支架相連?，F(xiàn)實(shí)中發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中空氣從外涵道高速流過，支架一方面要有足夠的強(qiáng)度承受壓力，另一方面應(yīng)盡量減少空氣阻力對它的影響。因此筆者將其截面設(shè)計(jì)為兩段圓弧相交形成的封閉圖形，中間厚，兩邊薄，這種形狀有利于支架承受正面氣流對它造成的壓力。支架分為前支架和后支架兩組，要注意選取內(nèi)涵道外壁合適的位置做連接處。

2.2.4 整流罩剖開

將整流罩剖開120°，留下240°，方便觀察發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。利用拉伸命令和布爾“減去”可以實(shí)現(xiàn)上述要求。

總裝剖視如圖2所示。

圖2 總裝剖視圖

2.2.5 合并、上色處理

最后對整個(gè)整流罩進(jìn)行上色處理，把不同部件合并為一個(gè)零件，之后進(jìn)行隱藏圖層處理，即可完成整流罩部分的建模。完成整流罩后應(yīng)把它與核心機(jī)再進(jìn)行一次試裝配，以檢驗(yàn)外涵道與風(fēng)扇葉片配合情況。

2.3 底座建模

底座建模相對于前兩部分較為簡單。通過拉伸、拔模、倒圓角、布爾求和等命令即可完成。值得注意的是，由于整流罩不同的截面半徑不同，要先分析出整流罩上受支撐的截面，利用“分析”模塊中的“局部半徑”功能測量整流罩相應(yīng)位置的局部半徑，使底座支架的圓弧半徑與之相等，這樣才能使底座的支架與整流罩外殼配合，使擺放穩(wěn)固。最后對底座進(jìn)行上色處理，把不同部件合并為一個(gè)零件，之后進(jìn)行隱藏圖層處理，即可完成底座部分的建模。

3 裝配

完成對三個(gè)零件的建模后，即可對整個(gè)模型進(jìn)行總裝。應(yīng)注意在UG裝配環(huán)境下如果直接導(dǎo)入核心機(jī)部件會(huì)把先前隱藏的片體一同導(dǎo)入裝配，因此應(yīng)先對核心機(jī)的片體進(jìn)行隱藏處理，并創(chuàng)建新的引用集，在裝配中導(dǎo)入新的引用集，即可解決這個(gè)問題。依次導(dǎo)入核心機(jī)、整流罩和底座，由于建模時(shí)坐標(biāo)不統(tǒng)一，導(dǎo)入底座時(shí)要對其位置進(jìn)行調(diào)整，使之正好處于整流罩下方，支撐位置緊密接觸。完成裝配后可以得到效果圖，完成新型發(fā)動(dòng)機(jī)簡易模型的設(shè)計(jì)。

［1］潘慕絢，陳強(qiáng)龍，周永權(quán)，等.渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)多動(dòng)力學(xué)建模方法［J］.航空學(xué)報(bào)，2019（5）：99-110.

［2］陳建軍.渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理及應(yīng)用綜述［J］.時(shí)代汽車，2018（5）：115-116.

［3］錢德峰.大涵道比民用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)部件級建模技術(shù)研究［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

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V235.13

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.052

2095－6835（2020）14－0126－02

〔編輯：王霞〕