虚拟样机技术及其在发动机设计中的应用

2016-12-15

主要首先介绍了虚拟样机技术的概念，接着从零部件建模及装配、机构运动仿真等方面介绍了虚拟样机技术在发动机设计中的应用，说明利用虚拟样机技术，可以使发动机企业快速适应市场要求的变化、缩短产品制造周期、降低生产成本、提高产品质量和性能，提高市场竞争力。

1 前言

在发动机的传统设计过程中，由于在前期设计阶段缺乏足够的试验用的样机，因此不可能取得足够的实际经验以避免设计中潜在的缺陷。这样，有关装配、操作和维护的问题往往只会在设计后期或在最终产品试车过程中、甚至在投入使用一段时间后才能暴露出来，所以产品往往不得不返回到构造设计阶段以进行必要地修改，这样的设计过程不仅效率低，费用还高。同时，由于世界经济全球一体化，市场竞争日益激烈，发动机企业为了提高竞争力，必需尽快改变品种、更新设计、缩短新产品的研发周期、提高产品设计质量、降低产品研发成本，进行创新性没计，这样才能对快速多变化市场需求做出敏捷响应.从而在市场竞争中获得相当的市场份额和利润，传统的基于物理样机的设计制造方式已无法满足这些要求。将虚拟样机技术应用于发动机的设计将具有巨大的优势和经济效益。

2 虚拟样机技术的概念及技术体系

虚拟样机技术是上世纪九十年代逐渐兴起并发展起来的—个新概念。“虚拟样机”，英文为“VirtualPrototyping”，是在一种基于计算机仿真技术生成“虚拟样机”。“虚拟”是指“样机”并不是物理实体，义说它是“样机”，是因为它具有一切样机实体的外观显现、操作界面，以及完备的样机功能。目前，国内外对虚拟样机技术(Virtual Prototyping，VP)的研究还处于发展的阶段，还没有比较统一的定义。在建模和仿真领域比较通用的虚拟样机的概念是美国国防部建模和仿真办公室(DMSO)给出的定义。DMSO将虚拟样机定义为对—个与物理原型具有功能相似性的系统或者子系统模型进行的基于计算机的仿真;而虚拟样机则是使用虚拟样机来代替物理样机，对备选设计方案的某一方面的特性进行仿真测试和评估的过程。虚拟样机技术是一项崭新的数字化产品开发手段。是一种基于计算机仿真的分析设计方法，是实现机械产品的数字化没计、仿真、分析、制造、实验的开发过程的新技术。

虚拟样机技术涉及许多关键技术与相关研究领域，其中核心是建模技术、仿真分析技术和町视化技术。虚拟样机技术体系构成示意图，如图1所示。虚拟样机技术是基于这三种技术发展起来的。建模技术的主要功能根据研究目的通过数字化模型来描述客观事物，主要涉及模型的准确性、真实性、精确性、稳定性、通用性和有效性等问题。仿真技术中的是在建模技术的基础上是科学合理地建立仿真模型、利用计算机硬件与软件技术使仿真模型和原型比较逼真地仿真原型的结构、功能和行为.动态描述工程师和技术人员的思维过程和行为。

可视化技术Ⅱ了以使建模过程和仿真结果真实而形象地表现出来，使设计者可以方便的观察求解量的分布情况和各种性能参数的变化规律及系统：r作状态的动态效果。待解决的问题规模越大、越复杂.可视化技术带来的优势就越明显。可视化技术是虚拟样机技术实用化的体现和重要保障。建模技术、仿真分析技术和可视化技术因此它们的发展对于虚拟样机技术的发展起着举足轻重作用。

3 虚拟技术在发动机中的应用

3.1 发动机零件参数化建模及装配设计

发动机零件参数化建模是指借助基于特征的三维参数化建模软件对发动机进行几何设计。发动机的几何结构主要包括活塞组件、曲轴、连杆、气缸体、气缸盖、凸轮及凸轮轴和气阀等。装配设计则是指利用三维建模软件的装配功能将发动机零部件装配成发动机整体的过程。

目前很多三维软件都可以实现发动机零部件的参数化建模和装配功能，这类软件主要有某公司的UG，法国CATIA，美国某公司的PRO-e等。发动机零件设计和装配的三维图，如图2、图3所示。

3.2 发动机运动仿真分析

发动机运动机构主要包括气门机构和曲柄连杆机构。通过对发动机运动机构的仿真可以直观观察其的动作过程，通过修改参数可以看出使其动作满足实际要求。仿真模型和运动过程参数可为整个机构的优化提供理论依据，继而为快速、准确方便地设计和制造物理样机奠定基。许多功能强大的三维软件都具备了运动仿真功能，比如UG、PRO-e等，利用这些软件建模后可以直接进人运动模块。

也可以利用三维软件建立仿真模型.然后导人到专业仿真软件中在进行仿真.比如ADAMS软件。国内目前很多研究人员对发动机的配气机构做了很多的研究。配气机构运动仿真模型和仿真结果分析，如图4、图5所示。具体仿真过程可参见参考文献。对模型进行动态仿真，通过测试整个模型或模型的一部分可以很好的验证其运动的正确性。