周渝慶，常 艷

ZHOU Yu-qing1,CHANG Yan2

（1. 重慶工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，重慶 401120；2. 重慶航天巴山摩托車制造有限公司，重慶 400054）

0 引言

連桿是發(fā)動機(jī)中重要的零件，它將作用在活塞上的力傳遞到曲軸。連桿的小端作往復(fù)運(yùn)動，大端作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，桿身作平面運(yùn)動，為滿足輕量化設(shè)計和強(qiáng)度要求，連桿的形狀一般都較復(fù)雜。在連桿設(shè)計過程中，需要做模型，通過逆向工程方法將實(shí)物樣件進(jìn)行模型重建并轉(zhuǎn)化為CAD模型。與正向設(shè)計相比，逆向設(shè)計是指設(shè)計者對產(chǎn)品實(shí)物樣件或模型表面進(jìn)行數(shù)字化處理，獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并重新構(gòu)造CAD模型的過程[1]。

在以往的連桿逆向工程CAD模型重建過程中，忽略了結(jié)構(gòu)中的特征與約束信息，這與連桿的設(shè)計意圖及造型規(guī)律不相符合[2]，不能還原設(shè)計參數(shù)，且不易修改CAD模型。本文在CATIA軟件中應(yīng)用特征與約束和參數(shù)化建模方法進(jìn)行連桿CAD模型重建。然后添加材質(zhì)、約束、加載、網(wǎng)格劃分，建立了有限元分析模型，計算得到連桿在極限載荷下的應(yīng)力分布。此方法提高了結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計的一體化程度，加快了連桿的開發(fā)效率,降低了開發(fā)成本。

1 基于特征與約束的逆向工程CAD模型重建

1.1 基于曲面特征的逆向工程CAD模型重建

在進(jìn)行逆向工程CAD模型重建前，通過三維掃描儀得到的點(diǎn)云需要進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理操作，如去除噪聲點(diǎn)、數(shù)據(jù)精簡、數(shù)據(jù)修補(bǔ)等操作，得到高質(zhì)量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，為CAD模型重建做好準(zhǔn)備[3]。在此基礎(chǔ)上，采用曲面特征的逆向工程CAD模型重建方法，可以識別并提取出平面、圓柱面、球面、圓錐面等面特征，然后基于識別和選取的點(diǎn)云直接擬合成規(guī)則曲面。剩下的自由曲面區(qū)域的點(diǎn)云可擬合成均勻曲面，并調(diào)整曲面的控制點(diǎn)以平衡曲面的擬合精度和光順性要求?；谇嫣卣鞯哪嫦蚬こ藽AD模型重建方法重建精度高，但是此方法沒有考慮各特征之間的約束關(guān)系，也未進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計，重建的CAD模型不能還原設(shè)計意圖。

1.2 基于截面特征的逆向工程CAD模型重建

在CAD建模過程中，很多零件的設(shè)計都是直接建立模型，或者在二維草圖的基礎(chǔ)上，應(yīng)用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠、填充命令建立的。逆向工程CAD重建也不例外，形成一種基于截面特征的逆向工程CAD模型重建方法。孤立的基于曲面特征的逆向工程CAD模型重建方法割裂了特征間直接的約束關(guān)系，不能重建特征表達(dá)的CAD模型[4]。在CATIA軟件中，利用剖切面方法提取截面特征，然后應(yīng)用直線，圓弧和自由曲線擬合方法還原截面特征，并保證彼此之間的約束關(guān)系。

2 基于特征約束的連桿逆向參數(shù)化模型重建

將從三維掃描儀得到的連桿點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入到Geomagic軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理以后的點(diǎn)云，為便于觀察模型的特征，將點(diǎn)云的顯示方式改為網(wǎng)格創(chuàng)建方式，如圖1所示。

圖1 預(yù)處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

應(yīng)用逆向工程參數(shù)化建模方法和截面形狀特征約束建模方法，對連桿零件進(jìn)行模型重建。圖2（a）是在CATIA軟件中提取出大頭孔的特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)，直接擬合成的圓柱面，半徑為25.621mm，該半徑值不是設(shè)計的初始值，不能參數(shù)化，且不能修改。圖2(b)是采用參數(shù)化建模方法，先以特征點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合的圓柱面的軸線為軸線，以軸線的法平面為參照平面建立半徑為26mm參數(shù)化圓，再拉伸成圓柱面。該圓柱面不僅還原了設(shè)計參數(shù)，而且修改也極為方便。

圖2 連桿大頭孔建模

采用參數(shù)化建模方法建立了連桿大頭孔后，如直接基于小頭孔的特征進(jìn)行參數(shù)化建模，則割裂了大、小頭孔之間的約束關(guān)系。如圖3(a)所示，兩孔之間的距離為135.134mm，角度為0.097deg，不符合設(shè)計要求。圖3(b)先將大頭孔的軸線沿方向偏移135mm后，再作出參數(shù)化的圓，經(jīng)拉伸成小頭孔，這樣就建立了兩孔的約束關(guān)系。

圖3 連桿大小頭孔約束關(guān)系

連桿零件的孔與端面有垂直度要求。圖4(a)是在CATIA軟件中提取出端面特征點(diǎn)云，然后擬合成平面，平面與孔的軸線間的角度為90.005deg。有一定的偏差。為了達(dá)到垂直約束的要求，采用孔軸線的法平面截取端面點(diǎn)云，再建立端面，這樣就滿足了設(shè)計要求。如圖4(b)所示，端面與孔軸線垂直。

圖4 連桿端面與大頭孔約束關(guān)系

圖5(a)為采用基于特征建模方法，由特征點(diǎn)云直接擬合成的端面，兩端面間的距離為26.956mm，角度為0.094deg。圖5(b)是將與孔軸線垂直的一端面偏移27mm后生成另一端面，達(dá)到參數(shù)化設(shè)計要求，還原了設(shè)計意圖。

圖5 連桿兩端面約束關(guān)系

采用基于特征與約束和參數(shù)化建模方法建立連桿其他形狀特征，并添加加鋼材（40Gr）材質(zhì)，重建的連桿CAD模型如圖6所示。

圖6 連桿CAD模型

3 連桿有限元分析

3.1 連桿約束和加載

在對連桿進(jìn)行加載和約束前，需要對CAD模型進(jìn)行處理：將連桿大端、小端、桿身和端蓋剛性結(jié)合起來，作為整體進(jìn)行分析，不需要將連桿分為連桿體和連桿蓋兩部分，且大小端軸瓦、襯套厚度也計入連桿，所以重建的CAD模型適合進(jìn)行有限元分析[5]。

連桿在工作時承受的作用力包括由活塞傳來的燃?xì)鈮毫?，連桿自身運(yùn)動的慣性力。連桿的破壞形式主要是拉伸和壓縮的循環(huán)載荷造成的疲勞斷裂。因此，在進(jìn)行應(yīng)力計算時，主要選擇最大拉力和最大壓力。選取連桿在兩個極限位置進(jìn)行分析，即連桿受最大壓力和最大拉力時，所承受的最大壓力出現(xiàn)在做功沖程開始時，其值為19522.1N，承受的最大拉力出現(xiàn)在進(jìn)氣沖程開始時，其值為5333.908N。將連桿小端孔曲面做固定端約束，大端孔曲面分兩次分別添加拉伸或壓縮載荷即可完成連桿的約束與加載。

3.2 連桿的有限元網(wǎng)格劃分

有限元網(wǎng)格尺寸的大小關(guān)系到應(yīng)力計算的準(zhǔn)確性和計算機(jī)資源占用程度。在充分利用計算機(jī)資源的同時，減小網(wǎng)格尺寸有利于提高計算的準(zhǔn)確性。CATIA具有強(qiáng)大的自動劃分網(wǎng)格能力，對連桿零件用自適用網(wǎng)格命令進(jìn)行網(wǎng)格劃分，也能得到較好的網(wǎng)格質(zhì)量。所以選擇自適應(yīng)網(wǎng)格命令對連桿進(jìn)行網(wǎng)格劃分即可。在加載和約束好并進(jìn)行網(wǎng)格劃分后，就可以進(jìn)行求解計算連桿所受應(yīng)力。

3.3 連桿的有限元分析結(jié)果

由圖7可知，拉伸時，在小端孔與桿身過渡連接處產(chǎn)生最大的拉應(yīng)力。最大米塞斯拉應(yīng)力為187Mpa，小于40Cr的許用應(yīng)力780Mpa，滿足強(qiáng)度要求。

圖7 拉伸時應(yīng)力云圖

圖8 壓縮時應(yīng)力云圖

由圖8可知，壓縮時，桿身承受的壓力最大，最大米塞斯應(yīng)力為561Mpa，小于40Cr的許用應(yīng)力780Mpa，滿足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)論

文章基于特征與約束及參數(shù)化模型重建方法建立了連桿的CAD模型，并進(jìn)行了有限元分析。得出如下結(jié)論：1）基于特征與約束模型重建方法能還原連桿的特征參數(shù)和彼此之間的約束關(guān)系；2）參數(shù)化方法重建的CAD模型便于連桿產(chǎn)品的修改和系列化；3）逆向工程建模和有限元分析的結(jié)合應(yīng)用，提高了結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度設(shè)計一體化程度。

[1] Raja,Vinesh,Fernandes,Kiran J. Reverse engineering:an industrial perspective[M]. British library Cataloguing in Publication Data.2008:05-120.

[2] 王明輝,宋家旺,趙毅,等.反求工程與連桿的快速成形[J].中國機(jī)械工程,2006,17:230-238.

[3] 單東日.基于特征與約束的反求工程參數(shù)化建模體系及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù),2005,24(5):522-525.

[4] 劉軍華,成思源,蔣伍,等.逆向工程中的參數(shù)化建模技術(shù)及應(yīng)用[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2011,10:82-84.

[5] 阮帥帥,譚丕強(qiáng),崔淑華.發(fā)動機(jī)連桿的有限元分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].制造業(yè)自動化,2011-5(下):110-113.