崔彥彬，尤 林，王文平，朱 凱

(華北電力大學機械工程系，河北保定 071003)

0 引言

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

活塞連桿是機械行業(yè)中常見的曲柄滑塊機構(gòu)，應(yīng)用該機構(gòu)最典型的實例就是發(fā)動機氣缸，它可將燃氣能源轉(zhuǎn)換為機械動能。廣泛應(yīng)用到動力機械的動力源，本筆者以活塞連桿機構(gòu)為例，應(yīng)用Pro/E軟件對其進行機構(gòu)的運動仿真及結(jié)構(gòu)分析，作為對類似產(chǎn)品進行分析的典范。

1 Pro/E計算機輔助分析模塊簡介

計算機輔助分析是結(jié)合計算機技術(shù)和工程分析技術(shù)的新興技術(shù)。CAE軟件采用計算力學、計算數(shù)學、結(jié)構(gòu)動力學、數(shù)學仿真技術(shù)、工程管理學等諸多學科的傳統(tǒng)理論和計算機相結(jié)合，從而形成一種綜合性知識密集型的信息產(chǎn)品［1］。CAE的核心技術(shù)為仿真模型運動的運動/動力學仿真技術(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模塊進行運動分析的流程。

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)計軟件，其中CAE包含運動分析、結(jié)構(gòu)分析和熱力學分析3大部分，功能強大，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:

(1)采用運動/動力學的理論和方法，通過CAD匯出實體模型并設(shè)計出會運動的機構(gòu)。對整體機構(gòu)進行運動/動力學仿真，分析出如位置、速度、加速度作用力等具有重要的決定機構(gòu)性能等設(shè)計參數(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、計算產(chǎn)品機構(gòu)的應(yīng)力、變形等物理參數(shù)，分析物理量在空間和時間上的分布和變化規(guī)律，完成機構(gòu)的線性、非線性、靜力、動力的計算分析。

(3)在滿足設(shè)計要求的前提下，采用過程優(yōu)化設(shè)計方法，對產(chǎn)品的機構(gòu)、設(shè)計參數(shù)、機構(gòu)形狀等參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計，使產(chǎn)品機構(gòu)性能達到最佳狀態(tài)。

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

2 活塞模型簡介及仿真

活塞是汽車發(fā)動機的“心臟”，承受交變的機械負荷和熱負荷，是發(fā)動機中工作條件最惡劣的關(guān)鍵零部件之一［3］?；钊墓τ檬浅惺軞怏w壓力，并通過活塞銷傳給連桿驅(qū)使曲軸旋轉(zhuǎn)?；钊诟邷亍⒏邏?、潤滑不良的惡劣條件下工作?；钊苯优c高溫氣體接觸，瞬時溫度可達2 500 K以上，因此，受熱嚴重，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，汽油機高達3～5 MPa，柴油機高達6～9 MPa，這就使得活塞產(chǎn)生沖擊，并承受側(cè)壓力的作用。所以對活塞進行運動與結(jié)構(gòu)分析是相當必要的。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

分析就是計算結(jié)構(gòu)對周圍環(huán)境所加上的條件反應(yīng)。在完成對模型材料分配、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)計研究對話框”，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)的剛度和強度，根據(jù)約束和載荷條件計算模型的應(yīng)力和應(yīng)變。

運行靜態(tài)分析的條件:一個約束集;一個以上的載荷集;屬于3D模型。

在“分析和設(shè)計研究”對話框中，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，在往返一千萬次運行的疲勞安全系數(shù)?；钊麨锳l6061合金鋁，抗拉強度為290 MPa，屈服強度為240 MPa，疲勞強度為95 MPa，熱傳導為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“所需強度”中輸入107，“正在加載”選擇“恒定振幅”選項在“輸出”選項組中“繪制網(wǎng)格”微調(diào)框輸入8，勾選“計算安全系數(shù)”，經(jīng)運行計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)計研究做準備。優(yōu)化設(shè)計研究是，通過給定參數(shù)范圍，綜合前面分析的結(jié)果優(yōu)化計算出最佳選項。使產(chǎn)品更加完美、更符合設(shè)計目標。標準設(shè)計研究是對模型中尺寸對模型應(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

使用Pro/E軟件對活塞設(shè)計模型進行運動仿真和有限元分析，能夠模擬在真實環(huán)境下活塞的工作狀況并對其進行分析和研究，盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的缺陷，并驗證產(chǎn)品功能和性能的可靠性，提前進行修改和優(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，提高設(shè)計的可行性和縮短開發(fā)周期。

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

［2］ 高秀華.機械三維動態(tài)設(shè)計仿真技術(shù)［M］.北京:化工工業(yè)出版社，2003.

［3］ 席 瓊，楊勝強.基于Pro/E的機械動態(tài)仿真研究［J］.機械管理開發(fā)，2005(2):5-6.

［4］ 魏 陽，王書義.基于Pro/E的機械系統(tǒng)運動仿真分析［J］.計算機應(yīng)用，2004(5):55-56.