基于UG NX实现摩托车新产品创新设计

2013-05-18  by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM  来源:仿真在线

史春涛 刘建军 刘志锋 夏淑敏 于善颖 孙梅 来源:e-works
关键字:UG NX 创新设计 实体建模 曲面建模 流程
提高摩托车产品的自主创新能力,是实现我国摩托车行业由大到强的必由之路。天津摩托车技术中心设计所建立了基于UG NX的新产品创新设计体系,在其基础上成功地为企业开发了数十款摩托车整车和发动机新产品。同时,再一次证明UG NX强大的CAD/CAE功能很好地满足了复杂产品对于缩短设计周期、提高设计质量的设计需求。

1.引言
   
我国摩托车工业经过改革开放近30年的发展,已连续15年成为世界摩托车生产大国,年产量上升到2500万辆,占世界总量的一半以上。同时,摩托车出口已占到生产总量的20%以上,成为了世界摩托车出口大国。我国摩托车产品以中小排量实用型摩托车为主,形成了完善的零部件配套体系,制造技术已达到世界先进水平,具有较好的国际竞争力。摩托车行业的生产集中度不断提升,在重庆、广东、江浙地区形成了三大板块。近年来,在建设节约型和环境友好型社会的国策下,在国家有关规范市场竞争秩序、促进技术进步的政策法规引导下,以及国内消费市场由运载代步逐渐向休闲娱乐的转型和提高国际竞争力的内在需求下,摩托车企业逐渐加大了具有自主知识产权的摩托车新产品的开发力度。目前,我国摩托车产品创新的重点是积极对中小排量实用型摩托车进行技术升级以满足越来越严格的国内外排放法规和产品多样化、品牌化需求,保持其产品主导地位。同时,积极推进对大量运用电子控制技术、新材料、新工艺的大排量豪华踏板车、运动赛车、越野赛车、ATV沙滩车的研制开发,切实提高摩托车新产品的创新能力。
   
成立于1958年的天津内燃机研究所(天津大学内燃机研究所)是由原第八机械工业部和教育部共建,委托天津大学管理的专业内燃机研究机构。1994年,在原机械部汽车司领导下,在其基础上成立了我国唯一的摩托车技术中心,成为国家主管部门的重要技术支撑单位。1997年成立了天津摩托车技术中心设计所(天津朝霞摩托车技术开发有限公司),主要从事摩托车、摩托车发动机、通用小型汽油机、农林机械、非道路用车及相关零部件的设计、开发和应用技术研究。从成立之初,设计所就致力于利用先进技术提高摩托车产品现代设计开发能力,率先建立并且不断扩展以UG为数据核心的摩托车数字化开发平台,逐步建立了摩托车整车和发动机数据库,不断完善和优化摩托车整车和发动机的新产品开发流程。设计所与国内数十家摩托车企业建立了紧密合作关系,累计与摩托车企业合作开发了四十多种发动机新产品和四十多款摩托车整车新产品。
   
    2.摩托车数字化设计平台建设
   
随着以信息技术为主导的现代科学技术的迅速发展, CAD/CAE/CAM/PDM技术成为了现代设计的基础性关键技术。早在1997年,经过多方位的调研评估,基于UGII软件强大的实体和曲面建模能力,设计所就建立了以UGII软件为三维软件平台,以SGI图形工作站和服务器为硬件平台的数字化网络协同开发环境。在UGS北京办事处从领导、销售到工程师的大力推广和良好的售后服务支持下,设计所三维CAD技术应用水平得到了迅速提升,新产品开发能力得到了飞跃式发展。规范、准确的三维设计产品彻底改变了以往以原始样机为开发模版、以2D测绘图纸作为辅助参考,或者2D设计图纸只能用于产品鉴定的落后局面。
   
设计所从应用UG建立摩托车数字化模型开始,循序渐进地将快速测量、逆向设计、工业设计、快速原型制造、多体动力学、有限元分析、计算流体力学等技术引入到新产品设计中。由于摩托车整车和发动机结构特别复杂,在采用统计、类比和经验方法进行新产品设计的同时,越来越多地开始使用CAE/CFD技术对产品进行分析指导,设计所在以UG NX为数据核心的基础上,运用多种FEM软件对整车和发动机零部件的静强度、疲劳强度、动态特性进行分析计算,运用多体动力学软件对整车加速性、制动性和平顺性进行仿真分析,运用内燃机专用CFD软件对发动机配气结构运动规律、缸内流场、性能特性进行仿真分析。同时,设计所在建立了先进的快速测量体系之外,还购置了世界先进水平的振动、噪声、应力应变测试设备和内燃机燃烧诊断分析仪,为CAE/CFD计算分析提供必要的输入数据和边界条件以及对计算模型进行验证和修改。不断完善和优化的数字化设计平台,为缩短设计周期、提高设计质量打下了良好的基础。
   
围绕一个优秀的数字设计平台,建立适合的设计流程是实现新产品设计高效、准确的重要保证。经过十多年的探索发展,设计所和摩托车企业之间建立了以市场为导向,设计所作为设计主体提供数据一致的3D/2D设计数据,整机厂组织配套厂按照设计数据进行零部件试制,设计所协助整机厂进行样机装配、试制和试验的摩托车新产品合作开发模式。同时引入并行工程概念,在新产品开发流程的各个阶段设定多个评审点,摩托车企业和配套厂针对3D/2D数字模型,从市场定位、模具制造、生产工艺、装配工艺等方面实时发表评审意见,同时设计所在产品设计中对评审意见做出有效响应。
   
    3.摩托车整车全新设计
   
摩托车整车全新设计主要针对具有知识产权的外观形态特征部位进行全新设计,是摩托车产品创新设计的重要内容。外观形态特征部位是指用于与其它同类摩托车外观相区分的覆盖件、灯具、车座、油箱、挡泥板等零部件。
   
    3.1摩托车整车全新设计特点
   
1)现代摩托车呈现品种和结构形式多样化的特色,从外观造型的角度主要分为弯梁车、踏板车、骑式车、运动车、越野车、太子车等类型。同时,摩托车还形成了强烈的地域特色。同一类型的摩托车基本特征一致,外观形态越来越接近,在众多同类型产品中能够脱颖而出是摩托车整车全新设计的难点。
2)摩托车多采用各种自由曲面的起伏、过渡、转折来表现复杂的外形特征,美学设计特别重要。自由曲面构成特征面,特征面之间的过渡、转折形成特征线,特征面和特征线是外观设计的主要内容。
    3)以车架、发动机、悬挂、车轮等组成的基本车体结构确定了整车的类型、总体布置、结构尺寸、人机尺寸、受力分布、前后轮载荷分布等技术参数以及强度、刚度和动态特性等力学特性。因此,设计合理的基本车体结构,满足骑乘舒适、操纵方便、功能实用、低振动、低噪声等需求以及法规要求,是缩短设计时间、提高设计质量和降低试制成本的基础。
   
    3.2摩托车整车全新设计流程
   
设计所在摩托车行业内最早形成了行之有效的摩托车整车全新设计流程,见表1所示:

3.3利用UG NX进行摩托车新产品设计的特点
   
1)准确的车架模型是新产品设计的基础。
   
车架通过多样化的空间框架形式满足不同零部件的总体布置需要,在之上焊接的小型冲压件满足零部件的安装需要,不同类型的摩托车具有不同的车架结构形式如图1所示。车架是建立整车装配关系的基础,通过车架建立的整车坐标系是将实物模型测量数据转换到整车装配状态的基准。参考样车车架的测量和车架的3D设计都要在整车坐标系下进行,然后将发动机、车轮、悬挂等零部件的3D模型按照匹配关系虚拟装配到车架模型,就完成了车体基本结构的建模。利用UG NX的基本实体造型功能很容易就能完成车体基本结构零部件的3D建模。

    图1:典型摩托车车架形式

2)快速测量及数据处理提供了完整、准确的离散点数据
   
表达了设计创意的油泥模型首先需要转换为准确、完整、充分并且可供在UG NX环境下使用的离散点数据,才能进行三维曲面重建。采用流动式光学扫描仪ATOS成功地实现了对模型表面数据的快速测量,经过坐标系转换后可将测量数据统一到整车坐标系下。ATOS采集到的大量点云数据需要采用UG Imageware软件进行数据稀疏、分层放置、截面处理、去除噪声点等数据处理,然后通过IGES格式导入到UG NX软件中,如图2所示。

    图2:典型摩托车实物模型快速测量及数据处理

3)UG NX强大的自由曲面建模功能很好地满足了摩托车复杂表面的建模需要
   
曲面重建是外观设计的重点和难点,是将实物模型真实转化为产品的关键环节。UG NX提供了丰富的曲线和曲面生成、调整和分析的方式以及灵活多样的编辑功能,充分满足了复杂曲面重建的需要。
   
首先,参考特征线将曲面进行分片构造。构造曲面最常采用的方式建立网格曲面,网格曲面一般需要比相应的点云数据范围大,网格曲线要根据曲面变化规律构造,尽量使用最少的曲线,曲线的曲率变化尽可能平缓,尽量降低曲线的段数和阶数,同一方向的曲线要有相似的曲率变化趋势,同时曲线要保证光顺。除了单个曲面要光滑连续外,曲面之间形成的交线也要连续光滑。
   
其次,曲面连接较常用和易实现的方法是以曲面间的交线为导引线,进行等半径或变半径软倒角;也可预先确定相切边界对曲面进行裁剪后采用桥接的方法;或者与裁剪过的曲面建立具有边界相切约束的网格曲面,其关键点是要保证网格线与网格线延长线在曲面上的投影线相切连续。一般地合理设计曲面的生成方式和生成顺序,可以顺序生成连续曲面。对于摩托车造型中常采用的一些造型方法,如特征线逐渐消失,则需要对曲面进行局部切割后再进行补面。
   
曲面调整占曲面重建最大的工作量,通过调整曲线来控制曲面质量,是对曲面进行精细调整有效而准确的方法。曲面重建过程中,一直贯穿着曲面质量的检查,在曲面光顺性和曲面与点云数据的偏离之间取得一个良好的折衷。图3所示为典型摩托车曲面重建。

    图3:典型摩托车曲面重建

    4)整车装配状态下进行详细结构设计
   
在新产品设计过程中一直贯穿着在整车装配状态下进行三维设计的概念,保证了整车零部件的准确的结构设计和准确的装配关系,以及外观件相关特征曲面、特征线、边界线的连续性,同时可以及时对动、静干涉进行检查。将曲面模型与基本车体结构模型装配在一起后就可以进行整车零部件的详细结构设计工作。UG NX提供了曲面特征增厚或用曲面特征去切割实体的方法将曲面特征转化为实体特征,在设计时可以灵活应用。覆盖件需要进行合理分块,巧妙设计之间的搭接结构;油箱、坐垫要根据外观曲面、安装空间及功能要求完成底板等内部结构;灯具、仪表建立外形和安装结构模型;车体基本结构要根据安装需要进行适应性设计修改。摩托车整车零部件多、空间紧凑、连接安装结构及装配关系均比较复杂,如图4所示。详细结构设计的重点在于如何实现结构简单、装配性好、满足模具制造和装配工艺的要求。

    图4:典型摩托车结构设计

5)UG NX提供了便捷的CAE分析功能
   
车架作为摩托车的骨架,空间结构形式和受力状态最为复杂,是影响摩托车整车强度和振动问题最为关键的因素之一。UG NX提供了CAD/CAE集成环境,CAE环境下的CAD模型与主模型相关,同时可以进行再处理。利用UG NX可以快速提取中面、组合复杂钢板冲压件的曲面碎面、抑止不影响分析结果的孔、倒角和细微曲面等特征,有利于降低网格数量、增加网格均匀性。利用2D MESH功能可以很容易地对每个零件进行网格划分,采用Edge-Face Connections功能产生刚性连接单元,用于对零件间的焊缝进行近似处理,将所有零件的单元连接在一起后就完成了网格划分工作,之后可进行强度和动态特性分析相关分析,如图所示5所示。   

    图5:典型摩托车车架有限元分析

    3.4摩托车整车全新设计案例
   

4.摩托车发动机数字化设计
   
摩托车发动机热机部分输出动力,传动部分将动力输出到后轮,通过变速比的调整将发动机工况与整车运行状态相匹配。同时,发动机不但排出污染物,而且是摩托车的主要噪声源和振动激励源。作为摩托车最重要的总成,发动机直接决定着摩托车整车的动力性能、排放指标和NVH(振动噪声舒适性)水平。

4.1发动机产品特点:
    
  从结构设计的角度出发,发动机产品具有以下特点:
   
1)排量范围广、结构类型和动力特性多样化:摩托车发动机排量分布在50~1900ml之间,从二冲程到四冲程;从风冷、油冷到水冷;从立式到卧式;从单缸、双缸到四缸;从两气门、三气门、四气门到五气门;从有档变速到无级变速;从输出轴直接传动、链传动到轴传动等等,不同组合构成了不同结构形式和动力特性的发动机以匹配不同类型的摩托车整车。
   
2)发动机内部结构布置紧凑:由于摩托车整车尺寸的限制,发动机布置空间有限,一般的,不同于汽车发动机,摩托车发动机不设独立的传动箱,而是将热机部分和传动部分统一地设计到机体内。图6所示为一250ml、水冷、四气门、立式发动机的内部结构3D装配模型,主要包括活塞连杆曲柄、顶置凸轮配气机构、平衡轴、五档变速、换档操纵、片式湿式离合器、电起动、磁电机等机构,装配关系复杂,空间布置紧凑。

    图6:水冷发动机内部结构及机体组
   
    图7: V型双缸发动机润滑及冷却系统

3)发动机机体组结构复杂:机体组包括气缸盖罩、气缸盖、气缸体、曲轴箱和曲轴箱盖等零部件,如图6所示。机体组不但要提供发动机内部结构的安装位置和运动空间,还要通过润滑油路和冷却水路将润滑系统和冷却系统联通一起,图7所示为250ml、V型双缸、水冷发动机的润滑系统和冷却系统布置图。
   
4)发动机具有美学功能:摩托车发动机部分或全部地裸露在外,作为整车造型的一部分,还具有强烈的美学功能,外观设计是发动机设计的重要组成部分,如图8所示。

    图8:发动机外观效果图设计及三维模型

    4.2摩托车发动机创新设计流程
   
设计所形成的摩托车发动机全新设计流程与整车全新设计流程各有侧重,见表2所示
   

    表2:摩托车发动机全新设计流程

4.3利用UG NX建立发动机虚拟模型有以下特点:
   
1)建立准确的零件3D模型是发动机设计的基础
   
发动机零件结构复杂,特别是机体组零件必须建立准确的3D模型,为CAM提供准确的产品数据来源。曲轴箱体、曲轴箱盖主要支撑曲轴、传动轴、平衡轴、起动轴等传动部件,并且提供其运动回转空间,是表面形状复杂的薄壁压铸零件,具有凸台、凹台、圆柱、孔等标准特征多的特点。通过对产品特征进行合理分解,灵活应用UG NX的成型特征和特征操作,按照循序渐进的方法就可以完成。图9所示为典型发动机曲轴箱三维模型:

    图9:典型发动机曲轴箱三维模型

    
气缸盖是发动机最为复杂的机体零件,在相对较小的体积上,要布置有燃烧室、进排气道、气门驱动机构、润滑油道、火花塞等零部件。随着多气门技术和水冷技术的大量应用,更是增加了缸盖的复杂程度。在建模过程中,除了将产品特征合理分解外,还需要利用曲面建模功能构建燃烧室、气道和冷却水套的3D模型,如图10所示。在零件建模过程中要确立"面向制造"的设计理念,充分考虑模具设计、工艺制造的应用要求,不能忽视拨模角特征。

    图10:典型发动机气缸盖及相关零部件装配三维模型

    
2)采用装配环境下的零件3D建模和修改保证了复杂装配关系的准确发动机设计
   
发动机设计一般采用自底向上,由零件到部件的设计方法。机体是发动机装配的基础,机体零件要在统一的整机坐标系下进行3D建模,从建模开始就要随时检查和调整缸头与缸体之间、左右曲轴箱之间、曲轴箱与曲轴箱盖之间结合面的数据,保证其一致性。内部运动结构件可以在各自独立坐标系下建模,然后按照匹配关系装配到整机中。UG NX采用虚拟装配模式,对零部件部件的三维模型进行装配引用,在保持了零部件在装配模式和建模模式下的数据相关性的同时,有效地提高了装配设计的效率。零部件在装配环境中除了进行装配分析、静干涉检查外,还必须进行动干涉检查,例如:连杆在回转过程中与活塞、缸体和曲轴箱的干涉检查。利用三维模型可以方便地分析重要物理参数,如零件质量、惯性矩、离心力和燃烧室容积等用于设计计算,同时便于在其基础上进行CAE/CFD分析。
   
3)UG NX灵活多样的编辑功能很好地满足了零件模型调整、修改的需要发动机创新设计需要对参考样机、数据库借用结构等进行再设计,因此UG NX的特征编辑功能很重要。发动机成型特征一般是以二维曲线为基础进行拉伸或旋转形成。UG NX提供了灵活的曲线生成和编辑功能,根据需要曲线即可以完全参数化,也可以非参数化。通过修改或替换曲线可将成型特征进行重塑,而保持在之后的特征不变,特别有利于数据模型的设计修改。特别地,UG NX提供的设计特征的重新排序和将既往特征设为当前特征的功能,可以大量节省模型更改时间。
   
4)2D工程图是发动机设计的重要组成部分
   
由于发动机的内部结构、力学特性、热力循环过程等都比较复杂,名义尺寸精度、形位公差和配合等级直接影响到发动机的力学性能和燃烧过程。发动机的2D工程图依然是产品试制和生产的重要数据依据,同时也是设计的重点和难点。利用UG NX的工程图功能可以灵活、方便地对3D零件和组件模型进行多角度和多方位的投影和剖切,以满足设计意图的表达需要。然后,根据已形成的2D设计规范,进行零部件的尺寸、公差、表面粗糙度等标注,同时标明材料、热处理等技术要求。UG NX提供了易于与Auto CAD进行数据交换的接口,满足了实际设计需要。
   
4.4发动机创新设计成功案例
   

5.结论
   
1)UG NX很好地满足了既包含复杂的外部形状又涉及复杂的内部结构的摩托车产品三维建模和虚拟装配的设计需要。设计所经过十多年总结出的建模经验已经融入到设计规范中,设计人员能够随心所欲地实现各种复杂的设计特征,从而将更多的精力投入到产品的创新设计中。
2)三维虚拟产品设计不仅为提高设计数据的精确性提供了重要手段,而且实现了与模具厂的无缝结合,提高了模具制造的准确性和制造速度。数字化产品数据库的不断扩充和完善,为创新设计提供了大量的参考数据并且经过调整后可以快速应用到新产品设计当中。
3)UG NX提供了CAD/CAE集成环境,其独具特色的模型简化和网格划分功能弥补了专用CAE分析软件建模能力的欠缺,并且能够快速反应设计变更, 特别是针对复杂结构,更体现出其优越性。UG NX易于快速普及和提高CAE技术的应用水平,特别适宜于CAD建模经验丰富的设计人员使用。
4)实践证明设计所建立的以逆向设计为基础、以正向设计为主导的新产品创新设计流程适宜于高效率、高质量地开发具有自主知识产权的摩托车新产品。在设计过程中引入市场、装配、生产、制造等需求,对于缩短设计周期、成功开发新产品具有重要意义。

相关标签搜索：基于UG NX实现摩托车新产品创新设计 AutoCAD培训 AutoCAD培训课程 AutoCAD图纸设计 AutoCAD在线视频 AutoCAD技术学习教程 AutoCAD软件教程 AutoCAD资料下载 Fluent、CFX流体分析 HFSS电磁分析 Ansys培训 Abaqus培训 Autoform培训