SolidWorks船舶柴油机虚拟装配

2013-07-01 by:广州Solidworks培训中心来源:仿真在线

0 前言

船舶柴油机的可靠性、寿命及主要性能参数在很大程度上取决于装配工艺水平和装配质量。传统的船舶柴油机装配阶段是船舶柴油机制造中的最终阶段,也是发生质量问题最多的阶段。由于在编制装配工艺初期,没有数字化装配验证的手段,在实际装配阶段,经常会发生零部件间的干涉或装配顺序不合理等现象,而且许多零部件制造阶段产生的质量隐患往往要等到装配阶段才能显现出来;因而导致船舶柴油机装配周期很长,返工率很高,而且装配质量不稳定,这些都严重制约着船舶柴油机行业生产能力的提高。虚拟装配技术的出现有效地解决了这一技术瓶颈。虚拟装配是在虚拟环境中,利用虚拟现实技术将设计的产品三维模型进行预装配,在满足产品性能与功能的条件下,通过分析、评价、规划和仿真等手段改进产品的设计和装配的结构,实现产品可装配性和经济性。本文提出了一种基于SolidWorks的船舶柴油机虚拟装配和运动仿真方法,并通过对MAN B&W 5S60MC-C型柴油机全过程的实践,证明了可以运用SolidWorks软件的装配和动画制作功能,来验证装配序列和装配路径的可行性、分析最佳装配次序、确定最优装配路径。同时,通过动态模拟复杂船舶柴油机装拆工艺过程,可以让装配工人熟练掌握装配工艺、正确地进行装配操作、提高装配质量。

1 SolidWorks软件功能简介

SolidWorks软件是美国solidWbrks公司在Windows平台上研制开发的三维机械设计软件,是一套优秀的、综合性的软件;除了具有草图绘制、零件造型、装配体设计、工程图生成、模具设计、钣金设计等主要功能外,还可利用自带的插件对设计的零件部件进行相关的分析和优化。通过插件的使用,用户可以在同一个软件界面下对同一个模型进行设计、分析、优化的操作,不需要将模型转换文件格式及重新熟悉其他分析软件界面。其中,Animator插件具有动画制作功能,它可以将装配好的船舶柴油机旋转、爆炸或解除爆炸,模拟它的装拆过程,展示船舶柴油机中零部件的配合关系,非常直观、生动、形象;使装配工艺设计人员和装配操作工人可以从不同角度去观察船舶柴油机,清楚地了解它的结构、组成和装配过程。

2 船舶柴油机零件的三维建模

在进行船舶柴油机的虚拟装配及运动仿真之前,要进行有关零件的造型。船舶柴油机由很多零部件构成,如:机座、机架、气缸体、活塞组件、连杆十字头组件、曲轴组件、气缸套、气缸盖、凸轮轴等;其中,圆柱销、部分连接用螺钉是标准件,可激活Toolbox插件从标准件库中调用,不需另外造型;其他为专用件,需要进行造型设计。SolidWorks2008用户界面非常人性化,便于操作,它提供了强大的参数化、基于特征的实体造型技术;利用SolidWorks的基础特征(拉伸、旋转等)、设计特征(圆角、倒角、异形孔等)、镜像特征(阵列、镜像等)以及参考几何体中基准轴、基准面等定位特征,这些三维实体造型工具能够方便、快捷地创建出船舶柴油机组成零件的实体,并通过草图的几何约束及尺寸约束功能,可以创建出尺寸十分精确的零件造型,如图1所示。

图1 MAN B&W 5S60MC-C型柴油机部分零件立体图

3 船舶柴油机的装配体建立

设计装配体有两种方式:①自下而上,②自顶向下。自下而上设计法是一种比较传统的方法:首先,生成各个零件,将其插入装配体;然后,根据设计要求配合零部件,将其装配起来。因为零件为独立设计的,对于一般相互结构关系及重建行为较为简单的机械设计,这种方法比较清楚,也很实用。自顶向下的设计方法,是在装配体中边生成零件边配合零件来生成装配体,可以使用一个零件的几何体来帮助定义另一个零件或生成组装零件后才添加加工特征,这对于装配关系复杂的零部件设计较适用。船舶柴油机装配体的设计就是在上述完成零件造型的基础上,完成自下而上的装配。先新建一个装配体,然后在插入零部件对话框中点击浏览,依次选择要插入的零部件即可。其中,第1个插入的零件十分重要,它是整个装配体的装配基础,SolidWorks软件已默认第1个插入的零件为固定零件,其他所有的装配体零件都是以此为基础。

由于船舶柴油机零件部件很多,装配体也很多复杂,实际的船舶柴油机装配生产分为预装和总装两个部分(即:先将一些零部件装成部件,然后再将这些部件装配成整机);因此,在建立船舶柴油机的装配体时。也按照先建立部件装配体,然后建立整机的装配体。应当注意的是,部件装配体在整机装配体中是于装配体,子装配体在装配体中相当于一个整体,即使子装配体中的零件之间没有全定位(即:可相对运动),而在装配体中,子装配体中的零件是不能相对运动的,因此,一些在装配体中需要相互之间能够相对运动的零件不能装配在一个子装配体中(例如,在实际生产中,通常是将连杆组件和十字头组件装配在一起,再进行总装配的)。但由于在整机装配体中,连杆和十字头销之间必需能相对转动,因此只可以将连杆组件和十字头组件分别作为两个子装配体装在整机装配体中。另外,在整机装配体中,为了减少数据的载入量、提高装配体的重建速度,可轻化零部件。

部件装配体建立时,通常选择部件中的主要零件作为装配参照体第1个插入到装配体中;而整机装配体则以总装配台架的基础作为装配参照体第1个插入到装配体中。插入零件后,要使零件之间达到准确的配合,必须建立准确的装配约束;两个零件之间的装配约束,一般用三个坐标方向的位移以及绕这三个坐标方向的转动表示;系统在配合菜单下提供了重合、平行、垂直、相切、同轴心、距离、角度7种标准配合,对称、宽度、路径配合、线性/线性耦合等4种高级配合,以及凸轮、齿轮、齿条小齿轮、螺旋、万向节等5种机械配合;另外,在装配体的特征中,还提供了皮带/链,可以定义皮带或链传动。在装配过程中的配合关系应根据零件的运动状态来选取,并且要考虑运动自由度的问题:船舶柴油机部件装配体和整机装配体中主要选取重合、同轴心、距离、凸轮、齿条小齿轮、螺旋等配合方式,以及皮带/链装配体特征;部分装配体装配后的效果见图2所示。完成装配后,为了避免实物安装时产生干涉而无法安装,必须进行装配体的干涉检查;并干涉修改相应零件,直到获得满意结果。

图2 MAN B&W 5S60MC-C型柴油机部分部件装配和整机装配图

4 船舶柴油机的虚拟装配

为了直观地表达出零部件之间的装配关系与装配意图,即进行虚拟装配,需要将装配体生成爆炸视图(如图3所示)。各零件的爆炸步骤应该按照各零件的实际拆卸顺序进行,先拆卸的零件先爆炸。爆炸的方向,可通过选择装配体中零件的三维座标方向或零件的平面、边线等特征来确定,爆炸的距离则可以输入距离值来确定,以能看清各零件的结构为宜。

图3 MAN B&W 5S60MC-C型柴油机部分装配体爆炸图

虚拟装配是根据产品设计的形状特性、精度特性,真实地模拟产品的三维装配过程,并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程,以检验产品的可装配性。在生成了船舶柴油机部件装配体爆炸视图或整机装配体爆炸视图的基础上,利用SolidWorks自带的动画制作功能,来模拟船舶柴油机部件或整机的虚拟装配过程。

将装配体爆炸视图解除爆炸后,点击“运动算例1”标签,切换到动画制作界面,利用动画向导可以生成旋转装配体模型、爆炸、解除爆炸的3种基本动画。旋转装配体模型,可使装配体绕X轴、Y轴、Z轴作整体地旋转,用于展示装配体的外观;爆炸和解除爆炸分别用于生成装配体的爆炸过程动画和其反过程动画,用于展示装配体的结构和装拆过程,但使用的前提是装配体必须生成爆炸视图。要生成虚拟装配动画,运用动画向导生成解除爆炸动画即可。下面以十字头组件装配体的虚拟装配为例,介绍虚拟装配动画制作过程。

打开制作好的十字头组件装配体爆炸视图,点击“运动算例1”标签,点击“动画向导”。出现“选择动画类型”对话框,选择“解除爆炸”,如果是修改爆炸视图后重新制作动画,则可勾选“删除所有现有路径”以删除以前制作的动画内容。点击“下一步”,出现“动画控制选项”,输入动画长度和开始时间,默认的动画长度是按每一爆炸步骤为1秒钟计算的总的时间长度,如想使动画较慢以便于观看装配过程,可适当增加时间长度,开始时闻一般输入“0”即可,点击完成以生成动画。十字头组件装配体生成的虚拟装配动画路径如图4所示。

图4 MAN B&W 5S60MC-C型柴油机十字头组件装配体虚拟装配动画路径

动画生成后,点击“播放”可播放动画,观看虚拟装配的效果,如发现虚拟装配的零件次序不对,可拖动该零件的对应时间键码,以改变其动画路径,从而改变其装配的次序。如果发现虚拟装配存在干涉,则说明产品无法装配,应回到爆炸视图,更改爆炸设计。所有修改完成后,需点击“计算”按钮,重新计算运动算例,生成新的动画,合格后单击“保存”按钮,可将动画保存为AVI格式的视频文件。

5 船舶柴油机的运动仿真

船舶柴油机整机装配体装配完成后,可运用“运动算例”中的马达功能,使曲轴按照一定的转速旋转,进行船舶柴油机的运动仿真。通过船舶柴油机的运动仿真,可观察船舶柴油机各主要运动件的运动状态(如:曲轴、连杆、十字头、活塞、凸轮轴等),也可模拟船舶柴油机喷油正时和排气正时的检查调整过程。船舶柴油机的运动仿真动画同样可以保存为AVI格式的视频文件。

6 结语

利用SolidWorks软件及其虚拟装配和仿真动画,真实显现了船舶柴油机的装配过程和工作原理,验证装配序列和装配路径的可行性,分析最佳装配次序,确定最优装配路径,提高了装配质量。

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