【文章內(nèi)容簡介】 el 3D， ADAMS 等。多剛體動力學(xué)模擬軟件的最大優(yōu)點在于分析過程中無需編寫復(fù)雜仿真程序，在產(chǎn)品的設(shè)計分析時無需進行樣機的生產(chǎn)和試驗。對內(nèi)燃機產(chǎn)品的部件裝配進行機構(gòu)運動仿真，可校核部件運動軌跡，及時發(fā)現(xiàn)運動干涉；對部件裝配進行動力學(xué)仿真，可校核機構(gòu)受力情況；根據(jù) 崔振龍 ： 基于 Pro/E 農(nóng)機典型機構(gòu)的建模與仿真 3 機構(gòu)運動約束及保證性能最優(yōu)的目標進行 機構(gòu)設(shè)計優(yōu)化，可最大限度地滿足性能要求，對設(shè)計提供指導(dǎo)和修正 [2]。目前國內(nèi)大學(xué)和企業(yè)已經(jīng)已進行了機構(gòu)運動、動力學(xué)仿真方面的研究和局部應(yīng)用，能在設(shè)計初期及時發(fā)現(xiàn)內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)干涉，校核配氣機構(gòu)運動、動力學(xué)性能等，為設(shè)計人員提供了基本的設(shè)計依據(jù) [34]。 目前國內(nèi)外對發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的動力學(xué)分析的方法很多，而且已經(jīng)完善和成熟。其中機構(gòu)運動學(xué)分析是研究兩個或兩個以上物體間的相對運動，即位移、速度和加速度的變化關(guān)系：動力學(xué)則是研究產(chǎn)生運動的力。發(fā)動機曲柄連桿機構(gòu)的動力學(xué)分析主要包括氣體力、慣性力、軸承力和 曲軸轉(zhuǎn)矩等的分析，傳統(tǒng)的內(nèi)燃機工作機構(gòu)動力學(xué)、運動學(xué)分析方法主要有圖解法和解析法 [5]。 （ 1） 解析法 解析法是對構(gòu)件逐個列出方程，通過各個構(gòu)件之間的聯(lián)立線性方程組來求解運動副約束反力和平衡力矩，解析法又包括單位向量法、直角坐標法等。 （ 2） 圖解法 圖解法形象比較直觀，機構(gòu)各組成部分的位移、速度、加速度以及所受力的大小及改變趨勢均能通過圖解一目了然。圖解法作為解析法的輔助手段，可用于對計算機結(jié)果的判斷和選擇。解析法取點數(shù)值較少，繪制曲線精度不高。不經(jīng)任何計算，對曲柄連桿機構(gòu)直接圖解其速度和加速度的方 法最早由克萊茵提出，但方法十分復(fù)雜 [6]。 （ 3） 復(fù)數(shù)向量法 復(fù)數(shù)向量法是以各個桿件作為向量，把在復(fù)平面上的連接過程用復(fù)數(shù)形式加以表達，對于包括結(jié)構(gòu)參數(shù)和時間參數(shù)的解析式就時間求導(dǎo)后，可以得到機構(gòu)的運動性能。該方法是機構(gòu)運動分析的較好方法。 通過對機構(gòu)運動學(xué)、動力學(xué)的分析，我們可以清楚了解內(nèi)燃機工作機構(gòu)的運動性能、運動規(guī)律等，從而可以更好地對機構(gòu)進行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計。但是過去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機械運動盡管能夠給出解析表達式，卻難以計算出供工程設(shè)計使用的結(jié)果，不得不用粗糙近似的圖解法求得數(shù) 據(jù)。近年來隨著計算機的發(fā)展，可以利用復(fù)雜的計算表達式來精確求解各種運動過程和動態(tài)過程，從而形成了機械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計的現(xiàn)代理論和方法。 通過對機構(gòu)運動學(xué)和動力學(xué)分析，我們可以清楚了解內(nèi)燃機工作機構(gòu)的運動性能、運動規(guī)律等，從而可以更好地對機構(gòu)進行性能分析和產(chǎn)品設(shè)計。但是過去由于手段的原因，大部分復(fù)雜的機構(gòu)運動盡管能夠給出解析式，卻難以計算出供工程使用的計算結(jié)果，不得 崔振龍 ： 基于 Pro/E 農(nóng)機典型機構(gòu)的建模與仿真 4 不用粗糙的圖解法求得數(shù)據(jù)。隨著計算機的發(fā)展，可以利用復(fù)雜的計算表達式來精確求解各種運動過程和動態(tài)過程，從而形成機械性能分析和產(chǎn)品設(shè)計的現(xiàn)代理論和 方法。 機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)的核心是利用計算機輔助技術(shù)進行機械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)分析，以確定系統(tǒng)各構(gòu)件在任意時刻的位置、速度和加速度，進而確定系統(tǒng)及其及其各構(gòu)件運動所需的作用力 [5]。目前，在對內(nèi)燃機曲柄連桿機構(gòu)進行動力學(xué)分析時，大多采用的是專業(yè)的虛擬樣機商業(yè)軟件，如 ADAMS 等。這些軟件的功能重點是在力學(xué)分析上，在建模方面還是有很多不足，尤其是對這些復(fù)雜的曲柄連桿機構(gòu)零部件的三維建模很難實現(xiàn)。因而在其仿真分析過程中對于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的模型就要借助 CAD 軟件來完成，如 Pro/E、 UG、Solidworks 等 [4]。當考慮到對多柔體系統(tǒng)進行動力學(xué)分析時，有時還需要結(jié)合 Ansys 等專業(yè)的有限元分析軟件來進行 [7]。這一過程十分復(fù)雜，不僅需要對這些軟件有一定了解，還需要處理好軟件接口之間的數(shù)據(jù)傳輸問題，而且軟件使用成本也很高。 設(shè)計研究的主要內(nèi)容 （ 1） 對曲柄連桿機構(gòu)進行運動學(xué)和動力學(xué)分析，分析曲柄連桿機構(gòu)中各種力的作用情況，并根據(jù)這些力對曲柄連桿機構(gòu)的主要零部件進行強度、剛度等方面的計算和校核，以便達到設(shè)計要求； （ 2）分析曲柄連桿機構(gòu)中主要零部件如活塞，曲軸，連桿等的工作條件和設(shè)計要求，進行合理選材，確定出 主要的結(jié)構(gòu)尺寸，并進行相應(yīng)的尺寸檢驗校核，以符合零件實際加工的要 求； （ 3）應(yīng)用 Pro/E 軟件對曲柄連桿機構(gòu)的零件分別建立實體模型，并將其分別組裝成活塞組件，連桿組件，然后定義相應(yīng)的連接關(guān)系，最后裝配成完整的機構(gòu)，并進行運動仿真分析，檢測其運動干涉，獲取分析結(jié)果； （ 4）應(yīng)用 Pro/E 軟件將零件模型圖 轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的工程圖，并結(jié)合使用 AutoCAD 軟件，系統(tǒng)地反應(yīng)工程圖上的各類信息，以便實現(xiàn)對機構(gòu)的進一步精確設(shè)計和檢驗。 PRO/E 簡介 Pro/Engineer 是美國 PTC 公司的產(chǎn)品，于 1988 年問 世。 10 多年來，經(jīng)歷 20 余次的改版，已成為全世界及中國地區(qū)最普及的 3D CAD/CAM 系統(tǒng)的標準軟件，廣泛應(yīng)用于電子、機械、模具、工業(yè)設(shè)計、汽車、航天、家電、玩具等行業(yè)。 Pro/E 是全方位的 3D 產(chǎn)品開發(fā)軟件包，和相關(guān)軟件 Pro/DESINGER（造型設(shè)計）、 Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件設(shè)計、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、加工制造、鈑金件設(shè)計、鑄造件設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、逆 崔振龍 ： 基于 Pro/E 農(nóng)機典型機構(gòu)的建模與仿真 5 向工程、自動測量、機構(gòu)分析、有限元分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理等功能，從而使用戶縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間并簡化了開發(fā)的流程；國際上有 27000 多企業(yè)采用了 PRO/ENGINEER 軟件系統(tǒng)，作為企業(yè)的標準軟件進行產(chǎn)品設(shè)計。下面就 Pro/ENGINEER 的特點進行簡單的介 紹。 （ 1）主要特性全相關(guān)性： Pro/ENGINEER 的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進行的修改，能夠擴展到整個設(shè)計中，同時自動更新所有的工程文檔，包括裝配體、設(shè)計圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。基于特征的參數(shù)化造型： Pro/ENGINEER 使用用戶熟 悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進行修改。例如：設(shè)計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用。裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨特的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性），然后修改參數(shù)很容易的進行多次設(shè)計疊代，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。 （ 2）數(shù)據(jù)管理：加速投放市場，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學(xué)科的工程師同時對同一產(chǎn)品進行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專 門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使用了 Pro/ENGINEER 獨特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。 （ 3）裝配管理： Pro/ENGINEER 的基本結(jié)構(gòu)能夠使您利用一些直觀的命令，例如“嚙合”、“插入”、“對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設(shè)計意圖。高級的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。 （ 4）易于使用：菜單以直觀的方式聯(lián)級出現(xiàn)，提供了邏輯選項和預(yù)先選取的最普通選項，同時還提供了簡短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學(xué)習(xí)和使用。 Pro／ E包含 了許多的功能模塊，本設(shè)計中主要用到以下三個模塊： （ 1） Pro／ Engineer Pro/Engineer 是該系統(tǒng)的基本部分，其中功能包括參數(shù)化功能定義、實體零件及組裝造型，三維上色實體或線框造型棚完整工程圖產(chǎn)生及不同視圖（三維造型還可移動，放大或縮小和旋轉(zhuǎn)）。 Pro/Engineer 是一個功能定義系統(tǒng)，即造型是通過各種不同的設(shè)計專用功能來實現(xiàn)，其中包括：筋（ Ribs）、槽（ Slots）、倒角（ Chamfers）和抽空（ Shells）等，采用這種手段來建立形體，對于工程師來說是更自然，更直觀，無需采用復(fù)雜 的幾何設(shè)計方式。這系統(tǒng)的參數(shù)比功能是采用符號式的賦予形體尺寸，不像其他系統(tǒng)是直接指定 崔振龍 ： 基于 Pro/E 農(nóng)機典型機構(gòu)的建模與仿真 6 一些固定數(shù)值于形體，這樣工程師可任意建立形體上的尺寸和功能之間的關(guān)系，任何一個參數(shù)改變，其也相關(guān)的特征也會自動修正。這種功能使得修改更為方便和可令設(shè)計優(yōu)化更趨完美。造型不單可以在屏幕上顯示，還可傳送到繪圖機上或一些支持 Postscript 格式的彩色打印機。 Pro/ Engineer 還可輸出三維和二維圖形給予其他應(yīng)用軟件，諸如有限元分析及后置處理等，這都是通過標準數(shù)據(jù)交換格式來實現(xiàn)，用戶更可配上 Pro/Engineer軟件的其 它模塊或自行利用 C 語言編程，以增強軟件的功能。它在單用戶環(huán)境下 (沒有任何附加模塊 )具有大部分的設(shè)計能力，組裝能力 (人工 )和工程制圖能力 (不包括 ANSI， ISO， DIN 或 JIS 標準 )，并且支持符合工業(yè)標準的繪圖儀 (HP， HPGL)和黑白及彩色打印機的二維和三維圖形輸出。 Pro/Engineer 功能如下： ①特征驅(qū)動（例如：凸臺、槽、倒角、腔、殼等）； ②參數(shù)化（參數(shù) =尺寸、圖樣中的特征、載荷、邊界條件等）； ③通過零件的特征值之間，載荷 /邊界條件與特征參數(shù)之間（如表面積等）的關(guān)系來進行設(shè)計。 ④支持大型 、復(fù)雜組合件的設(shè)計 (規(guī)則排列的系列組件，交替排列， Pro／ PROGRAM 的各種能用零件設(shè)計的程序化方法等 )。 ⑤貫穿所有應(yīng)用的完全相關(guān)性 (任何一個地方的變動都將引起與之有關(guān)的每個地方變動 )。其它輔助模塊將進一步提高擴展 Pro／ ENGINEER 的基本功能。 （ 2） Pro／ ASSEMBLY Pro/ASSEMBLY 是一個參數(shù)化組裝管理系統(tǒng)，能提供用戶自定義手段去生成一組組裝系列及可自動地更換零件。 Pro/ASSEMBLY 是 Pro/ADSSEMBLY 的一個擴展選項模塊，只能在 Pro/Engineer 環(huán)境下運 行，它具有如下功能： ① 在組合件內(nèi)自動零件替換 (交替式 )； ② 規(guī)則排列的組合 (支持組合件子集 )； ③ 組裝模式下的零件生成 (考慮組件內(nèi)已存在的零件來產(chǎn)生一個新的零件 )； ④ Pro/ASSEMBLY 里有一個 Pro/Program 模塊，它提供一個開發(fā)工具。使用戶能自行編寫參數(shù)化零件及組裝的自動化程序，這種程序可使不是技術(shù)性用戶也可產(chǎn)生自定義設(shè)計，只需要輸入一些簡單的參數(shù)即可； ⑤ 組件特征 (繪零件與，廣組件組成的組件附加特征值．如：給兩中零件之間加一個焊接特征等）。 （ 3） Pro/ENGINEER Mechanism Dynamics 崔振龍 ： 基于 Pro/E 農(nóng)機典型機構(gòu)的建模與仿真 7 Pro/ENGINEER Mechanism Dynamics 虛擬地仿真運動組件的加速力和重力的反作用力了解動力效應(yīng)，工程師無需等待實物樣機就能測試產(chǎn)品的動力耐久性，利用 Pro/ENGINEER 機構(gòu)動力學(xué)仿真，可以虛擬地仿真運動組件的加速力和重力的反作用力。而且，您可以綜合考慮諸如彈簧、電動機、摩擦力和重力等動力影響，相應(yīng)地調(diào)整產(chǎn)品性能。無需背上研制樣機的高昂費用負擔就能獲得最大的設(shè)計信心。 功能及益處：綜合考慮彈簧、阻尼器、電動機、摩擦力、重力和定制的動力負載，以評 估產(chǎn)品性能。使用設(shè)計研究來優(yōu)化機構(gòu)在一組輸入變量下的性能，創(chuàng)建準確的運動包絡(luò)，以用于干涉和空間聲明研究中。通過動力學(xué)分析獲得準確的測量值，以設(shè)計更堅固、更輕和更高效的機構(gòu)，直接從動力學(xué)仿真中創(chuàng)建優(yōu)質(zhì)動畫。 2 曲柄連桿機構(gòu)的創(chuàng)建 運用 Pro/E 軟件分別對曲柄連桿機構(gòu)的各個零件進行模型的建立，具體步驟如下： 對 Pro/E 軟件基本功能的介紹 Pro/E 軟件是美國 PTC 公司推出的大型 CAD/CAM/CAE 一體化軟件。無論是造型設(shè)計、工程出圖，以及 3D裝配等方面， Pro/E 都具有操作容易、使用方便、可動態(tài)修 改的特點。 Pro/E 更是以其基于特征的參數(shù)化設(shè)計、單一數(shù)據(jù)庫下的全相關(guān)性等新概念而聞名于世。另外還具有模具設(shè)計，動態(tài)、靜態(tài)干涉檢查，計算質(zhì)量特征（如質(zhì)心、慣性矩）等功能模塊。用 Pro/E 創(chuàng)建的三維參數(shù)化零件模型，不但可以在屏幕上自由的翻轉(zhuǎn)動態(tài)觀察結(jié)構(gòu)形體，更可以進行方便的動態(tài)修改和調(diào)整。進行力學(xué)分析、運動分析、數(shù)控加工等。 活塞的創(chuàng)建 活塞的特點分析 活塞是在高溫、高壓、高腐蝕的條件下，在汽缸內(nèi)做高速往復(fù)直線運動的。要適應(yīng)這樣惡劣的工作條件，必須具有相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。 （ 1）活塞頂部外表面設(shè) 計成凹面形，以利于燃燒室內(nèi)的氣體形成渦流，使燃料與空氣混合得更均勻，燃燒得更充分。 （ 2）在活塞的頭部有三道環(huán)形槽，上邊兩道環(huán)形槽為氣環(huán)槽，下邊一條為油環(huán)槽。 （ 3