CATIA在活塞設(shè)計中的應(yīng)用

2016-11-25 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

CATIA作為功能強大的計算機輔助繪圖軟件,集設(shè)計、分析、制造于一體,現(xiàn)在已經(jīng)廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)。在進行汽車零件的方案設(shè)計時,它不僅可以方便快捷地繪制產(chǎn)品外型,而且還可以進行產(chǎn)品的機構(gòu)運動與裝配分析,對零部件進行動態(tài)仿真分析,有效縮短了開發(fā)周期,提高設(shè)計質(zhì)量,降低開發(fā)費用。

本文以V6汽油發(fā)動機活塞設(shè)計為例,在CATIA軟件中對其零部件進行建模、虛擬裝配、運動仿真等操作,闡述如何利用CATIA進行活塞設(shè)計。

1、CATIA對于零件設(shè)計的優(yōu)勢

虛擬裝配是一種零件模型按約束關(guān)系進行重新定位的過程,根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計的形狀特性、精度特性,真實地模擬產(chǎn)品三維裝配過程。同時,允許用戶以交互方式控制產(chǎn)品的三維模型真實模擬裝配過程,實現(xiàn)三維設(shè)計過程與實際零部件的設(shè)計制造.裝配過程的高度統(tǒng)一,是有效分析產(chǎn)品設(shè)計合理性的一種手段。通過虛擬裝配可以初步對活塞與其它零件是否干涉有初的了解,同時為之后的運動分析打下基礎(chǔ)。

運動仿真是指通過構(gòu)建運動機構(gòu)模型,分析其運動規(guī)律,進行機構(gòu)的干涉分析;跟蹤零件的運動軌跡,進行運動參數(shù)分析,將設(shè)計與實際生產(chǎn)聯(lián)系起來。DMU是CATIA的運動分析模塊,它集成在CATIA中,可直接調(diào)用建模參數(shù)進行優(yōu)化分析,常用它進行較為簡單的運動機構(gòu)仿真分析?；钊O(shè)計時,通過DMU模塊分析,可以確定活塞與曲軸,噴油嘴和進、排氣門之間的間隙,對相應(yīng)位置進行調(diào)整,避免活塞與它們發(fā)生干涉。

2、活塞三維模型的建立

通過對標選型機型,確定活塞的主要參數(shù),然后根據(jù)確定的主要參數(shù)進行活塞建模。建模過程中對于未確定的尺寸可以根據(jù)經(jīng)驗和設(shè)計標準進行相應(yīng)設(shè)計,而對于氣門避讓槽、噴油嘴避讓槽這些最開始無法確定的參數(shù),可先粗略設(shè)定,建立初步活塞模型(見圖1),最終通過運動仿真來確定這些參數(shù)。

CATIA在活塞設(shè)計中的應(yīng)用Catia仿真分析圖片1

圖1 活塞初始模型

3、虛擬裝配和運動副添加

進入裝配模塊,導(dǎo)入配氣機構(gòu)和曲柄機構(gòu)的零部件,諸如活塞、連桿、挺柱、氣門和曲軸等零部件。為了簡化運算模型,提升運算速度,應(yīng)該對缸體缸蓋進行相應(yīng)簡化,只提取曲軸、氣門、活塞和凸輪軸的運動基準即可。同時對其它對運動仿真影響不大的結(jié)構(gòu)也做相應(yīng)的簡化或合并。零件優(yōu)化后,在提取的基準上裝配各零件。為了方便之后的運動分析,應(yīng)建立曲柄連桿機構(gòu)、曲柄連桿機構(gòu)和配氣機構(gòu)這兩個裝配模型。

進入DMU模塊,建一個運動機構(gòu)。根據(jù)發(fā)動機實際運動情況,首先把運動基準固定,在曲柄連桿機構(gòu)中,活塞沿氣缸中心線作往復(fù)直線運動,連桿作平面復(fù)合運動,曲軸沿缸體上的軸承中心作旋轉(zhuǎn)運動,曲柄連桿機構(gòu)與配氣機構(gòu)的存在比例運動,凸輪軸沿缸蓋上的軸承中心作旋轉(zhuǎn)運動,凸輪軸驅(qū)動氣門、挺柱等做往復(fù)直線運動。根據(jù)這些運動特點來添加機構(gòu)的運動副,運動模型即建立完成。添加約束的時候,要注意對于已有的約束進行裝配約束轉(zhuǎn)換(assemibly constrains conversion),避免過約束影響運動分析。

4、運動驅(qū)動命令的設(shè)置

在活塞運動分析中,配氣和曲柄連桿機構(gòu)可以運動,驅(qū)動命令是必不可少的,可以在創(chuàng)建運動副時直接定義驅(qū)動命令,也可以在運動副創(chuàng)建之后定義驅(qū)動命令。活塞運動模擬的主要目的是檢查活塞與其它零件的運動最小間隙,因此運動源是否與實際相符可不作要求。為方便模擬命令的操作,以實現(xiàn)模擬過程中VVT對相位的調(diào)整,將曲軸和進、排氣凸輪軸三個零件作為單獨運動源,分別添加同一類型的驅(qū)動命令,即角度驅(qū)動。具體操作方法是在添加這三個零件與固定零件的運動副時,在對話框中勾選角度驅(qū)動(angled river)選項。為了保證曲軸和凸輪軸正時運轉(zhuǎn),必須定義運動規(guī)律(laws)。通過定義曲軸轉(zhuǎn)角速率是凸輪軸轉(zhuǎn)角速率的2倍,以實現(xiàn)曲軸和凸輪軸正時運轉(zhuǎn)。

5、活塞運動仿真分析

活塞在運動過程,最有可能干涉的零件是曲軸、噴油嘴和進、排氣門,所以設(shè)計時要重點關(guān)注這些間隙。活塞與曲軸、噴油嘴的間隙只需要通過形成活塞、曲軸的運動包絡(luò)就可檢測活塞和曲軸的最小間隙,之后把活塞包絡(luò)導(dǎo)入缸體總成中,檢測活塞和噴油嘴最小間隙。從圖2可看出活塞與曲軸的間隙為6mm達到設(shè)計值不小6mm的要求;從圖3可看出活塞與噴油嘴的間隙都大于4mm,符合設(shè)計值不小于4mm的要求。

CATIA在活塞設(shè)計中的應(yīng)用Catia仿真分析圖片2

圖2 活塞與曲軸的最小間隙測量

CATIA在活塞設(shè)計中的應(yīng)用Catia仿真分析圖片3

圖3 活塞與噴油嘴的最小間隙測量

檢測活塞與氣門的間隙相對而言更為困難,需要模擬VVT工作時的運動情況。在DMU中點擊模擬命令,通過圖4運動模擬窗口中1、2、3這三個命令和“插入”按鈕模擬運動。測量進、排氣門與活塞間的距離并保持尺寸顯示,通過“編輯分析”命令把測量尺寸導(dǎo)入運動模型中以便分析結(jié)果,如圖5所示。同時注意點開“距離”下拉菜單點開“開”選項,保證測量值會隨著運動變化而變化。

CATIA在活塞設(shè)計中的應(yīng)用Catia仿真分析圖片4

圖4 編輯模擬和運動模擬窗口

CATIA在活塞設(shè)計中的應(yīng)用Catia培訓(xùn)教程圖片5

圖5 運動模擬窗口

點開目錄樹中的Application,雙擊模擬中的法線進入運動模擬窗口,先在命令2中輸入10度的提前角模擬進氣提前10度。接著激活“激活傳感器”命令顯示傳感器窗口,在曲軸轉(zhuǎn)角和活塞與進、排氣門間隙測量值后面選擇“是”。點開圖6中“選項”命令,通過“自定義”命令建立分別以進、排氣門與活塞間隙為縱坐標,曲軸轉(zhuǎn)角為橫坐標的兩條曲線。最后通過運動模擬中“按需要”命令,步驟數(shù)為36模擬運動,點擊傳感器窗口中的“圖形輸出”命令輸出間隙曲線。通過圖7、8可看出進氣提前10°時,活塞與進、排氣門的最小間隙都大于1mm的設(shè)計要求,說明在這個狀態(tài)下活塞氣門避讓槽設(shè)計是符合要求的,其它狀態(tài)不做演示。

CATIA在活塞設(shè)計中的應(yīng)用Catia培訓(xùn)教程圖片6

圖6 傳感器窗口

CATIA在活塞設(shè)計中的應(yīng)用Catia培訓(xùn)教程圖片7

圖7 進氣門與活塞間隙隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

CATIA在活塞設(shè)計中的應(yīng)用Catia培訓(xùn)教程圖片8

圖8 排氣門與活塞間隙隨曲軸轉(zhuǎn)角變化曲線

6、結(jié)束語

本文主要闡述了CATIA在活塞設(shè)計的應(yīng)用,通過CATIA設(shè)計人員能夠較快地校核活塞與曲軸,噴油嘴和進、排氣門的間隙。在建立活塞運動模型時運用了一定的簡化手段以減少了運算時間,使建模和間隙分析過程能盡量簡化,又能較為準確地檢測了活塞與曲軸,噴油嘴和進、排氣門的間隙。和過去的檢測手段相比,基于CATIA的運動模擬方法縮短了間隙校核的工作時間,減少了工作量,提高了工作效率,減少了零件試制失敗率,降低了研發(fā)成本。

來源:e-works

開放分享：優(yōu)質(zhì)有限元技術(shù)文章,助你自學成才