虛擬樣機(jī)技術(shù)在液壓油源機(jī)組設(shè)計(jì)中的應(yīng)用＊

胡劍波

（海軍駐九江地區(qū)軍事代表室 九江 332007）

1 引言

液壓系統(tǒng)具有功率重量比大、控制方便等優(yōu)點(diǎn)，在艦艇上得到了廣泛的運(yùn)用。油源機(jī)組作為艦船液壓系統(tǒng)的動(dòng)力裝置，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮艦船使用的特殊條件，滿足體積小、重量輕、耐腐蝕、堅(jiān)固耐用等船用環(huán)境條件要求。以往的油源機(jī)組設(shè)計(jì)，受條件限制，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法：方案選定→零件繪制→試制樣機(jī)→反復(fù)試驗(yàn)→不斷修改和完善設(shè)計(jì)圖紙→正式投入生產(chǎn)。產(chǎn)品開發(fā)周期長、成本高且難以保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，而虛擬樣機(jī)技術(shù)的運(yùn)用恰恰解決了這一問題。在某型艦船電動(dòng)液壓舵機(jī)的油源機(jī)組設(shè)計(jì)中，通過采用虛擬樣機(jī)技術(shù)大大的縮短了研制周期、保證了設(shè)計(jì)質(zhì)量，并降低了產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用。虛擬樣機(jī)技術(shù)是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一項(xiàng)計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)。設(shè)計(jì)者利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立機(jī)械系統(tǒng)的數(shù)字化模型（虛擬樣機(jī)），根據(jù)產(chǎn)品實(shí)際使用工況對(duì)模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析和動(dòng)力學(xué)仿真分析。根據(jù)仿真分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計(jì)，改進(jìn)設(shè)計(jì)方案，是一種全新的產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計(jì)方法。

虛擬樣機(jī)技術(shù)在油源機(jī)組設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是通過Solid-Works軟件來實(shí)現(xiàn)的。SolidWorks是基于 Windows的CAD／CAM／CAE集成化機(jī)械設(shè)計(jì)軟件，具有全面的零件實(shí)體建模功能和變量化的草圖輪廓繪制功能。根據(jù)Solid-Works的功能特點(diǎn)，采取圖1所示步驟和方法進(jìn)行油源機(jī)組設(shè)計(jì)和分析。

圖1 基于SolidWorks虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)方法

2 油源機(jī)組液壓原理設(shè)計(jì)

根據(jù)總體對(duì)油源機(jī)組的要求，確定其原理如圖2所示。油源機(jī)組由兩套相同的泵機(jī)組和控制油路組成，各自獨(dú)立，互為備用。泵6啟動(dòng)后，液壓油經(jīng)過高壓濾油器7、單向閥11（開啟壓力0.05MPa）、“M”型電磁換向閥13、節(jié)流閥12直接回到油箱，油液流動(dòng)過程中壓力損失較小，所以此工況下系統(tǒng)的功率消耗很小。節(jié)流閥12的進(jìn)口壓力調(diào)整為液動(dòng)閥16的控制壓力（約0.5MPa），以保證泵6啟動(dòng)后由液壓力使液動(dòng)閥16隨即換向到 “左位”工作位置，并控制液動(dòng)閥16在打舵過程中始終處在“左位”；除此之外，節(jié)流閥1 2還確保泵停止工作后液動(dòng)閥16控制口X的控制油壓力能迅速釋放，使液動(dòng)閥16快速回到中位，隔離兩套相同的油路。

泵6啟動(dòng)后，給電磁換向閥13一邊電磁鐵通電，液壓油經(jīng)雙單向節(jié)流閥15的單向閥和液動(dòng)閥16輸出液壓油，系統(tǒng)排出的液壓油經(jīng)雙單向節(jié)流閥15節(jié)流后再經(jīng)過節(jié)流閥12回到油箱。系統(tǒng)采用出口節(jié)流調(diào)速方式既提高了系統(tǒng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行的平穩(wěn)性，又可防止失速或振動(dòng)。

圖2 油源機(jī)組液壓系統(tǒng)原理圖

3 集成閥塊設(shè)計(jì)

3.1 閥塊設(shè)計(jì)

油源機(jī)組中閥件8，9，11，12，13，15，16集成在一個(gè)閥塊上，具有結(jié)構(gòu)緊湊、安裝維修方便等優(yōu)點(diǎn)。由于閥塊內(nèi)部油孔多、連通情況復(fù)雜，常規(guī)的二維軟件設(shè)計(jì)極其繁瑣、復(fù)雜且容易出錯(cuò)。設(shè)計(jì)中出現(xiàn)錯(cuò)誤很難避免，往往到樣機(jī)調(diào)試過程中才發(fā)現(xiàn)，造成資源浪費(fèi)、工程延期。SolidWorks軟件具有壁厚自動(dòng)分析功能，不同顏色表示不同的通道壁厚值（參見圖3）。在SolidWorks軟件中，可以將模型的任意一個(gè)或多個(gè)面設(shè)置為透明，觀察模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)。這大大減輕了設(shè)計(jì)人員的工作量，提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)效率，為閥塊設(shè)計(jì)提供了一種全新的思路。

在閥塊設(shè)計(jì)時(shí)將其表面設(shè)置為“透明”，并進(jìn)行空間旋轉(zhuǎn)，從多角度仔細(xì)觀察閥塊內(nèi)部通道的連通情況，判斷內(nèi)部通道連通是否符合液壓原理圖要求（見圖3）。

圖3 閥塊內(nèi)部通道及孔道壁厚分析圖

在閥塊設(shè)計(jì)完成后必須進(jìn)行通道壁厚校核，防止液壓沖擊時(shí)液壓油擊穿通道壁。SolidWorks具有全顏色顯示通道壁厚的功能，在小于設(shè)定壁厚的部位會(huì)以鮮艷的顏色顯示出來，使得通道壁厚校核變得直觀、簡單（見圖3）。

3.2 閥塊裝配體設(shè)計(jì)

圖4 閥塊三維設(shè)計(jì)圖與實(shí)際裝配圖

使用SolidWorks軟件對(duì)閥塊進(jìn)行模擬裝配可以檢查各元件的裝配關(guān)系是否正確，如安裝元件空間位置夠不夠、元件安裝面油口與閥塊安裝面油口是否對(duì)應(yīng)，調(diào)節(jié)元件是否有足夠的調(diào)節(jié)空間等。這使復(fù)雜的液壓集成塊設(shè)計(jì)變得“簡單”了。液壓集成塊三維設(shè)計(jì)圖和實(shí)際裝配圖如圖4所示。

4 油源機(jī)組設(shè)計(jì)

4.1 油箱設(shè)計(jì)

為方便油源機(jī)組使用和維修，液壓元件布置在油箱頂面。油箱頂板要具備足夠的承重能力，同時(shí)還得滿足油箱體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的要求。因此，必須對(duì)油箱進(jìn)行應(yīng)力、變形分析以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。為避免出現(xiàn)實(shí)際裝配過程中零部件無法安裝的情況，對(duì)整個(gè)油源機(jī)組進(jìn)行虛擬裝配并對(duì)裝配體進(jìn)行干涉檢查。

油箱箱體選用4毫米1Cr18Ni9Ti不銹鋼板焊接而成，在箱體頂板下及箱體下部焊接加強(qiáng)筋，以增強(qiáng)油箱體的承重能力。在沒有實(shí)物樣機(jī)的情況下，焊接后的油箱體承重能力如何只能通過對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力、變形分析確定。如果沒有必要的應(yīng)力、變形分析，就無法保證油箱的設(shè)計(jì)質(zhì)量，產(chǎn)品可能會(huì)存在由于承載能力差引起箱體變形或由于裕量太大造成箱體笨重的設(shè)計(jì)缺陷。

COSMOSWorks有限元分析模塊，是一個(gè)與Solid－Works完全集成的設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)。COSMOSWorks能夠提供廣泛的分析工具去檢驗(yàn)和分析復(fù)雜零件和裝配體。利用COSMOSWorks可以進(jìn)行應(yīng)力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析、優(yōu)化分析、非線性分析、掉落測試分析和疲勞分析。使用COSMOSWorks模擬分析代替昂貴的現(xiàn)場測試，不但可以減少成本及開發(fā)周期，還可以快速模擬多個(gè)概念與情景，讓設(shè)計(jì)者在作出最終決定之前有更多的時(shí)間思考創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

圖5 油箱體應(yīng)力分析圖

COSMOSWorks分析模塊對(duì)油箱體進(jìn)行設(shè)備安裝后的應(yīng)力分析見圖5，設(shè)備安裝后的箱體變形大小分析見圖6，安全系數(shù)檢查見圖7。從圖中可以看出給整個(gè)油箱體加上等量實(shí)際負(fù)載后應(yīng)力分布、變形及安全系數(shù)均很理想，最大的變形點(diǎn)在油箱頂板中部的閥塊底座上，變形量只有0.1056mm，油箱體其它部位變形量更小；油箱的最小安全系數(shù)點(diǎn)出現(xiàn)在頂板下的支撐架上，最小安全系數(shù)值是12。從圖5、圖6和圖7的分析結(jié)果可以看出：油箱結(jié)構(gòu)合理，受力均勻，完全滿足使用要求。

圖6 油箱體合力位移分析圖

圖7 油箱體設(shè)計(jì)檢查圖

4.2 油源機(jī)組裝配設(shè)計(jì)

油箱設(shè)計(jì)完成后對(duì)油源機(jī)組進(jìn)行模擬裝配，然后對(duì)裝配體進(jìn)行物理特性計(jì)算，對(duì)組裝元件進(jìn)行干涉檢查。

用SolidWorks軟件對(duì)油源機(jī)組進(jìn)行模擬裝配可以很直觀的判斷設(shè)計(jì)尺寸是否正確無誤、結(jié)構(gòu)是否合理、各元件之間裝配關(guān)系是否正確、外形是否美觀。油源機(jī)組三維設(shè)計(jì)圖和實(shí)際裝配圖如圖8所示。

圖8 油源機(jī)組三維設(shè)計(jì)圖和實(shí)際裝配圖

復(fù)雜的裝配體中，用視覺來檢查零部件之間是否干涉是很困難的。SolidWorks具有 “干涉檢查”功能，將互相干涉的零部件透明，將干涉部位不同的顏色表示出來。油源機(jī)組預(yù)裝配后干涉檢查結(jié)果如圖9所示。

預(yù)裝配設(shè)計(jì)完成后可應(yīng)用軟件所帶的工具自動(dòng)計(jì)算裝配體的物理特性，包括裝配體的質(zhì)量、體積、表面積、重心等參數(shù)，如圖10所示，這些參數(shù)對(duì)油源機(jī)組在艇上的安裝有重要意義。軟件計(jì)算的油源機(jī)組質(zhì)量為339.47kg實(shí)際稱重約330kg，相差無幾，差值主要是由各元器件樣本標(biāo)注重量與實(shí)際重量的誤差累計(jì)造成的。

采用虛擬樣機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)的油源機(jī)組在零部件加工和裝配過程中，所有零部件一次裝配到位，液壓元件與閥塊油口對(duì)應(yīng)準(zhǔn)確，閥塊油路連通正確，油源機(jī)組做到了一次試車成功，取得了良好的效果。

圖9 油源機(jī)組干涉檢查結(jié)果

圖10 油源機(jī)組質(zhì)量特性計(jì)算結(jié)果

5 結(jié)語

在產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計(jì)過程中，嘗試采用新技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，可以提高設(shè)計(jì)效率，縮短研制周期，保證設(shè)計(jì)質(zhì)量，避免試制過程中的設(shè)計(jì)更改，為順利完成軍工研發(fā)任務(wù)提供保障、為企業(yè)帶來實(shí)實(shí)在在的經(jīng)濟(jì)效益。

［1］黎啟柏.液壓元件手冊(cè)［M］.冶金工業(yè)出版社，機(jī)械工業(yè)出版社，2000，8，（1）.

［2］葉修梓，陳超詳.COSMOS基礎(chǔ)教程：COSMOSWorks Designer（美）SolidWorks公司著［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2007，（4）.

［3］葉修梓，陳超詳.COSMOS基礎(chǔ)教程：COSMOSWorks professional（美）SolidWorks公司著［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2007，（4）.