面向離合器大批量定制的虛擬設(shè)計仿真平臺研究

趙 澎，龔友平，胡杭民

（杭州電子科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引 言

隨著國際制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移的速度進一步加快，當(dāng)前，各行各業(yè)都在尋求更快更經(jīng)濟的發(fā)展模式。大批量定制的按訂單設(shè)計產(chǎn)品是時代追求多樣化發(fā)展的要求和必然趨勢。離合器是汽車傳動系統(tǒng)中與發(fā)動機相關(guān)聯(lián)的重要零部件，傳統(tǒng)設(shè)計方法是在接到客戶訂單后，經(jīng)過行業(yè)專家對該離合器產(chǎn)品進行繁雜的分析計算和經(jīng)驗對比，分析得出各種設(shè)計參數(shù)，然后由設(shè)計人員進行二維圖、三維模型設(shè)計。根據(jù)設(shè)計圖紙，由相關(guān)人員制造出對應(yīng)的“物理樣機”，經(jīng)過多輪的反復(fù)試驗與試制，最后得到滿足客戶需求的離合器產(chǎn)品。該過程設(shè)計周期長，成本高。通過采用數(shù)字化功能樣機技術(shù)，建立起離合器總成系統(tǒng)的仿真模型，合理應(yīng)用CAD、ANSYS、ADAMS 等軟件系統(tǒng)，全面采用數(shù)字化設(shè)計、測試與制造技術(shù)，利用虛擬樣機分析技術(shù)建立汽車離合器動力學(xué)分析及試驗平臺，能夠比較真實地模擬離合器的工作狀況，并按照行業(yè)標準完成綜合性能模擬測試，為汽車離合器的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)，最終達到節(jié)省產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)費，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期的目的。

本研究提出面向離合器大批量定制的虛擬設(shè)計仿真平臺，從參數(shù)化設(shè)計、變型設(shè)計、基于ADAMS 的虛擬樣機設(shè)計和基于ANSYS 的結(jié)構(gòu)分析等4 個系統(tǒng)探討面向離合器大批量定制的虛擬設(shè)計仿真平臺的思路及可行性。

1 離合器大批量定制的虛擬設(shè)計仿真流程

1.1 離合器大批量定制的開發(fā)設(shè)計

當(dāng)今，由于大批量生產(chǎn)方式無法快速提供符合客戶個性化需求的離合器，大批量定制技術(shù)被引入[1]，其基本思路是：基于相似性原理、全局性原理和重用性原理，使定制離合器的生產(chǎn)問題通過過程重組和產(chǎn)品重組轉(zhuǎn)化或部分轉(zhuǎn)化為批量生產(chǎn)問題，通過盡可能減少離合器的內(nèi)部多樣化，增加離合器的外部多樣化，實現(xiàn)以大批量的高質(zhì)量、低成本和短交貨期向客戶提供個性化的離合器產(chǎn)品。該項技術(shù)包括開發(fā)設(shè)計技術(shù)、管理技術(shù)、制造技術(shù)，其中開發(fā)設(shè)計技術(shù)包括離合器產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計技術(shù)與過程的開發(fā)設(shè)計技術(shù)。

“開發(fā)”是一個創(chuàng)造性的過程，主要任務(wù)是：根據(jù)產(chǎn)品市場預(yù)測，確定離合器新產(chǎn)品的工作原理；進行離合器新產(chǎn)品的概念設(shè)計；進行標準化、規(guī)范化；建立面向離合器大批量定制的產(chǎn)品模型和過程模型。

“設(shè)計”的主要任務(wù)是：根據(jù)客戶的訂單需求，迅速提供相對正確的報價；利用開發(fā)過程中建立的離合器產(chǎn)品模型和過程模型，選用標準零部件，快速設(shè)計離合器產(chǎn)品和制造過程，縮短離合器產(chǎn)品的交貨周期。

離合器大批量定制的基本思路如圖1 所示。

1.2 虛擬設(shè)計仿真平臺總體思路

本研究所述面向離合器大批量定制的虛擬設(shè)計仿真平臺過程如圖2 所示。當(dāng)接到客戶的離合器產(chǎn)品訂單時，筆者先從PDM 系統(tǒng)實例庫中查詢，若有相同離合器產(chǎn)品實例則選擇現(xiàn)有零部件進行制造；若無，則根據(jù)訂單要求在相似實例的基礎(chǔ)上進行智能化計算，并將計算結(jié)果返回系統(tǒng)平臺，利用計算得出的相關(guān)參數(shù)驅(qū)動事物特性表和實例庫中的離合器CAD 模型進行變型設(shè)計，進而根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的工作流程，對變型設(shè)計得到的模型進行動力學(xué)仿真及結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析，優(yōu)化設(shè)計結(jié)果。最終將新模型導(dǎo)入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫。在虛擬設(shè)計仿真過程中使用到的相關(guān)數(shù)據(jù)可以從基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫（編碼庫、主模型庫、事物特性表（SML）庫、實例庫）中獲取。該平臺是基于PDM 軟件來實現(xiàn)離合器開發(fā)過程中數(shù)據(jù)處理和管理的。

圖1 離合器大批量定制的基本思路

圖2 面向離合器大批量定制的虛擬設(shè)計仿真平臺過程圖

面向大批量定制的虛擬設(shè)計仿真平臺的界面如圖3 所示，針對虛擬仿真測試技術(shù)在離合器數(shù)字化設(shè)計過程中的應(yīng)用，該平臺可以實現(xiàn)離合器參數(shù)快速計算、離合器3D 模型的自動建立，以及離合器虛擬仿真模型的自動生成，并能對虛擬測試數(shù)據(jù)和試驗仿真數(shù)據(jù)進行管理。研究者進入專家系統(tǒng)進行離合器參數(shù)計算后，該平臺界面中具有整體裝配、虛擬仿真等菜單，可以通過點擊相關(guān)菜單，自動跳出對應(yīng)對話框，同時打開Pro/E、ADMAS、ANSYS 等相關(guān)軟件界面，離合器相關(guān)數(shù)據(jù)通過二次開發(fā)的軟件接口互相傳輸[2]，實現(xiàn)整個離合器的數(shù)字化設(shè)計過程。

圖3 面向離合器大批量定制的虛擬設(shè)計仿真平臺界面

2 離合器參數(shù)化建模技術(shù)

2.1 離合器專家系統(tǒng)

該平臺建立了離合器的專家系統(tǒng)，該離合器專家系統(tǒng)屬于設(shè)計型專家系統(tǒng)，需要不斷地運行調(diào)試以檢測其可靠性和實用性。該系統(tǒng)根據(jù)汽車的型號及訂單要求，即可得到符合要求的汽車離合器的類型和關(guān)鍵零部件的設(shè)計參數(shù)。如：已知汽車的發(fā)動機最大轉(zhuǎn)矩、汽車類型和摩擦工作面數(shù)、相應(yīng)的后備系數(shù)，將這些數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)內(nèi)，即可計算出離合器摩擦片的各種相關(guān)參數(shù)，以此來代替復(fù)雜的人工計算。本研究對離合器動盤轂花鍵、傳動片、壓緊彈簧、扭轉(zhuǎn)減振器、減振彈簧、膜片彈簧等進行了計算分析。

離合器的專家系統(tǒng)操作界面如圖4 所示。

圖4 離合器專家系統(tǒng)操作界面

2.2 基于Pro/E 軟件二次開發(fā)后的離合器參數(shù)化建模即變型設(shè)計實現(xiàn)過程

離合器參數(shù)化建模[3]是一個三維模型與程序控制相結(jié)合的過程，在已建立的離合器三維模型上，筆者對相關(guān)零部件的設(shè)計參數(shù)進行編程，實現(xiàn)參數(shù)檢索和修改，并在新的參數(shù)值的基礎(chǔ)上生成新的三維實體模型。

本研究在C++的環(huán)境下，對Pro/E 三維軟件進行二次開發(fā)，實現(xiàn)了離合器零部件的變型設(shè)計及自動裝配。Pro/TOOLKIT 應(yīng)用程序開發(fā)采用了當(dāng)前最先進的面向?qū)ο蠹夹g(shù)的程序開發(fā)方法[4]，直接利用VC++6.0應(yīng)用程序來設(shè)計向?qū)А㈩愊驅(qū)?，進行程序的設(shè)計、創(chuàng)建以及調(diào)試。Pro/TOOLKIT 程序通過考慮零部件特征的拓撲關(guān)系，控制離合器三維模型的設(shè)計參數(shù)和建立這些參數(shù)之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系來實現(xiàn)離合器相關(guān)零部件的參數(shù)化設(shè)計。這個過程中，系統(tǒng)通過Pro/TOOLKIT 函數(shù)將離合器外部參數(shù)和內(nèi)部參數(shù)[5-6]關(guān)聯(lián)，同時將離合器外部參數(shù)傳遞到系統(tǒng)內(nèi)部，實現(xiàn)離合器三維模型的更新和再生。

離合器參數(shù)化建模實現(xiàn)過程如圖5 所示。

經(jīng)過變型設(shè)計后最終得到的離合器三維模型如圖6 所示。

圖5 離合器參數(shù)化建模實現(xiàn)過程

圖6 最終得到的離合器三維模型

3 離合器虛擬仿真及分析測試

3.1 基于ADAMS 的離合器虛擬樣機設(shè)計

汽車離合器的仿真測試是一件重復(fù)性很強的工作，同時仿真測試也要針對公司生產(chǎn)的某一型號的離合器，因此本研究有必要針對這一工作特點，將每一型號的離合器實體模型掛載到具有強大虛擬仿真功能的ADAMS 軟件下，減少仿真準備工作。ADAMS 軟件[7-12]具有很強的二次開發(fā)功能，包括ADAMS/View 界面的用戶化設(shè)計，利用cmd 語言實現(xiàn)自動建模和仿真控制，通過編制用戶子程序滿足用戶的某些特定需求，甚至可以拓展ADAMS 的功能。

筆者研究得出通過在制造物理樣機前實現(xiàn)相關(guān)性能評估，找出設(shè)計缺陷和不足，進行優(yōu)化，能極大地提高離合器設(shè)計質(zhì)量，節(jié)約離合器設(shè)計成本，所提出的離合器虛擬仿真開發(fā)過程如圖7 所示。

圖7 離合器虛擬仿真開發(fā)過程圖

本研究在Pro/E 建立的幾何模型基礎(chǔ)上，通過MECHPRO 軟件，在Pro/E 界面下對離合器中各零部件間的一些約束進行添加。離合器通過離合器蓋與飛輪固定，飛輪與發(fā)動機軸相連接，在本研究的離合器模型中，沒有建立發(fā)動機的模型，而是將發(fā)動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以及發(fā)動機的當(dāng)量轉(zhuǎn)矩賦給飛輪，作為動力的輸入。以地面為參考系，則飛輪與地面間是相對轉(zhuǎn)動的關(guān)系，故本研究在飛輪中心軸處建立轉(zhuǎn)動副。離合器蓋在通過固定約束與飛輪連接在一起。根據(jù)離合器結(jié)構(gòu)，壓盤與離合器蓋之間為相對于中心移動關(guān)系，故壓盤上的約束是移動副。摩擦片與壓盤以及飛輪間采取接觸約束。整個從動件部分通過固定約束固定在一起。從動件中的內(nèi)盤轂與輸出軸之間建立固定約束，輸出軸與地面之間采用圓柱副連接。膜片彈簧利用鉚釘固定在離合器蓋上，外端壓在壓盤上，并且根據(jù)膜片彈簧特性曲線在膜片彈簧與壓盤之間定義壓緊力。最后本研究在操縱桿部分建立相應(yīng)的一些約束。添加完約束后，根據(jù)離合器測試的工作狀態(tài)，添加修改離合器接合時刻發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，本研究中采取定義飛輪初始轉(zhuǎn)速的方法添加離合器接合時刻發(fā)動機的轉(zhuǎn)速，并在飛輪上添加轉(zhuǎn)矩，采用函數(shù)的方式將發(fā)動機的外特性函數(shù)賦值于飛輪，在離合器輸出軸端設(shè)定阻力矩，以上這些參數(shù)的值可根據(jù)離合器測試的需要進行修改。

由于軟件MECHPRO 的局限性與操作不方便，本研究針對有些特別約束和零件的材料信息，在導(dǎo)入ADAMS 后進行添加與修改，得到了在ADAMS 系統(tǒng)下的離合器虛擬樣機，界面如圖8 所示。

3.2 基于ANSYS 的離合器結(jié)構(gòu)分析

本研究通過建立離合器虛擬樣機得到一個動態(tài)力學(xué)模型，對其進行動態(tài)虛擬測試，可驗證相關(guān)設(shè)計參數(shù)的可行性。為進一步驗證離合器相關(guān)設(shè)計參數(shù)正確與否，本研究選擇離合器受力最極端情況進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析。本研究應(yīng)用有限單元法分析[13-15]，以離合器蓋為例來介紹整體應(yīng)用過程。為了減輕重量和增加剛度，小轎車和一般載貨汽車的離合器蓋常用厚度約為3 mm～5 mm 的低碳鋼（如8 號鋼板）沖壓成比較復(fù)雜的形狀。而本研究分析的離合器蓋也采用沖壓件，由厚度為3.0 mm 的08＃鋼板沖壓而成，其材料屬性如表1 所示。

圖8 ADAMS 系統(tǒng)下添加約束后的離合器虛擬樣機

表1 08＃鋼板材料屬性

本研究把離合器蓋模型從Pro/E 導(dǎo)入到ANSYS中，采用計算機實現(xiàn)智能網(wǎng)格劃分，隨后進行模型的約束及加載處理。在離合器蓋的受力加載上將載荷施加到壓緊彈簧與離合器蓋接觸面上。加載正確的約束，離合器蓋與飛輪裝配的端面螺釘孔處不能產(chǎn)生軸向移動，故限制這些點的軸向平移自由度，同時在實際的工作過程中，由于有螺栓孔的壓緊力在表面產(chǎn)生的摩擦力的作用，也使得離合器蓋在6 個緊固孔處的周向和徑向的移動受到了約束，本研究在對蓋進行有限元約束處理的時候也限制了這些點的周向和徑向平移自由度（合葉約束）。

本研究通過以上處理得到離合器蓋的有限元約束和加載圖，離合器蓋受力和約束圖如圖9 所示。

本研究通過以上約束及加載處理后，執(zhí)行運算處理并讀取結(jié)果文件。最后分析得到離合器蓋靜態(tài)軸向位移分布及節(jié)點應(yīng)力分布圖，分別如圖10、圖11 所示。

從如圖9 所示的離合器蓋分離工況靜態(tài)軸向位移云圖可以看出，離合器蓋的軸向位移主要在其頂面，在側(cè)面及螺釘孔附近幾乎沒有位移分布條紋，說明此處基本不產(chǎn)生軸向變形。軸向變形量在內(nèi)圈最大，沿徑向由內(nèi)向外逐漸減小，沿周向變化不大，這與離合器蓋受力后的實際情況相符。離合器蓋的節(jié)點應(yīng)力分布如圖11 所示，最大應(yīng)力為100.53MPa，而材料的屈服應(yīng)力為253 MPa，因此是安全的。由此可見，離合器蓋在分離載荷作用下，該處最大軸向位移量為0.03mm，這與實際情況是吻合的，這個結(jié)果也是真實可信的。

圖9 離合器蓋受力和約束圖

圖10 離合器靜態(tài)軸向位移分布

圖11 離合器蓋節(jié)點應(yīng)力圖

離合器蓋設(shè)計完成后，本研究對其進行必要的模態(tài)分析，提取離合器蓋的前5 階彈性體模態(tài)，分析后得知均不會產(chǎn)生共振。

4 結(jié)束語

本研究首先對面向離合器大批量定制的虛擬設(shè)計仿真平臺作了簡單介紹，闡述了該平臺的整體思路，隨后通過參數(shù)化設(shè)計、參數(shù)化建模技術(shù)即變型設(shè)計、虛擬設(shè)計仿真等方面進行了全面詳細的說明。首先建立了專家系統(tǒng)，實現(xiàn)了離合器相關(guān)參數(shù)的智能化計算；其次通過對CAD 軟件的二次開發(fā)，實現(xiàn)了變型設(shè)計環(huán)節(jié)，建立了離合器三維模型及其工作過程中的動力學(xué)模型；最后，在ADAMS 軟件中對離合器虛擬仿真模型進行了動態(tài)虛擬測試，并在ANSYS 軟件中對離合器關(guān)鍵部位進行了有限元分析。

測試結(jié)果表明，該設(shè)計思路合理，有效地證明了該平臺的可行性及現(xiàn)實應(yīng)用價值。

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