虛擬樣機(jī)技術(shù)及其在曲軸開發(fā)制造中的應(yīng)用

王華輝,盧占盈,李佩琪,明玥,游國強

(1.南充隆固機(jī)械工業(yè)有限公司，四川南充 637800； 2.重慶大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院, 重慶 400044)

0 引言

曲軸是發(fā)動機(jī)的重要部件，曲軸系一般由曲軸飛輪組、連桿組、活塞組構(gòu)成[1]。由于其幾何形狀復(fù)雜，并且在工作過程中承受交變載荷作用，運動規(guī)律復(fù)雜，容易產(chǎn)生較為嚴(yán)重的應(yīng)力集中，由于曲軸工作條件復(fù)雜，各運動機(jī)構(gòu)的強度、剛度及其動力學(xué)特性對發(fā)動機(jī)穩(wěn)定性有重要影響。曲軸系各零部件的形狀、質(zhì)量各不相同，對其進(jìn)行動力學(xué)分析向來是發(fā)動機(jī)設(shè)計的重點和難點[2]。

作為一種新型的機(jī)械設(shè)計方法，將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于曲軸開發(fā)設(shè)計環(huán)節(jié)，不僅可以進(jìn)行運動學(xué)、動力學(xué)仿真，得到準(zhǔn)確的機(jī)構(gòu)參數(shù)并對其復(fù)雜的力學(xué)特性進(jìn)行分析[3-4]，還能實現(xiàn)產(chǎn)品機(jī)械設(shè)計全過程中的開發(fā)、分析和設(shè)計，縮短產(chǎn)品開發(fā)精度，提高產(chǎn)品設(shè)計的精度，節(jié)省產(chǎn)品前期設(shè)計階段的大量資本投入，并且可以很大程度上改善從部件到整機(jī)的傳統(tǒng)設(shè)計模式，兼顧產(chǎn)品的整體性能，避免產(chǎn)品在設(shè)計上的失誤，從而降低產(chǎn)品設(shè)計成本，保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量，提高產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

1 虛擬樣機(jī)技術(shù)及其發(fā)展

1.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)的含義

虛擬樣機(jī)技術(shù)(Virtual Prototyping Technology, VPT)，又稱為機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，是設(shè)計制造領(lǐng)域的前沿設(shè)計技術(shù)[5]，其核心是借助CAD/CAM/CAE等技術(shù)的基礎(chǔ)，將分散的零部件設(shè)計及其分析技術(shù)糅合到一起，完成多體系運動學(xué)與動力學(xué)建模理論及其技術(shù)實現(xiàn)[6]。如圖1所示，借助這項技術(shù)可以通過在計算機(jī)上建立的三維可視化機(jī)械系統(tǒng)模型，完成產(chǎn)品的外觀設(shè)計到動力學(xué)、運動學(xué)的仿真模擬設(shè)計，并可以根據(jù)結(jié)果在設(shè)計階段實現(xiàn)對產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)精簡和性能優(yōu)化，通過虛擬技術(shù)與仿真方法結(jié)合的方式，實現(xiàn)產(chǎn)品從設(shè)計到制造等多方面交互的建模分析[7]。

圖1 虛擬樣機(jī)及其相關(guān)技術(shù)

1.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)80年代，隨著計算機(jī)技術(shù)的興起，虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用而生。作為一項集先進(jìn)設(shè)計、制造技術(shù)于一體的新興技術(shù)，虛擬樣機(jī)在汽車制造、航空航天、機(jī)械電子以及工業(yè)領(lǐng)域等均有廣泛的應(yīng)用，并且隨著其在工業(yè)上的應(yīng)用發(fā)展推動，一系列多體動力學(xué)軟件如ADAMS、DADS、EASY5等也應(yīng)運而生，并且逐步在國內(nèi)外市場得到廣泛關(guān)注。

國外的虛擬樣機(jī)技術(shù)及其相關(guān)軟件已實現(xiàn)了商業(yè)化生產(chǎn)，在一些發(fā)達(dá)國家如美國、日本、德國等已得到廣泛應(yīng)用。1994年，美國波音(BOEING)公司首次將虛擬樣機(jī)技術(shù)運用到飛機(jī)外觀結(jié)構(gòu)的設(shè)計、部件測試到整機(jī)裝配等各個階段，將飛機(jī)設(shè)計制造的開發(fā)過程縮短了數(shù)千小時。20世紀(jì)90年代中期，美國克萊斯勒汽車公司采用虛擬樣機(jī)技術(shù)檢查并發(fā)現(xiàn)了1 500處汽車零部件的干涉情況，在生產(chǎn)制造之前及時糾正了不合理的細(xì)節(jié)設(shè)計失誤，大大降低了產(chǎn)品的設(shè)計成本，縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)設(shè)計周期[8]。日本MATSUSHITA公司將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于廚房設(shè)備系統(tǒng)，消費者可以按照自己的喜好選擇、重組不同的設(shè)備，并按照自己的意愿對某些設(shè)備的功能進(jìn)行改進(jìn)，這種與用戶需求相結(jié)合的消費品生產(chǎn)方式在未來有廣闊的發(fā)展空間[9]。

國內(nèi)虛擬樣機(jī)技術(shù)的研究仍處于起步階段，大多還處于引用國外先進(jìn)技術(shù)的層面，但對其全面、系統(tǒng)的研究也已引起了各大高校、研究所的密切關(guān)注。中航第一飛機(jī)研究院將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于飛機(jī)制造領(lǐng)域并成功推出了國內(nèi)首架全機(jī)規(guī)模電子樣機(jī)[6]。國防科技大學(xué)計算機(jī)研究所在九五預(yù)研項目的支持下，從集成框架、建模技術(shù)和仿真技術(shù)等方面對虛擬樣機(jī)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究。清華大學(xué)通過校企合作項目，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)對高速劍桿織機(jī)產(chǎn)品展開了相關(guān)研究，針對產(chǎn)品生產(chǎn)的關(guān)鍵部件開發(fā)出集成虛擬設(shè)計、虛擬裝配、虛擬生產(chǎn)于一體的虛擬制造體系結(jié)構(gòu)，很大程度上節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計時間，縮短了產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)周期[10]。航空航天大學(xué)通過科研實踐認(rèn)識到了虛擬樣機(jī)技術(shù)在機(jī)構(gòu)設(shè)計中的重要性，率先將其應(yīng)用于機(jī)械原理的教學(xué)實踐過程中。通過在教學(xué)實踐中對虛擬樣機(jī)的運用，為虛擬樣機(jī)技術(shù)在科研工作中的應(yīng)用積累了豐富的經(jīng)驗[11]。

2 虛擬樣機(jī)技術(shù)在曲軸開發(fā)中的應(yīng)用

2.1 虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用在曲軸開發(fā)制造過程中的優(yōu)勢

發(fā)動機(jī)曲軸的性能直接影響發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的動態(tài)性能，而曲軸在服役過程中受多方面因素的干擾：在長期振動作用下，會降低曲軸軸承軸瓦的使用壽命；在疲勞作用下，曲軸的軸頸容易產(chǎn)生裂紋；受高溫的影響，曲軸的活塞也有可能萌發(fā)裂紋。而傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)曲軸設(shè)計僅僅依靠靜強度計算和簡單的動力學(xué)分析等，對其動態(tài)特性的研究只能在物理樣機(jī)設(shè)計完成之后通過一系列的實驗才能獲得，很難獲得曲軸在實際運行狀況下的力學(xué)特性。

將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于曲軸的設(shè)計開發(fā)過程，在產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)階段可以按需求隨時進(jìn)行改動，可避免傳統(tǒng)物理樣機(jī)設(shè)計的產(chǎn)品裝配過程中由于誤差導(dǎo)致的精準(zhǔn)性降低的問題，使用虛擬樣機(jī)技術(shù)在曲軸生產(chǎn)之前的設(shè)計階段就可以進(jìn)行可行性驗證，在提高準(zhǔn)確度的基礎(chǔ)上提高生產(chǎn)效率，進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益。同時，可以利用虛擬樣機(jī)的運動學(xué)和動力學(xué)仿真，針對產(chǎn)品的運動形態(tài)、結(jié)構(gòu)要素等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行仿真分析，可以在設(shè)計初期預(yù)測產(chǎn)品可能產(chǎn)生的問題，提高設(shè)計的靈活性，大幅度提高產(chǎn)品的性能。將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于曲軸的設(shè)計開發(fā)，在提高生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量的同時能夠降低生產(chǎn)成本、縮短研發(fā)生產(chǎn)周期、快速響應(yīng)市場，從而增強企業(yè)的核心競爭力[12]?；谔摂M樣機(jī)的曲軸產(chǎn)品開發(fā)流程如圖2所示。

圖2 基于虛擬樣機(jī)的曲軸產(chǎn)品開發(fā)流程

2.2 虛擬樣機(jī)技術(shù)在曲軸開發(fā)制造中的應(yīng)用舉例

虛擬樣機(jī)技術(shù)在曲軸開發(fā)中的應(yīng)用前景廣闊，迄今為止，包括RICARDO、AVL等國際高水平的研究機(jī)構(gòu)對其理論進(jìn)行深入研究后，開發(fā)出一系列諸如ENGDYN、EXCITE等成功的發(fā)動機(jī)動力總成專用多體機(jī)構(gòu)仿真軟件。NISSAN、COMMINS等公司也越來越重視虛擬樣機(jī)技術(shù)在曲軸開發(fā)應(yīng)用中獨特的優(yōu)勢，并將其成功應(yīng)用于曲軸的設(shè)計制造[13]，這對虛擬樣機(jī)技術(shù)在曲軸設(shè)計中的發(fā)展及指導(dǎo)曲軸軸系設(shè)計具有重要的意義。

虛擬樣機(jī)技術(shù)在曲軸設(shè)計開發(fā)制造中的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：首先是曲軸件的建模設(shè)計，常用的軟件包括ANSYS、UG、CATIA以及Pro/E等；其次是對曲軸系的曲柄連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運動仿真分析，大部分的建模軟件本身具備運動仿真分析功能，在建模完成后可直接進(jìn)入運動模塊，此外，也可以在建模完成后導(dǎo)入ADAMS等專業(yè)的仿真軟件中進(jìn)行分析，通過對模型的動態(tài)仿真驗證其運動特性；此外，利用虛擬樣機(jī)技術(shù)可以對曲軸的強度、疲勞壽命等進(jìn)行相應(yīng)的分析，對曲軸件在復(fù)雜工作條件下各運動機(jī)構(gòu)的動力學(xué)特性分析具有獨到的優(yōu)勢。

吳茂敏等[14]借助虛擬樣機(jī)技術(shù)基于機(jī)械系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件ADAMS建立了多體動力學(xué)模型，針對發(fā)動機(jī)的動不平衡問題和振動傳遞的耦合問題進(jìn)行動力學(xué)仿真研究，構(gòu)建了油鋸振動產(chǎn)生、傳遞的規(guī)律。劉海云[15]結(jié)合有限元分析軟件ANSYS建立發(fā)動機(jī)曲軸系的多體系統(tǒng)動力學(xué)模型，結(jié)合虛擬樣機(jī)技術(shù)研究了曲軸的動態(tài)特性，對模型的強度進(jìn)行校驗和模態(tài)分析，對提高曲軸的可靠性和性能有重要意義；譚理剛[16]在曲柄滑塊機(jī)構(gòu)中, 結(jié)合虛擬樣機(jī)技術(shù)，應(yīng)用ADAMS軟件分析了動力學(xué)特性，探究構(gòu)件柔性和運動副間隙對機(jī)構(gòu)動力學(xué)特性的影響。唐瑞東等[17]為研究曲軸偏置式發(fā)動機(jī)的平衡性，分別采用傳統(tǒng)方案和結(jié)合虛擬樣機(jī)改進(jìn)的技術(shù)，對比了采用同一套曲軸連桿活塞組的偏置式三缸機(jī)和對心式發(fā)動機(jī)的平衡性，結(jié)果表明，相比傳統(tǒng)平衡方案提高了剩余往復(fù)慣性力矩幅值的均勻性。王祥等人[18]分析了曲軸連桿機(jī)構(gòu)軸頸處的受力情況，并進(jìn)一步分析了曲軸整體的應(yīng)力應(yīng)變狀況，發(fā)現(xiàn)軸頸與連桿臂過渡圓角處是應(yīng)力集中的易發(fā)區(qū)域，為曲軸圓角滾壓強化工藝提供了支持，是對曲軸壽命研究的理論支持。姚壽廣等[19]通過在Pro/E中建立曲軸系的三維實體模型，借助VN4D軟件，獲得了曲軸系重要部件連桿和曲軸的應(yīng)力云圖，對曲軸系正常運轉(zhuǎn)下的沖擊響應(yīng)進(jìn)行分析，實現(xiàn)了多剛體動力學(xué)與有限元的耦合分析結(jié)果。

總之，虛擬樣機(jī)技術(shù)因其特有的優(yōu)勢，在技術(shù)水平不斷發(fā)展的曲軸系統(tǒng)設(shè)計過程中必然會取代傳統(tǒng)的曲軸設(shè)計技術(shù)。將其合理、恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用于曲軸設(shè)計過程，可進(jìn)一步實現(xiàn)產(chǎn)品性能預(yù)測的作用，提高曲軸產(chǎn)品從設(shè)計到生產(chǎn)全周期過程中的效率，保證曲軸產(chǎn)品的精度和質(zhì)量，從而保證在信息技術(shù)和科學(xué)技術(shù)不斷高速、高效發(fā)展的過程中解決可能出現(xiàn)的各種問題，保障曲軸系設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)制造過程的先進(jìn)性、準(zhǔn)確性。虛擬樣機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展、改進(jìn)，對保障機(jī)械設(shè)計技術(shù)的高速發(fā)展有重要作用。

3 結(jié)束語

現(xiàn)代制造過程中精密化程度越來越高，對發(fā)動機(jī)的性能要求也日益提高。將虛擬樣機(jī)技術(shù)應(yīng)用于曲軸開發(fā)制造過程中，可以提升曲軸各模塊的性能質(zhì)量，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時提升曲軸產(chǎn)品設(shè)計制造的效率，縮短生產(chǎn)周期。虛擬樣機(jī)技術(shù)在曲軸設(shè)計制造過程中所展現(xiàn)出的優(yōu)勢已使其成為曲軸設(shè)計制造的重要技術(shù)手段，對提高發(fā)動機(jī)的核心競爭力有重要意義。