基于Creo的汽車(chē)膨脹水箱設(shè)計(jì)方法

張 丹，劉帥帥

（陜西華臻車(chē)輛部件有限公司，西安 710200）

0 引言

膨脹水箱是汽車(chē)?yán)鋮s系統(tǒng)的重要部件，它的主要功能是為冷卻液提供膨脹空間，補(bǔ)給冷卻液損失，使冷卻系統(tǒng)成為一個(gè)密閉的空間，隔絕空氣進(jìn)入，避免冷卻系統(tǒng)內(nèi)部零件氧化腐蝕。同時(shí)，穩(wěn)定系統(tǒng)內(nèi)部壓力，提高水泵出水量。因此膨脹水箱對(duì)整個(gè)冷卻系統(tǒng)是否正常運(yùn)轉(zhuǎn)至關(guān)重要。

膨脹水箱設(shè)計(jì)中，容積可根據(jù)冷卻系統(tǒng)需求計(jì)算，但外形受整車(chē)布置影響，產(chǎn)品造型多為不規(guī)則體；同時(shí)，膨脹水箱大部分是由半透明塑料PP制成，殼體通過(guò)注塑成型，內(nèi)置十字擋板，通過(guò)熱板焊接工藝連接成一個(gè)整體，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此，在膨脹水箱三維設(shè)計(jì)中，模型容積無(wú)法直接測(cè)量，通常模型設(shè)計(jì)完成后，再填滿(mǎn)容積進(jìn)行校對(duì)，需要反復(fù)修改，直至產(chǎn)品滿(mǎn)足設(shè)計(jì)容積，工作效率極低。

基于以上認(rèn)識(shí)，為提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)效率，減少重復(fù)性工作，確定以下設(shè)計(jì)思路：首先根據(jù)客戶(hù)需求計(jì)算膨脹水箱容積；其次根據(jù)邊界條件，通過(guò)三維設(shè)計(jì)軟件Creo的Top-Down設(shè)計(jì)建立產(chǎn)品外形輪廓骨架模型，并通過(guò)骨架模型傳遞設(shè)計(jì)信息，分別完成零件設(shè)計(jì)；最后，通過(guò)Creo行為建模模塊建立膨脹水箱容積與外形尺寸之間的關(guān)系，最終確定產(chǎn)品容積及最優(yōu)尺寸。

1 基于Creo的膨脹水箱設(shè)計(jì)方法

1.1 確定膨脹水箱理論容積

國(guó)內(nèi)卡車(chē)主機(jī)廠對(duì)現(xiàn)有膨脹水箱設(shè)計(jì)容積有明確的要求：包含膨脹容積，儲(chǔ)備容積，最低液位必備容積，其中“冷態(tài)滿(mǎn)”液位以上的膨脹容積必須介于冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的6%到12%之間，膨脹容積過(guò)小，導(dǎo)致溢出浪費(fèi)，容積過(guò)大，不利于冷卻系統(tǒng)內(nèi)部壓力建立，導(dǎo)致冷卻液沸騰和水泵穴蝕；儲(chǔ)備容積約占冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e的10%左右；最低液位必備容積即防止空氣通過(guò)加注管進(jìn)入冷卻系統(tǒng)的最低液位，一般根據(jù)經(jīng)驗(yàn)判斷[1，2]。箱體上需明顯標(biāo)記“冷態(tài)滿(mǎn)”時(shí)的最高液位線MAX，以及防凍液最低液位線MIN。

1.2 通過(guò)Top-Down設(shè)計(jì)建立產(chǎn)品模型

現(xiàn)行注塑膨脹水箱分為上下殼體，內(nèi)部分布加強(qiáng)筋，設(shè)計(jì)方法是先建立產(chǎn)品零件（不同的人來(lái)完成），再進(jìn)行裝配，裝配干涉或設(shè)計(jì)變更，需對(duì)上/下殼體不斷進(jìn)行重復(fù)修改，反復(fù)裝配驗(yàn)證，保證配合一致，造成時(shí)間和人員的浪費(fèi)，工作效率極低；Top-Down的設(shè)計(jì)思想（以Creo為例），通過(guò)定義頂層的設(shè)計(jì)意圖（骨架）并從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的頂層向下傳遞信息到有效的子裝配或零件中。產(chǎn)品確定設(shè)計(jì)意圖后，可先進(jìn)行結(jié)構(gòu)及三維空間規(guī)劃，再通過(guò)共享設(shè)計(jì)信息建立零件，設(shè)計(jì)變更時(shí)只需要改動(dòng)骨架，子裝配及零部件就會(huì)隨之變化；同時(shí)，骨架模型一般按照靜態(tài)安裝位置繪制，零件可在裝配模式下參考骨架模型建立，無(wú)需再進(jìn)行裝配[3]。如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程與Top-Down設(shè)計(jì)流程

在膨脹水箱設(shè)計(jì)中的應(yīng)用步驟是：

1）建立骨架模型，然后發(fā)布零件幾何；

2）在裝配模式下，分別創(chuàng)建零件，復(fù)制幾何傳遞設(shè)計(jì)信息；

3）分別完成上殼體，下殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

1.3 通過(guò)Creo行為建模進(jìn)行模型分析優(yōu)化

膨脹水箱設(shè)計(jì)中，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)確定后需通過(guò)最原始的方式，對(duì)產(chǎn)品模型容積反復(fù)測(cè)量，尺寸反復(fù)修改，最終達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)容積，工作量極大，效率低。

Creo行為建模是新一代目標(biāo)導(dǎo)向智能型模型分析工具，它能對(duì)模型進(jìn)行多種分析，并將分析結(jié)果應(yīng)用到模型中去，獲得最佳設(shè)計(jì)方案[4，5]。膨脹水箱設(shè)計(jì)中，以膨脹水箱容積為目標(biāo)值，通過(guò)Creo行為建模容積分析可快速確定產(chǎn)品體積和外形尺寸；針對(duì)不規(guī)則產(chǎn)品，可將整個(gè)高度范圍內(nèi)容積以高度-容積的圖形模式顯示，精準(zhǔn)確定各高度處容積，方便確定各腔體體積[6]。

具體步驟是：

1）設(shè)定目標(biāo)容積，通過(guò)Creo行為建模進(jìn)行容積分析，確定產(chǎn)品外形尺寸最優(yōu)組合；

2）使用UDA（用戶(hù)自定義）分析特征，得到容積沿高度變化的圖形函數(shù)，獲得某一高度尺寸處容積，快速確定各腔體容積（MIN/MAX線位置）。

2 基于Creo的膨脹水箱設(shè)計(jì)實(shí)例

2.1 膨脹水箱容積計(jì)算

對(duì)某款重型卡車(chē)膨脹水箱進(jìn)行設(shè)計(jì)，冷卻系統(tǒng)總?cè)莘e約為72.2L，膨脹水箱目標(biāo)容積如下：

式(1)中，V1為膨脹容積；V2為儲(chǔ)備容積；V3為最低液位必備容積，估算約為3.5L；V為膨脹水箱總?cè)莘e。

膨脹水箱分為上下兩個(gè)殼體，總?cè)莘e為上、下殼體容積總和，參考邊界，下殼體設(shè)計(jì)高度86.5mm，容積目標(biāo)值為7.15L，上殼體設(shè)計(jì)高度92.5mm，容積目標(biāo)值8.55L。

2.2 建立骨架，零件設(shè)計(jì)

建立膨脹水箱總成骨架后，通過(guò)發(fā)布幾何約束可被零件參考的曲面、鏈、參考等，未發(fā)布的幾何不能被引用，從而使上殼體和下殼體建立時(shí)互相之間獨(dú)立，不會(huì)出現(xiàn)交互引用導(dǎo)致的錯(cuò)誤。

2.2.1 建立骨架模型

發(fā)布幾何，如圖2所示。

圖2 膨脹水箱骨架及骨架模型樹(shù)

2.2.2 建立零件

復(fù)制幾何，如圖3、圖4所示。

圖3 膨脹水箱上殼體

圖4 膨脹水箱下殼體

2.2.3 零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖5、圖6所示。

圖5 膨脹水箱上殼體

圖6 膨脹水箱下殼體

2.3 容積分析，尺寸優(yōu)化

該案例中通過(guò)Creo行為建模分別對(duì)上殼體、下殼體進(jìn)行容積分析，在設(shè)定目標(biāo)體積的前提下，完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)尺寸優(yōu)化。

以下殼體設(shè)計(jì)為例：

2.3.1 容積優(yōu)化

1）通過(guò)“分析”---“測(cè)量”—“體積”分別確定下殼體抽殼前后體積。

抽殼前體積：MEASURE_VOLUME_1

抽殼后體積：MEASURE_VOLUME_2

2）進(jìn)入行為建模模塊，下殼體容積VOL通過(guò)“分析”命令里的“關(guān)系”約束。

VOL=ONE_SIDED_VOLUME：FID_MEASURE_VOLUME_1-ONE_SIDED_VOLUME：FID_MEASURE_VOLUME_2，即下殼體容積等于抽殼前體積減去抽殼后體積。

3）通過(guò)“分析”中的敏感度分析，可得到下殼體容積與設(shè)計(jì)高度，設(shè)計(jì)寬度的關(guān)系，優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸。

如圖7所示，底部臺(tái)階高度H設(shè)計(jì)在59mm時(shí)，容積可達(dá)到預(yù)期的7.15L。

圖7 臺(tái)階高度敏感度分析結(jié)果

如圖8所示，底部臺(tái)階寬度W設(shè)計(jì)在65mm時(shí)，容積可達(dá)到預(yù)期的7.15L。

圖8 臺(tái)階寬度敏感度分析結(jié)果

4）通過(guò)“分析”中的可行性/優(yōu)化分析，可確定目標(biāo)體積下，多個(gè)外形尺寸的最優(yōu)解。

設(shè)定下殼體目標(biāo)體積為VOL，臺(tái)階高度尺寸H，寬度尺寸W為變量，參考步驟3）中的尺寸，對(duì)H，W尺寸進(jìn)行范圍約定；

通過(guò)可行性?xún)?yōu)化分析，H=60.19mm，W=64.96mm時(shí)，VOL=7.15mm，如圖9所示。

圖9 體積與變量?jī)?yōu)化分析結(jié)果

通過(guò)上述可行性分析，可以準(zhǔn)確定義產(chǎn)品尺寸和容積大小。

2.3.2 確定MIN線

使用UDA（用戶(hù)自定義）分析特征設(shè)定域點(diǎn)范圍為下殼體整個(gè)高度，測(cè)量過(guò)域點(diǎn)平面MIN以下容積，可以得到下殼體容積沿整個(gè)高度方向變化的圖形函數(shù)。該膨脹水箱最低液位容積為3.5L，從圖形中獲取MIN線在下殼體高度方向的0.3處，即距離下殼體底面向上86.5×0.3=25.95mm處，如圖10、圖11所示。

圖10 下殼體體積測(cè)量

圖11 沿高度變化的容積曲線

3 結(jié)語(yǔ)

在膨脹水箱設(shè)計(jì)過(guò)程中，使用Creo軟件，通過(guò)Top-Down設(shè)計(jì)建立骨架模型，約束零件之間的空間位置，避免設(shè)計(jì)干涉，同時(shí)傳遞設(shè)計(jì)信息，最大限度減少設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的重復(fù)性修改。使用Creo行為建模模塊進(jìn)行容積分析，以容積為目標(biāo)，尺寸為變量，實(shí)現(xiàn)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)UDA分析獲得容積沿整個(gè)高度方向變化的圖形函數(shù)，確定各腔體容積。利用該方法可提高設(shè)計(jì)師工作效率，減少設(shè)計(jì)工作量，大大縮短設(shè)計(jì)周期。