柴油机数字化设计自顶向下建模

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来源：《智能制造》 2014年第8期

论述了应用Pro/ENGINEER软件在Intralink环境下完成柴油机数字化设计的自顶向下建模准则和方法，以曲轴几何建模实例介绍了柴油机通用零部件几何模型的细化过程，体验了“顶层总体控制、逐级细化完善、并行协同设计”数字化建模方法的高效实施。

撰文 / 中国北方发动机研究所 杨唯峰 黄树和 王延荣 杨俊恩

在市场化、国际化新形势下，为了满足客户需求，企业越来越重视CAD/CAM领域的“宠儿”——数字样机技术。使用数字样机技术，可以使产品的设计者、使用者和制造者在产品研制的早期，通过虚拟环境直观形象地对数字化的虚拟产品原型进行设计优化、性能测试、制造仿真和使用仿真，可以迎合客户对产品不断改进的个性化、多样化要求，形成企业的创新机制和能力，强化企业在剧烈的全球化经济中的快速反应能力和竞争力。

数字化建模是数字样机的基础，是应用三维机械CAD软件对零件和部件进行装配设计，形成产品整机或零部件三维数字模型的过程。装配设计有两种典型方法，即自底向上建模

（Bottom-up）和自顶向下（Top-down）建模。两种设计模式各有特点，应根据不同的研发性质和产品特点，选用合适的流程。柴油机新产品研发更适宜采用自顶向下的设计模式，自顶向下建模更能反映真实的设计过程，减少重复设计，提高设计效率。

一、自顶向下建模设计准则

自顶向下设计就是设计时从系统角度入手，针对设计目的，综合考虑形成产品的各种因素，确定产品性能、组成、相互关系和实现方式，形成设计的总体方案；然后在此基础上分解设计目标给分系统具体实施，分系统从上级系统获得必须的相关参数等，并在上级系统确定的边界内开展设计，最终完成总体性能相对最优的设计。其设计准则有以下几点。

（1）采用自顶向下的设计思路和模块化设计手段，将柴油机的概念设计、方案设计和工程设计有效地结合在一起，通过关键参数的设定来控制整机结构，牵引部件设计，实现设计过程的数字化。

（2）设计任务由总体到系统、部件逐级分解，由部件、系统到整机逐步组合，实现产品的并行设计。

（3）总体布置牵引，坐标系装配方式，参数化模型设计，确定控制参数和控制方法，保证装配模型装配约束和尺寸约束有效性。

（4）设计参数通过骨架文件的发布几何及复制几何进行传递及更新，实现设计条件的实时传递、共享、继承和变更。

（5）柴油机整个设计阶段完全在Pro / ENGINEER和Intralink设计平台上进行。

二、设计环境定制

创建初始的装配模型，需要进行建模环境配置和模型模板配置。

软件设计平台环境定制包括软件安装配置、软件基础环境配置、三维设计环境、二维设计环境及产品管理方法、模式定制等。基于Pro/ENGINEER建模时，应该按照系统环境设计要求，对软件的运行环境进行三维基础环境配置，完成软件环境设置。

设计模板定制包括三维骨架标准模板定制、关键零部件三维初始模型模板定制和二维标准图框模板定制等。新建模型时，零件和组件模板分别使用70_start_part（零件模型）和

70_start_asm（组件模型），不使用Pro/ENGINEER软件缺省模板。在设定模型模版时，应将零件名称、零件图号、材料属性、所属装配号、产品代号及零件类型（重要件、关键件）等进行相应设置。

三、自顶向下建模设计方法

1.总体布置

确定设计目标后，根据客户需求形成产品任务书，作为设计输入，进行产品初步的系统分析，统一考虑影响产品形成的全部要素(工艺、制造和用户要求)，形成结构布置方案、功能实现方案等。

2.产品骨架模型设计

骨架模型也称布局模型，它是用于控制柴油机装配模型的姿态、整体布局、设计参数、关键几何、装配接口及接口几何形状等信息的模型文件。骨架模型主要定义一些基本的设计信息、各组件、附件及整机的安装位置和接口关系，主要包括整机坐标系、部件定位信息、部件间的接口关系、接触表面的轮廓、关键件的形状和尺寸等。

所有三维数字模型应将柴油机整机坐标系作为绝对坐标系，设计位置按照柴油机整机状态下实际位置开展三维设计。后续几何主要是由基准面、轴、点、相对坐标系、控制曲线和曲面等构成。可以根据零部件特点自定义设计坐标系，运动零部件及组件位置定义不应该约束其运动姿态（如活塞的往复运动、齿轮的旋转等）。自定义设计坐标系在自顶向下设计中的作用是：在装配设计中作为装配单元设计的参照基准；通过发布几何控制零件设计位置；在模块化设计及零部件设计中用于控制参数，保证在参数变更时各子模块及相关零部件状态能够及时更新，保持参数及接口的一致性。

数字样机设计骨架模型类别分为总骨架、发布骨架和子骨架。调用三维骨架模板，进行重命名等操作，设计该产品的整机总骨架装配模型、机体总骨架模型、气缸盖总骨架模型、运动骨架模型、分系统发布骨架、分系统子骨架，定义大致的装配结构。

（1）整机总骨架模型设计。

Layout又称布局，是通过Pro/ENGINEER创建出的一种二维绘图文件，设计师可使用布局图中创建的参数，通过声明操作，与骨架等三维模型创建关系，通过布局控制产品的主要设计参数。

首先使用布局Layout文件模板，另存为当前产品的布局Layout文件，并进行命名；然后修改布局中“整机性能参数表”、“机体结构参数表”和“气缸盖结构参数表”的性能及结构参数，完成产品布局Layout的设计。整机装配骨架模型包括机体总体骨架、气缸盖总体骨架和曲轴连杆活塞的运动骨架（用以生成运动包络模型）三个部分。使用整机装配骨架模板，另存为当前产品的整机装配骨架模型，并进行命名，完成整机装配骨架的设计。

（2）分系统发布骨架设计。

建立分系统发布“骨架.prt”模型。按分系统发布骨架设计要求从总骨架中复制发布几何特征。

（3）各系统子骨架设计。

建立子“骨架.prt”模型。按照分系统零部件模型创建要求，从分系统发布骨架中复制几何特征，作为分系统零部件设计输入。子系统的发布骨架模型应与总骨架一致。柴油机自顶向下设计一般流程如图1所示。

应用Pro/ENGINEER软件在Intralink环境下完成柴油机设计的自顶向下建模，要将各参数信息表达在柴油机总体骨架设计中，通过骨架传递来指导和约束部件的工程设计。整机总骨架、分系统发布骨架及子骨架间采用复制几何的方法将顶层设计信息向下逐层传递。在整机骨架中要声明布局，以便发布和接收设定的柴油机关键参数，建立整机骨架和零部件结构参数间的关系，实现模型的数据共享和统一，保证设计信息的实时传递和更新。

在装配模型中设计实体元件时，需要根据上级装配模型中传递来的设计信息，分别设计出满足要求的实体零件，通过零件装配形成子装配模型。子装配模型设计可独立进行，亦可协同并行完成。各子装配模型设计完成后，通过数据更新可实现顶层装配模型的自动更新。

四、柴油机零部件建模实例——曲轴几何建模

根据柴油机曲轴的结构特点，将曲轴分解成为一些比较简单的特征单元，通过单元数据共享，快捷地开展曲轴的造型和修改工作。曲轴几何建模的基本流程如图2所示。

1.曲轴建模单元体划分

曲轴从结构特征出发，可划分为曲拐单元、曲轴前端、曲轴后端3个基本单元体，而从曲轴功能角度出发，各个曲拐单元需要有固定的空间角度位置，并需要通过油路的设计，将主轴颈与连杆轴颈的油路贯通，故曲轴建模还需要曲拐布置单元、曲轴润滑油路2个单元体，通过

上述5个单元体的数据共享及布尔运算，再辅以局部特征的构建，就能够得到曲轴的几何模型。

2.特征单元模块构建

首先，根据总体发布的设计信息（如协调卡片、骨架、参数等）完成曲拐布置单元模块构建。在进行曲轴几何建模坐标基准定义时，坐标点在靠前气缸中心与曲轴中心的交点上，将X坐标轴定义为旋转轴，正方向指向曲轴后端，Z坐标轴定义为垂直轴（沿气缸中心线方向），正方向指向气缸平面，Y坐标轴定义为水平轴（垂直气缸中心线方向）。通过对轴坐标X正方向上按缸心距偏移，旋转轴方向上按曲拐夹角旋转，可逐一确定后续单元的空间安装位置参照，形成“*-skel.prt”文件，此文件将作为曲轴其它4个基本单元体装配及数据共享的基准，如图3所示。

分别构建曲拐单元、曲轴后端、曲轴前端及曲轴润滑油路等特征单元，分别形成“*.prt”文件。

曲拐单元中包含1个连杆轴颈、2个曲柄臂及2个主轴颈，由于不同曲轴的平衡需求不同，曲拐单元体是根据平衡配置需求而变化的一类单元体，其变化主要体现的平衡重在曲柄的安装状态上。曲拐单元的安装坐标应位于曲拐靠前一缸气缸平面内，基准坐标轴方向的定义必须与曲拐布置骨架单元中的定义一致，如图4所示。模块中特征建立顺序应按照先总体后局部、先大后小、先主要后次要的原则。

曲轴前、后端一般为简单的旋转体。曲轴后端单元特征上需要体现与飞轮的接口及曲轴的轴向止推结构，单元中需要包含主轴颈的剩余长度及飞轮接口的连接法兰；曲轴前端单元特征上需要体现与减振器及附件驱动机构的接口结构，单元中需要包含主轴颈的剩余长度、减振器及附件驱动机构接口的连接法兰。

3.曲轴单元体装配

新建crankshaft.asm文件，先行装配“*-skel.prt”模块，然后以曲拐布置骨架单元中定义的坐标基准点为参照，将曲拐单元、曲轴后端、曲轴前端及曲轴润滑油路单元的“*.prt”文件组装在一起，形成曲轴装配体文件，在该文件中将形成各单元的相对位置信息，如图5所示。

4.曲轴单元体集成

新建“*.prt”文件，通过共享数据-复制几何的方法，将曲拐单元、曲轴后端、曲轴前端、润滑油路单元等基本单元体的曲面特征复制到新建文件中；将曲拐单元与对应的润滑油路单元进行布尔运算，将润滑油路特征添加在曲拐特征中；将运算形成的曲拐单元曲面、曲轴后端曲面及前端曲轴进行实体化，形成曲轴实体模型。

5.曲轴几何模型

在曲轴实体模型基础上，通过局部的圆角、倒角及连接法兰口螺纹的修饰特征补充到模型上，并重新构建工程标注需要的基准轴，即完成了曲轴几何模型的构建，如图6所示。

五、结语

数字化建模，把产品的物理模型转化为与真实物理产品之间具有1:1的比例且尺寸精确的产品数据模型。数字样机可以验证物理样机的功能和性能，代替部分甚至全部的物理样机，并将其储存在计算机内供后续的计算机辅助技术（CAX）所共享，实现产品生命周期（Product Lifecycle Management，PLM）的数字化。这样，大大提高了产品开发质量、缩短了产品开发周期、降低了产品研发成本，在柴油机的系列化研发过程中效果尤为明显。通过模块化设计方法，把一个复杂产品逐级分解成简单的单元，可以由多个设计人员并行协同快速完成设计任务。