柴油机数字化设计研究

第６期（总第１８５期）２００９年１２月车用发动机ＶＥＨＩＣＩ，ＥＥＮＧｌＮＥＮｏ．６（ＳｅｒｉａｌＮｏ．１８５）Ｄｅｃ．２００９柴油机数字化设计研究李志鹏，王艳丽，强智臻（中国北方发动机研究所，山西大同０３７０３６）摘要：介绍了柴油机的数字化设计开发过程，柴油机数字化设计研究选用Ｐｒｏ／Ｅ－Ｉｎｔｒａｌｉｎｋ软件为平台，采用自顶向下和模块化的设计方法，实现所有重要设计参数全部数据化，完成发动机设计任务的模块分解。

任务模块分解后，设计人员同步进行工程设计。

在设计过程中，各模块间可以进行实时的干涉和公差分析，检查各模块设计的可行性。

完成模块设计后，进行组合生成整机模型，实现了柴油机工程设计的数字化，缩短了柴油机整机设计开发周期，提高了设计质量。

关键词：柴油机；数字化设计；设计流程中图分类号：ＴＫ４２２．１文献标志码：Ｂ文章编号：ｉ００１—２２２２（２００９）０６—００２４—０４进入２１世纪，柴油机的发展进入了一个崭新的时期，应用越来越广泛，人们在对其各项性能指标提出更高要求的同时，相应地也对柴油机的设计提出了新的要求。

新型柴油机不仅需要具有更高的功率密度、更紧凑的结构和更小的质量等特点，还需要满足市场开发所要求的更短的设计开发周期、更高的设计质量和更快的设计变型。

鉴于此，传统的设计方法已经很难满足这些要求，而全新的数字化设计方法利用自顶向下和模块化的研发模式，除了实现结构设计的基本要求外，更在设计的精确性、实用性、可控性和快速性等方面很好地满足了市场、质量和系列化等诸多要求。

在某新型柴油机的设计开发中，尝试采用数字化设计方法进行柴油机样机设计，并针对样机的设计要求提出了以下设计准则：ａ）总体布置牵引，参数化模型设计；ｂ）定义总体参数，实现自上而下的设计流程；ｃ）明确控制参数和控制方式，实现数据流的传递；ｄ）定义装配结构，自下而上整机装配；ｅ）整机具有真实装配结构，并可进行干涉检查和间隙评估；ｆ）定义零件模型图纸的全关联；ｇ）实时同步设计，研发周期较短。

按照上述的设计要求和设计准则，此次全新柴油机的数字化设计总体思路和实施方式就是将柴油机的方案设计和工程设计有效地结合在一起，采用自顶向下的设计思路和模块化的设计手段，完成设计任务的由总体到部件的分解，由部件到整机的组合，实现产品的并行设计。

通过柴油机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，通过这些参数的可控更改，可以快速实现设计方案的更改和柴油机系列化的开发。

数字化设计要求使用的软件平台具有零件数字化建模、数据库管理、并行设计、模型属性与工程图相关等一系列特点，具备衔接设计至生产全过程的功能。

目前市场上主流设计软件有Ｐｒｏ／Ｅ，ＵＧ，ＣＡＴＩＡ等，本研究选择Ｐｒｏ／Ｅ—Ｉｎｔｒａｌｉｎｋ软件作为基础软件设计平台。

１柴油机数字化设计概述柴油机数字化设计的基本思路是将柴油机设计过程中总体结构的关键参数进行设定和控制，利用总体骨架对整机结构进行描述和分解，完成总布置，之后利用自顶向下的方法将设计信息传递给每一个部件和系统，各部件和分系统则接收设计信息并在设计信息的指导和约束下完成设计任务。

部件设计完成后会按整机骨架的约束自动装配在一起，最后集成为柴油机总成。

具体设计流程见图１。

进行柴油机数字化设计时，必须规范协同设计平台、统一基本设计环境、建立设计规范（包括设计软件的环境设定和柴油机设计规范的制订），以便于收稿日期：２００９－０７－２０；修回日期：２００９一１２—１５作者简介：李志鹏（１９８３一），男，工程硕士，主要研究方向为发动机总体设计及系统匹配技术；ｆｌｙ５２９ｉ＠１６３．ｃｏｒｎ。

万方数据２００９年１２月李志鹏，等：柴油机数字化设计研究一耵刖如ｍ’飞可互矮２数字化设计在产品开发中的应用２．１柴油机总体设计柴油机数字化设计的首要工作是对柴油机结构设计的关键参数进行设计规划并实施控制，同时将这些参数的信息遗传到柴油机的总体骨架设计中，通过骨架传递进而指导和约束部件的工程设计，实现整机主要参数的传递。

关键参数控制和总体布置过程在Ｐｒｏ／Ｅ－Ｉｎ－ｔｒａｌｉｎｋ中是采用布局（１ａｙｏｕｔ）来实现的，主要将一系列决定柴油机整机结构的重要参数进行设计规划和全局控制。

根据柴油机设计需求选择的主要参数包括缸数、缸径、行程、连杆长度、缸心距、长度、宽度、高度、Ｖ形角度、错缸距离等，同时还可以包括气门布置和附件布置等信息，可视柴油机的具体型式和系列化要求进行增减。

在完成整机布局后要进行整机骨架的设计，通过整机骨架的设计来约束柴油机的结构参数。

一般都需要用定制好的标准模版建立一个柴油机的总装配，确定装配结构，在总装配条件下创建整机骨架。

骨架模型主要定义一些基本的设计信息和各组件、附件及整机的安装位置，主要包括整机坐标系、部件定位信息、接触表面的轮廓、部件装配参考、关键件的形状和尺寸等。

在整机骨架中要声明布局，以便于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，由此将设计意图从上到下传递下去，实现模型的数据共享和统一。

本研究所设计的Ｖ型机整机骨架见图２。

在完成布局和整机骨架设计后，即完成了总布置，后续工作就是将整机骨架中所包含的设计信息和定位基准等零部件设计的边界条件通过发布几何传递给各部件和各分系统。

在接收整机骨架发布信息后各部件和各分系统就可以进行零部件的详细设计了。

这样就完成了自顶向下的柴油机设计流程。

实现了数据流的准确传递。

图２Ｖ型机整机骨架这样一来零部件的详细设计就是由初始的总体参数设定和总体结构布置所决定，如果总体参数需要进行设计修改，则部件会协同变化，保证了设计意图的准确传递和设计更改的高效实施。

柴油机数字化设计流程分解见图３。

图３柴油机数字化设计流程分解图２．２柴油机零部件数字化设计在接收整机信息后，在整机信息的牵引和约束下可以开展零部件的详细设计。

本研究对气缸盖、机体、油底壳、运动件、传动机构、配气机构、冷却润滑、增压系统、供油系统、进排气系统各部件都进行了数字化设计，以下选取气缸盖的数字化设计过程为例进行介绍。

柴油机气缸盖结构复杂，建模困难且难以表达，在传统设计中往往只能由一位设计师进行设计，设计周期长，修改难度大，可视性较差且难以保证建模精度。

在气缸盖数字化设计过程中，通过模块化设计方法将复杂模型拆分为简单模块进行设计，将气缸盖分解为三部分，分别是气缸盖外形、水套和进排气道。

可以由多名设计人员在骨架信息的指导约束万方数据车用发动机２００９年第６期下针对这三部分结构并行开展规范化设计，最后将三部分模型在装配中合并在一起，完成气缸盖设计，这样有利于保证模型的质量，便于模型的修改。

缸盖模块化分解示意图见图４。

图４缸盖模块化分解不意图２．２．１缸盖的外形设计在进行详细设计前，首先要接收整机骨架对缸盖的信息发布，设计缸盖骨架模型，骨架模型中主要包括缸盖高度、宽度、长度、连接螺栓的位置、进排气门的位置、上回油孔位置、上回水孔位置、关键的基准面、关键基准曲线和曲面等信息。

缸盖外形设计从骨架模型中继承装配坐标和定位基准，获取主要的轮廓形状和尺寸，其余利用Ｐｒｏ／Ｅ软件中拉伸、旋转等特征制作和增减材料从而完成设计，同时还需要考虑拔模角和铸造圆角。

２．２．２迸排气道偏距的设计气道本身是较为复杂的结构，考虑预留气道的壁厚，通过一系列的设计手段，根据气道设计满足其壁厚要求的零件。

将设计得到的零件模型存入Ｐｒｏ／Ｅ数据库中供冷却水腔设计时使用。

２．２．３气缸盖冷却水腔的设计首先从骨架模型中取得气缸盖的上回水孔位置、孔径、气道偏距、外形尺寸、连接螺栓、气门位置、进回油孔位置以及重点冷却区域等信息，综合以上因素进行详细设计，冷却水腔设计的关键在于与外形设计保持一致。

２．２．４气缸盖铸件模型的设计铸件模型来源于之前设计的外形、冷却水腔和进排气道。

将上述模型合并就可以得到初步的气缸盖铸件模型，在添加气缸盖外形结构的特征后就形成完整的铸件模型。

气缸盖的机加工模型是在铸件模型的基础上，切除加工余量和机加工孔后得到的。

在完成上述模型后，通过定位关系的装配和剪切就完成了气缸盖的模块化设计。

气缸盖数字化设计流程见图５。

图５气缸盖数字化设计流程２．３柴油机设计过程数字化采用数字化设计方法开发柴油机的一个重要目的就是在产品的设计开发过程中能够实时监控设计过程，分析评估柴油机总体及部件设计的正确性和先进性，保证工程设计正确、规范、快速地开展。

在工程设计中通过开展以下几方面工作达到上述目标。

２．３．１关键参数驱动的变量化模型设计通过关键参数驱动的变量化模型设计，只需要对预先定义的总体参数及表征结构的骨架进行修改就能完成柴油机的零部件主体结构的变更，加强了零件设计的可修改性。

２．３．２参数化设计与系列化机型的衍生由于在设计初期柴油机的关键参数在布局内进行了设置，开发衍生机型时，通过修改布局中的主参数就可以快速得到衍生机型的基本结构。

满足了柴油机后期变型的要求，提高了设计效率及正确性，缩短了设计周期。

２．３．３整机装配与系统部件的同步设计在设计初期确定柴油机整机装配结构，总体骨架中对各子系统进行了空间布置和应用坐标系定位装配，在各部件完成建模的同时，同步完成整机装配，并可实时检查装配的可行性。

２．３．４设计过程中的实时监控协调数字化模型具有实时性特性，设计师能够在设计初期及时发现设计问题或装配干涉问题，从而可以及时进行协调和更改。

２．３．５设计模型与计算评价体系的链接通过对模型的统一和规范要求，各零部件模型可以直接用于各种仿真计算和分析评估。

本研究已对缸盖、机体、曲轴、连杆、活塞、传动轴系、配气机构等进行强度、刚度、可靠性等评价，并根据结果对柴油机结构形式和主要参数进行调整，直至符合设计要求。

零部件模型仿真计算结果见图６。

万方数据２００９年１２月李志鹏，等：柴油机数字化设计研究优点：ａ）数字化设计具有的参数控制、流程引领、模型准确、传递及时、并行设计、数据管理、可视性强以及易于修改等一系列优点提高了柴油机的设计质量，缩短了设计周期，降低了设计成本；ｂ）数字化设计中自顶向下的流程牵引和约束了整机设计，保证了设计意图执行的准确性、设计条件传递的精确性和及时性；ｃ）数字化设计保证了模型的精确性、可控性和可修改性，为模型的仿真计算、设计更改、系列化机型的衍生奠定了基础；ｄ）数字化设计可以以工作组的方式并行开展，并可以实时更新检查，最大限度地减少设计阶段不必要的重复工作，提高了工作效率；ｅ）整机装配与系统部件同步设计，在各系统部件设计完成的同时，同步完成整机装配；ｆ）对于复杂零件设计，可以将复杂模型拆分为图６零部件模型仿真计算结果简单模块进行设计，提高了工作效率。

．参考文献：３结束语［１］符锡侯，杨杰民．车用柴油机总体设计［Ｍ］．上海：上利用数字化设计方法可以在较短的时间内完成海交通大学出版社，１９９２．全新样机的设计与开发，同时提高了零部件的设计［２３许道延，丁贤华．高速柴油机概念设计与实践［Ｍ］．北质量，并在设计阶段发现和解决存在的问题，为后续京：机械工业出版社，２００４．的计算分析、试制加工和试验验证奠定了基础。