基于UG的内燃机活塞机构虚拟装配和运动仿真 (1).

L001L002
L003L004
图1内燃机原理图
基于UG 的内燃机活塞机构虚拟装配和运动仿真
熊
娟1,覃欣
2
(1.四川电力职业技术学院,四川成都610071,2.中国测试技术研究院,四川成都610021
摘
要:为改变二维设计的不足和适应现代化的需要,借助UG 强大的建模和装配技术,分析了内燃机活塞机构中各
构件的三维建模过程及构件之间的虚拟装配过程;通过UG 的仿真技术,对内燃机活塞机构设计过程中的连杆创建、运动创建、驱动定义等环节进行了分析。

实践证明,利用UG 进行虚拟装配和运动仿真,可以缩短产品的研发周期,提高生产效率。

关键词:内燃机;活塞机构;UG 软件;虚拟装配;三维建模;运动仿真中图分类
号:U261.2;TP391.9
文献标识码:A
文章编号:1674-5124(200906-0038-04
Virtual assembly and movement emulation for piston mechanism of internal
combustion engines based on UG
XIONG Juan 1,QIN Xin 2
(1.Sichuan Technical College of Electric Engineering ,Chengdu
610071,China ;2.National Institute of Measurement and Testing Technology ,Chengdu 610021,China
Abstract:In order to conquer the shortage of two-dimensional design and adapt to the needs of modernization ,
combining with the strong function of modeling and assembly technology of modern CAD software UG ,the authors analyzed the detailed modeling process of piston mechanism in internal combustion engine and introduced the virtual assembly process of all components.Based on the simulation function of UG ,it was analyzed for the movements of all components in piston mechanism.Finally ,the CAD software UG shows its strong advantage of mechanical design with flexibility and low cost.
Key words:Internal combustion engine ;Piston mechanism ;UG software ;Virtual assembly ;Modeling ;Movement emulation
收稿日期:2009-05-01;收到修改稿日期:2009-07-22作者简介:熊
娟(1964-,女,四川广安市人,副教授,主要
研究方向为现代制造技术。

1引言随着计算机辅助技术的发展,传统的以AutoCAD 技术为代表的二维设计越来越不能满足现代工业生产和设计的需要,取而代之的是近年来发展起来的新型虚拟技术。

这些技术对应的应用软件系统有很多,已应用于不同的企业、研究所和学校。

UG 是一种功能非常强大的CAD/CAE/CAM 系统。

它包括从零件的实体建模、曲面造型、虚拟装配到产生工程图等,而在这些设计过程中,可以进行物性分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟等来提高产品设计的可靠性和缩短设计研发周期。

以内燃机的活塞传动机构模型为例来说明UG 的虚拟装配和运动仿真设计过程。

2内燃机活塞机构的虚拟装配
内燃机的工作原理如图1。

工作时,内燃机将燃
料与空气的混合物引入到气缸L004内,在气缸里压缩燃烧,产生高温高压,气缸急剧膨胀,推动活塞L003移动,通过L002将运动传给L001,从而将化学能转换成机械能输出。

先用UG 建一个机构模型,然后对模型的运动进行仿真。

机构模型是由多个构件组装而成。

因此,虚拟
装配前先建立构件模型。

此例主要是对曲柄L001、
连杆L002、活塞及活塞销L003三个构件建模。

第35卷第6期2009年11月中国测试
CHINA MEASUREMENT &TEST Vol.35No.6November ,2009
第35卷第6期
2.1建立构件模型
曲柄L001的建模。

首先在草图界面画多个曲线轮廓(包括凸轮轮廓、圆,每个轴线轮廓要在不同的工作层里,然后完成草图,进入建设模界面,点击“拉伸”,分别选择曲线,输入拉伸起始值和终了值,选择“OK”完成图2中的L001的建模,保存。

连杆L002的建模、活塞及活塞销L003的建模方法与曲轴的建模基本相同,只是在绘制草图时的轮廓不同。

最终零件模型如图2中的L002和L003。

2.2虚拟装配
将上述构件进行装配,具体装配步骤如下:
(1基础构件曲轴(L001的引入。

打开UG界面,新建文件进入主界面,单击“Application”,点击“Assembly”,进入“Assembly(装配”环境,点击“Component”,选“Add Existing”,点击“Select Part (选择零件”,选择刚才建好的L001作为基础构件加入装配,在定位对话框中输入定位坐标或点击要装配的位置,单击“OK”,完成基础构件的引入。

(2组件连杆(L002的装配。

在“Assembly(装配”模块下单击“Component”,选择“Add Existing”,再点击“Select Part(选择零件”,选择刚才建好的L002作为第二个构件加入装配,在定位对话框中输入定位坐标或点击要装配的位置,通过“Face(面对面”、“Mating(配对”、“Align(对齐”“Parallel(平行”等匹配条件,移动构件L002,完成与
L001的装配。

(3组件连杆(L003的装配。

在“Assembly(装配”模块下单击“Component”,选择“Add Existing”,再点击“Select Part(选择零件”,选择刚才建好的L003作为第三个构件加入装配,在定位对话框中输入定位坐标或点击要装配的位置,通过“Face(面对面”、“Mating(配对”、“Align(对齐”“Paraellel(平行”等匹配条件,移动构件L003,完成与
L002的装配,保存。

装配结果模型如图2。

3机构的运动仿真
UG的运动分析模块(Scenario For Motion是CAE应用软件,用于建立运动机构模型和分析运动规律,即在屏幕上模拟机构的运动过程,检测所设计的机构的运动轨迹是否有干涉,并通过解算器计算机构的加载运动是否正确,用Interference检查机构的运动干涉,用激活选项设定以高亮点来显示干涉部位,使分析结果一目了然,从而通过修改得出
合理的满足要求的机构。

UG的运动分析设计一般有三个步骤:
创建连杆。

在UG中,连杆代表运动机构中的一个构件,机构中的一个构件在平面内有三个自由度,一个构件在空间有6个自由度。

创建运动副。

运动副是两构件之间的一种联接,且能保持相对运动,是用来产生约束的,也就是限制创建的构件的运动副。

定义运动驱动。

可以理解为驱动机构的动力。

任何机构中,有且只有一个机架(固定构件,还必须有原动件、从动件。

故要对机构定义驱动。

首先要启动运动分析模块。

单击“Application”,点击“Motion”,进入运动分析环境。

在分析方案导航器(Scenario Navigator对话框中,单击右键,创建新的分析方案,弹出“Motion Joint Wizard”对话框,选择“Cancel”。

其次要进行运动预设置。

单击“Preferences”,选择“Motion”,弹出“Motion Preferences”对话框,在“Angular Units”列表中选择“Degrees”。

单击“Gravitational Constant”,弹出“Global Gravitational Constant”对话框,设置参数x=0、y=0、z=9810,单击“OK”。

3.1创建连杆
首先将所有的消隐线设为可见。

连杆L001(曲轴的定义。

单击“Insert”,点击“Link”,弹出“Link”对话框,自动激活(选择连杆几何体工具,选择图2中的L001曲柄作为定义连杆的几何体,接受默认方向为矢量方向,单击“OK”。

自动激活(定义初始位移工具,选择曲柄顶端的圆边界,接受默认方向作为矢量方向。

单击“Link”对话框中“OK”,自动激活(定义初始旋转速度工具,单击“Link”对话框中“Vector Method”下拉列表框
熊娟等:基于UG
的内燃机活塞机构虚拟装配和运动仿真39
2009年11月中国测试
中选择“XC”坐标轴。

接受默认的名称L001,单击“OK”。

完成连杆L001的定义。

连杆L002(连杆的定义。

单击“Insert”,点击“Link”,弹出“Link”对话框,自动激活(选择连杆几何体工具,选择图2中的L002的连杆和连杆头作为定义连杆的几何体,接受默认方向为矢量方向,单击“OK”。

自动激活(定义初始位移工具,选择连杆大端的圆弧边界,接受默认方向作为矢量方向。

单击“Link”对话框中“OK”,自动激活(定义初始旋转速度工具,选择连杆大端的圆弧边界,接受默认方向作为矢量方向。

接受默认的名称L002,单击“OK”。

完成连杆L002的定义。

连杆L003(活塞与活塞销的定义。

单击“Insert”,选择“Link”,弹出“Link”对话框,自动激活(选择连杆几何体工具,选择图2中的L003的活塞与活塞销作为定义连杆的几何体,接受默认方向为矢量方向,单击“OK”。

自动激活(定义初始位移工具,选择活塞销的右端圆弧边界,接受默认方向作为矢量方向。

单击“Link”对话框中“OK”,自动激活(定义初始旋转速度工具,选择活塞销的右端圆弧边界,接受默认方向作为矢量方向。

接受默认的名称L003,单击“OK”。

完成连杆L003的定义。

3.2创建运动副
创建曲轴与机架的固定旋转副J001。

单击“Insert”,选择“Joint(运动副”,选择曲轴右端圆边线为第一连杆定义运动副位置,自动识别运动副原点位置和方向,选中曲轴右端面上的圆心,单击“OK”。

自动激活第二连杆工具。

在“Joint(运动副”对话框中,单击“Motin Driver”组合框,选择“Articulation (关节运动仿真”,单击“OK”,创建了旋转副J001。

代表有运动驱动的固定旋转副图标出现在曲轴右端图形中心,提示信息“Gruebler”数为12。

创建连杆与曲轴的万向节运动副J002。

单击“Insert”,选择“Joint(运动副”,弹出“Joint(运动副”对话框,选择万向节工具,选择连杆头圆柱面右端半圆弧边缘线为第一连杆定义运动副位置,自动激活第一连杆方向工具,在“Filter”列表中选择“Vector”,单击矢量方向下拉列表,选择“ZC”方向。

单击“OK”,自动激活第二连杆工具,选择曲轴作为第二连。

自动激活第二连杆方向工具,在“Joint (运动副”对话框中单击矢量方向下拉列表,选择“-ZC”方向。

单击“OK”,创建了万向节运动副J002。

万向节运动副图标出现在连杆头圆柱面右端面半圆弧的圆心线上,提示信息“Gruebler”数为8。

创建连杆与活塞间的球面运动副J003。

单击“Insert”,选择“Joint(运动副”,弹出“Joint(运动副”对话框,选择球面副工具,选择活塞右端圆边缘线为第一连杆定义运动副位置,出现运动副的坐标系图标。

自动激活第一连杆方向工具,接受默认原点(活塞面端面圆心和方向,单击“OK”。

自动激活第二连杆工具,选择连杆作为第二连,单击“OK”,创建了球面运动副J003。

球面运动副图标出现在活塞右端面圆心上,提示信息“Gruebler”数为5。

创建活塞与机架(缸体L004间的移动副J004。

单击“Insert”,选择“Joint(运动副”,弹出“Joint(运动副”对话框,选择移动副工具,选择活塞上端圆边缘线为第一连杆定义运动副位置,出现运动副的坐标系图标。

自动激活第一连杆方向工具,接受默认原点(活塞面上端面圆心和方向,单击“OK”。

自动激活第二连杆工具,单击“OK”,创建了移动副J004。

移动副图标出现在活塞顶端面圆心上,提示信息“Degrees Of Freedom”数为0。

以上是运动模型连杆和运动副的创建,共包括三个连杆(L001、L002、L003和四个运动副(J001、J002、J003、J004。

“Gruebler”数为0,表明模型是全约束。

其信息可以通过分析方向导航器中“Scenartio_1”,右键,单击“Information”,选择“Motion Connections”命令,弹出如图3所示“Information(信息”窗口。

注意“Degree of Freedom”为0,这和刚才提示信息一致。

3.3定义运动驱动
点击“Analysis”,选择“Motion”,点击“Articulation”命令,弹出关节运动对话框,勾选复选框“J001”,激活J001的“Step size”文本框,在其文本框中输入1,在“Displacement”文本框中输入360。

至此,已经创建了连杆、运动副,加了驱动,就可以直接点击进行仿真运动了。

3.4运动仿真
单击向前步进工具,就可以看到活塞机构模型中曲轴转动360°,活塞完成两次选行程运动。

即曲轴转动360°,活塞完成上、下各一次运动。

40
第35卷第6期
运动仿真过程中,如果出现运动干涉,则会自动提醒什么地方发生了干涉,根据这个提醒可以对所设计的机构进行修改。

4分析讨论
(1在建模时。

如果用参数化建模,设计的机构可以做到更为精确,修改时也很方便。

UG的参数化建模工具有表达式和电子表单。

表达式可以用来控制同一个零件上的不同特征关系;电子表单可以说是高级的表达式编辑器,可以通过更新电子表单中的数据实现模型的自动更新。

根据需要,可以随时修改模型尺寸和结构,来达到优化设计。

(2在装配时。

引入基础构件后,只有移动非基础构件向基础构件运动才能执行各项匹配条件,否则是无法实现各种匹配条件的。

对装配的结果可以进行干涉分析,如果出现干涉可以对其干涉部分进行修改,其他相应的零件或装配体会自动修改,这是因为UG有强大的数据库联动技术,包括二维和三维之间的联动、装配体内部零件间的联动、装配体外部引入零件间的联动。

(3像活塞机构这样的曲柄连杆机构可建立不同运动副组合来创建运动方案。

运动副J001是与机架固定的旋转副且有关节运动驱动,其余运动副J002、J003和J004可以有不同的组合,前提是传动机构的“Grubebler(自由度”数等于0。

机构自由度总数F grubebler的计算公式为:
F grubebler=6×ΣF links-ΣF jo int sconstrains-ΣF motion.inputs 式中:6×ΣF links——
—所有连杆的自由度之和;
ΣF jo int sconstrains——
—机构中所有运动副所限制的自由度之和;
ΣF motion.inputs——
—机构中所有运动驱动所限制的自由度之和。

(4定义的驱动“Step size”为1,表示旋转的步长为1°,“Displacement”文本框中输入360,表示单击步进按钮一次,机构运动360步。

即本例中每步转动1°,共有360步,使曲轴转动360°。

5结束语
利用UG进行虚拟装配和运动仿真有以下特点:
(1缩短产品的研发周期,提高生产效率。

如果研发产品用UG来完成,会缩短产品的研发周期,提高生产效率。

按传统的设计和研发方法,要通过制图设计,然后试制,再进行试验,整个周期相当长,特别是在试制阶段。

如果结果不能满足要求还要进行重新设计试制和试验,直到合格。

利用UG先直接建立模型,进行物性分析,达到需要的要求;再进行虚拟装配,进行干涉分析,方便地进行修改来达到需求;最后进行运动仿真,可以分析其运动轨迹和运动规律直到满足要求,从而实现优化设计。

(2提高产品研发的性价比。

从一个机构的设计到分析及仿真的整个过程,需要的设备只是一台电脑就可以完成。

成本低,效率高,节约了经费,节约了大量的人力、物力和财力,从而大大地提高了设计研发的性价比。

(3再次开发产品性强。

UG的CAD能直观反映零件的实际形状,方便地实现复杂机构的虚拟装配和三维运动仿真,并通过参数化设计的电子表单和表达式或通过导航器,方便地进行修改,对不满意的结构进行改进,进行再次研发。

参考文献
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