基于ug的发动机曲轴连杆机构的虚拟设计与运动仿真--启林站长网

基于U G 的发动机曲轴连杆机构的

虚拟设计与运动仿真

Engine Crank and Link Mechanism Virtual Design

and Motion Animation B ased on UG

韦尧兵　聂文忠

(兰州理工大学机电学院,兰州　730050)

摘　要:三维模型虚拟设计是机械设计的必然趋势。该文简述了三维设计软件U G NX110的强大功能,并且结合发动机曲柄连杆机构实现了模型的虚拟设计、虚拟装配及三维动态仿真。

关键词:虚拟设计虚拟装配三维动态仿真

Abstract :Three -dimentional model virtual design is the tendency of mechanic design.The paper simply state its powerful function of U G NX110with three dimentional design soft ,and realize model virtual design 、virtual assembly and three -dimentional dynamic animation combined with engine crank and link mechanism.

K ey w ords :virtual design virtual assembly three -dimentional dynamic animation

作者简介:韦尧兵　1965年生,兰州理工大学机电工程学院副教授、硕士,甘肃省“555”创新人才工程人选。研究方向

为裂纹技术及其装备和CAD/CAM ,发表论文23篇,获省部级科技进步三等奖1项,厅局级科技进步二等奖1项。

聂文忠　1971年生,兰州理工大学机电学院在读研究生。

0　引言

虚拟技术是近年来随着计算机辅助设计技术发展起来的一种新型技术。随着计算机辅助技术的发展,传统的以AutoCad 为代表的二维设计越来越不能满足工业生产、设计的需求。它不仅开发时间长,而且功能单一,设计过程中不能够及时地发现设计中存在的问题。本文简要介绍了美国U GS 公司开发的U G 软件及其在虚拟设计中的应用。

1　UG 软件简介

Unigraphics (简称U G )软件是美国U GS 公司的五大主要产品(U G ,Parasolid ,iMAN ,Solid Edge ,Product Vision )之一。U G 软件起源于美国

麦道飞机公司,并于1991年并入美国通用汽车公司EDS (电子资讯系统有限公司),因此,该软件汇集了美国航空工业及汽车工业的专业经验[1]。

U G 是一个高度集成的CAD/CAM/CAE 软件系统,可应用于整个产品的开发过程,包括产品的建模、分析和加工。

U G 不仅具有强实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能,而且在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟等,提高了产品设计的可靠性。同时,可用建立的三维模型直接生成数控代码,用于产品的加工,其后处理程序能够支持多种类型的数控机床。另外它所提供的二次开发语言U G/Open

64机电一体化　Mechatronics 2005年第1期

GRIP、U G/Open API简单易学,其函数功能较齐全,便于用户开发专用的CAD系统。具体来说,该软件具有以下特点:

(1)有统一的数据库,真正实现了CAD/ CAE/CAM等各模块之间的无数据自由切换,有利于并行工程的实施。

(2)采用复合建模技术,可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模融为一体。

(3)用基于特征(如孔、凸台、型腔、槽沟、倒角等)建模和编辑方法作为造型基础,使虚拟物体形象直观,并能用参数驱动。

(4)曲面设计采用非均匀有理B样条作基础,可用多种方法生成复杂的曲面,特别适合于汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂曲面造型。

(5)出图功能强,可十分方便地从三维实体模型直接地生成二维工程图。能按ISO标准和国际标注尺寸、形位公差和汉字说明等,并能直接对实体做旋转剖、阶梯剖和轴测图挖切生成各种剖视图,增强了绘制工程图的实用性。

(6)以Parasolid为实体建模核心,实体造型功能处于领先地位。目前著名的CAD/CAE/ CAM软件均以此作为实体造型内核。

(7)提供了界面良好的二次开发工具GRIP (graphical interactive programming)和U FUNC (user function),并能通过高级语言接口,使U GS 的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合起来。

(8)具有良好的用户界面[2]。

2　发动机曲柄连杆机构的虚拟设计

2.1　虚拟设计

U G软件对三维实体造型提供了多种不同的实现方法,可以由用户灵活使用。下面以发动机曲轴为例简述建模过程:运行U G,在application (应用)中选中modeling(建模)模块,通过cylinder (圆柱体)建立前端输出法兰,通过hole(孔)、instance(特征引用)、thread(螺纹)建立前端面的光孔和螺纹孔,通过basic curves(基本曲线)及revolve(旋转)建立前法兰里面的形状,通过basic curves(基本曲线)和extrude body(拉伸体)和unit (结合)建立第一、第二曲拐,通过建立datum plane(基准面)和instance(特征引用)中的mirror (镜像)建立第三、第四曲拐,再通过cylinder(圆柱体)和slot(键槽)等步骤建立后输出轴,最后通过edge blend(倒圆)和edge chamfer(倒角)建立曲轴的倒圆和倒角。以类似的步骤对发动机曲柄连杆机构的其他部件建立三维模型,结果如图1所示

。

图1　发动机曲轴三维模型

2.2　虚拟装配

U G虚拟装配功能特别强大,它可以使零部件灵活的配对和定位,并保持关联性。对装配完成后的模型可以进行装配干涉分析,发现问题可以及时修改。因为U G采用统一的数据库,可以在装配图或零件图中自动地进行相应的修改,因此极大地加快了产品的设计速度。

在三维模型完成后,通过application(应用)进入assembly(装配)模块完成机构的虚拟装配。首先通过assembly(装配)下的component(组件)加入前面已经通过modeling(建模)模块建立的零件模型,再通过mating(配对)、align(对齐)、parallel(平行)等关系组装在一起,以实现机构间各运动件的相对确定位置。其最终的装配关系及装配图如图2所示

。

图2　发动机曲轴虚拟装配图

2.3　运动仿真

当零件装配成为一个系统之后,常常需要对机械作运动分析。U G的运动分析模块(motion)可在屏幕上模拟真实的机构运动,并检查运动轨迹和运动干涉等三维动态仿真。运动分析之前,需要对各零件和运动副进行定义。运用的U G工具主要有构件(link)、运动副(joint)等,以及指定主动件的运动速度。经过上述定义和编辑之后,

基于U G的发动机曲轴连杆机构的虚拟设计与运动仿真

机构可实现三维运动仿真。U G 通过ADMAS 解

算器可计算机构的加载运动是否正确,interference 功能可检查机构的运动干涉,并用激活(interaction )选项,设定以高亮点来显示干涉部位,使运动分析结果一目了然。

动态仿真之前,先对每个零件编号,用motion (运动)模块下的link (构件)按钮,将每个零件按序设置为运动的最小单元。然后用joint (运动副)按钮对这些单元之间的运动进行定义,建立起运动幅。图2中发动机曲柄连杆机构的运动副主要有旋转副(revoute )、移动副(slider )等。完成运

动副定义之后,点击动画(animation )按钮,机构开

始三维仿真运动,并可对仿真运动作干涉分析、运动分析及动力分析。例如,利用animation 选项下的干涉(interference )项,检查运动干涉;用animation 选项下的marker/smartpoint 项,可以在构件上加标点,得到其运动过程的速度、加速度等参数变化;可用graphing 选项把运动参数传到excel 中绘制曲线图;还可以利用scenario 中的export 输出为MPEG 文件等。其运动幅关系及运动仿真效果如图3所示

。

图3　发动机曲轴三维动态仿真图

3　结束语

(1)用U G 作CAD 能更直观地反映零部件的实际形状,方便地实现复杂机构的虚拟装配及

三维运动仿真,并对机械系统进行运动分析、干涉分析及方案评估等。

(2)与传统方法比较,U G 能更方便地对设计的产品进行装配,在装配分析中能够及时地发现设计中的问题,并能轻易地修改。而且,装配好的三维模型可以直接地转换为二维图形并能生成数控加工代码。因此,能够大大地加快产品的开

发速度,从而降低产品的开发成本。

(3)用U G 实现复杂机构的三维运动仿真技术不仅能应用于CAD ,还可用来辅助教学CA I (computer aided instruction ),作为学生学习、实习、实验的课件,起到形象直观的教学效果。

参考文献

1　王玉新编著.数字化设计.北京:机械工业出版社,20032　曾向阳,谢国明,王学平,等编著.U G NX 基础及应用教程.北

京:电子工业出版社,2003

3　申永胜主编.机械原理教程.北京:清华大学出版社,1998