第24卷第1期2003年2月兵工學報ACTAARMAMENTARIIVol.24No.1Feb.2003高速大功率車用柴油機氣缸蓋CAD系統(tǒng)的研究與開發(fā)鄒淵廖日東左正興王文清(北京理工大學車輛與交通工程學院,北京,100081)摘要氣缸蓋是發(fā)動機中最大、最復雜的零部件之一。結構的復雜性使得在氣缸蓋設計中應用CAD技術受到很大限制。目前,氣缸蓋CAD系統(tǒng)的開發(fā)在國內仍屬空白。本文以I2DEASMaster610為開發(fā)平臺,充分挖掘OpenIdeas功能,綜合應用參數(shù)化特征建模技術、面向對象技術和數(shù)據(jù)庫技術,開發(fā)了“高速大功率車用柴油機氣缸蓋CAD系統(tǒng)”(實際上是一個三維建模、二維繪圖及有限元結構分析、優(yōu)化的集成系統(tǒng)),建立高速大功率車用柴油機氣缸蓋的現(xiàn)代設計軟環(huán)境。關鍵詞機械設計；氣缸蓋；CAD系統(tǒng)；面向對象技術中圖分類號TJ81+0.311系統(tǒng)研究開發(fā)的目標及內容1.1系統(tǒng)研究開發(fā)的目標“高速大功率車用柴油機氣缸蓋CAD系統(tǒng)”(以下簡稱該氣缸蓋CAD系統(tǒng))的目標是研制一套利用現(xiàn)代設計分析方法進行輔助建模和分析的軟件系統(tǒng),應用于該氣缸蓋零部件設計的全過程,從而縮短設計周期,提高一次設計成功率,為其改型及研制提供一個先進、實用的輔助工具。具體技術指標包括實現(xiàn)該氣缸蓋的計算機輔助建模(氣缸蓋組的參數(shù)化三維造型和空間裝配以及零件、裝配體的二維工程繪圖)；實現(xiàn)其氣缸蓋的計算機輔助分析；實現(xiàn)其氣缸蓋的計算機輔助結構優(yōu)化；系統(tǒng)中所有技術手段能夠應用于現(xiàn)有發(fā)動機氣缸蓋的改型及更先進發(fā)動機氣缸蓋的研制。1.2系統(tǒng)研究與開發(fā)內容氣缸蓋設計方案的基本尺寸和形式由發(fā)動機總體設計決定,包括燃燒室的形式及尺寸,缸心距,氣門導管孔的位置、個數(shù)及尺寸,噴油嘴孔的位置及尺寸,氣道內壁的結構形狀及尺寸,絲對孔的位置、個數(shù)及尺寸,配氣機構形式以及與箱體匹配的結構形狀及總體尺寸等。氣缸蓋CAD系統(tǒng)應能按照這些給定的基本內容完成氣缸蓋的詳細設計以及設計過2001年6月收稿,2002年10月定稿。程中的有關分析計算,并最終給出氣缸蓋設計方案的全部工程圖。結合內燃機零部件現(xiàn)代設計環(huán)境的要求,氣缸蓋CAD系統(tǒng)的研究內容大體包括下列諸方面。(1)氣缸蓋初始設計方案的評價氣缸蓋的基本尺寸和結構形式由發(fā)動機總體設計確定后,設計人員即可根據(jù)有關設計理論及經(jīng)驗進行氣缸蓋的初始方案設計,進一步確定氣缸蓋的結構形式、冷卻水孔的數(shù)目及分布、冷卻水道的基本形狀以及各主要結構的尺寸。(2)氣缸蓋的變結構參數(shù)化設計對一定結構形式的氣缸蓋,當總體參數(shù)改變時,其各個部分也要相應地變化,因此在氣缸蓋建模過程中考慮該結構形式中各項參數(shù)之間的相互關系,對各尺寸以變量形式管理,即實現(xiàn)參數(shù)化設計(或稱尺寸驅動)。由程序按照尺寸鏈和邏輯關系自動進行改變尺寸后的模型修改。(3)有限元模型的建立氣缸蓋CAD系統(tǒng)采用先進的有限元建模技術,對特征庫中已有結構形式的氣缸蓋實現(xiàn)有限元模型的自動建立。(4)結構分析建立了氣缸蓋的結構分析模型后,可由程序自1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.動調用系統(tǒng)開發(fā)平臺I2DEAS軟件的有限元分析功能進行結構分析,其內容包括基于機械負荷的應力場分析、基于熱負荷的溫度場及應力場分析、基于綜合負荷條件的應力場分析、氣缸蓋冷卻水的流動分析、整體氣缸蓋模型的模態(tài)分析及動力響應分析等。(5)結構優(yōu)化設計及優(yōu)化模型的建立根據(jù)結構分析的結果,設計人員可對設計方案進行優(yōu)選。此外還可以利用氣缸蓋CAD系統(tǒng)提供的功能進行結構優(yōu)化設計。(6)結構分析與結構優(yōu)化的后處理結構分析后處理的內容包括結構變形圖、應力分布圖、變形的動態(tài)過程和生成結果數(shù)據(jù)文件。(7)氣缸蓋組附屬零件的參數(shù)化設計包括氣缸墊、配氣凸輪軸承、氣門、氣門室罩等的建模也都全部采用基于特征的參數(shù)化設計方法。由于這些零件幾何結構相對簡單,對每個零件只建立單層次的參數(shù)化整體模型庫。零件的任意尺寸可以改變,并按尺寸鏈對本零件的各尺寸變量實現(xiàn)聯(lián)動。(8)氣缸蓋組的空間裝配氣缸蓋CAD系統(tǒng)可以對氣缸蓋本體以及氣缸蓋組的附件進行空間裝配,裝配過程根據(jù)零件的尺寸參數(shù)和零件之間的定位參數(shù)自動進行。(9)二維工程繪圖根據(jù)參數(shù)化三維設計的結果,自動將其轉換為二維工程圖。(10)建立相應的工程數(shù)據(jù)庫主要包括氣缸蓋結構方案庫、功能子結構(特征)庫、結構參數(shù)庫、工程圖庫、材料庫、試驗數(shù)據(jù)庫、經(jīng)驗/規(guī)則/標準庫等。(11)氣缸蓋CAD系統(tǒng)各部分的調用和界面管理氣缸蓋CAD系統(tǒng)以面向對象的可視化技術為基礎,采用MSVC+510作為主要開發(fā)語言,具有人機界面友好、代碼效率高、運行速度快、可移植性強等特點。2技術方案及實現(xiàn)途徑2.1系統(tǒng)結構氣缸蓋CAD系統(tǒng)包括氣缸蓋結構方案設計、氣缸蓋參數(shù)化設計、附件設計、氣缸蓋組裝配及干涉檢查、零件/裝配體二維工程圖的繪制、氣缸蓋有限元結構分析、結構優(yōu)化設計、疲勞壽命預估以及相關的工程數(shù)據(jù)庫等九大模塊。氣缸蓋CAD系統(tǒng)的模塊結構如圖2.1所示。圖2.1氣缸蓋CAD系統(tǒng)結構圖Fig.2.1StructureoftheCADsystemofcylinderheadforahigh2speedheavy2dutyI.C.E2.2系統(tǒng)設計中的關鍵問題及解決方案2.2.1參數(shù)化模型庫的建立氣缸蓋CAD系統(tǒng)的設計思路是以氣缸蓋零件的尺寸為主線,由零件的結構形式和尺寸變量控制三維實體模型、有限元分析模型、結構優(yōu)化模型、空間裝配位置、二維繪圖參數(shù)及圖面布置。程序中的各部分實現(xiàn)參數(shù)化建模,對于不同的幾何結構層次完全實現(xiàn)特征描述。氣缸蓋CAD系統(tǒng)中重點是確定各種結構形式氣缸蓋中數(shù)以千計的結構尺寸參數(shù)之間的關系。這些參數(shù)最終只有數(shù)目較少的一些自由變量,且這些自由變量能夠恰好反映氣缸蓋設計中的尺寸。(1)系列化基礎上的基于功能分解的參數(shù)化特征建模技術參數(shù)化特征建模技術是氣缸蓋CAD系統(tǒng)的核心技術之一1。氣缸蓋組零件的三維建模、氣缸蓋組的空間裝配、氣缸蓋組零件的二維工程繪圖、氣缸蓋的結構分析和優(yōu)化均以該技術作為基礎。利用基于功能分解的特征建模技術2,可以快速地建立各個層次的氣缸蓋特征模型(即功能子結構)。針對不同類型的氣缸蓋,采用基于系列化基礎上的參數(shù)化技術3,降低了結構參數(shù)化的難度。(2)氣缸蓋組零件的功能子結構描述氣缸蓋CAD系統(tǒng)以功能子結構描述為建模手段。系統(tǒng)建立具有各種零件的整體模型庫和具有氣缸蓋局部特征的功能子結構/特征模型庫。其中整體庫包含氣缸蓋零件本體及氣缸蓋部件組的所有零件,全部為參數(shù)可變的零件整體模型。功能子結構庫包含氣缸蓋的所有局部模型,如單缸子結構、氣道子結構等。11第1期高速大功率車用柴油機氣缸蓋CAD系統(tǒng)的研究與開發(fā)1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.功能子結構具有不同的等級或層次。氣缸蓋的整體模型可以視為其最大的功能子結構,而整體模型包含單缸子結構,單缸子結構包含頂板子結構,頂板子結構包含絲對孔子結構等等。將這些功能子結構分別按照不同層次存儲到功能子結構/特征庫中,同時對其中的所有變量都實現(xiàn)參數(shù)化。(3)系列化基礎上氣缸蓋組的參數(shù)化設計參數(shù)化設計是一種解決設計約束問題的數(shù)學方法。它是在結構形狀比較定型時,用一組參數(shù)來約定尺寸之間的關系,然后通過尺寸驅動達到改變結構形狀的目的1。氣缸蓋組的參數(shù)化設計是以特征建模為基礎的,即存入功能子結構/特征庫中的每一種特征都由一組唯一決定該特征的參數(shù)集描述。決定特征形狀的稱為形狀參數(shù),決定特征位置、方向的稱為定位參數(shù),決定特征中子特征個數(shù)的稱為數(shù)量參數(shù)。另外,特征參數(shù)還可分為兩類:一類是設計者輸入的參數(shù)；一類是上級特征遺傳的參數(shù)。前者由設計者按要求交互輸入,受約束方程的約束,是約束方程中的變量；后者則是從特征依附的上級特征繼承下來的,它實際上約束方程中的已知量。特征的種類和應用環(huán)境決定了其尺寸是否具有繼承性。2.2.2實現(xiàn)和I2DEAS的交互(1)I2DEAS的開放機制(OpenIdeas)I2DEAS軟件提供OpenIdeas開放機制(簡稱OI)。OI是一個靈活、開放的結構工具軟件包,它選用CORBA(CommonObjectRequestBrokerArchi2tect)規(guī)范作為實現(xiàn)機制。CORBA規(guī)范是實現(xiàn)分布式對象管理應用的標準,它對分布對象管理提供了一個廣泛一致的模型。相對于I2DEAS在MS6版本以前提供的開放環(huán)境,如I2DEAL和OA(OpenArchitecture),OI具有下列優(yōu)勢4:可以采用面向對象的方法,使系統(tǒng)開發(fā)得益于面向對象的分析、設計和開發(fā)；基于OI的產(chǎn)品可以在任何選擇第三方產(chǎn)品Orbix的平臺上使用(Orbix是一種基于CORBA的面向市場的產(chǎn)品,很多平臺都支持它,如SGI、SUN、IBM、WINDOWSNT等),脫離SDRC公司的限制；OI支持多種編程語言。OpenIdeas能夠把用戶及第三方軟件同I2DEAS集成。外部程序通過OpenIdeas可以發(fā)送命令給I2DEAS,也能夠接收來自I2DEAS軟件的結果與信息。因此,OpenIdeas和I2DEAS軟件是互為客戶與服務器(ClientServer)的關系,見圖2.2。OpenIdeas中提供面向對象的的類庫,在C+程序中可以調用類庫,實現(xiàn)與I2DEAS軟件通訊與交互。例如:用戶創(chuàng)建對象的父類是OI-Root類,其下有繼承父特性的子類OI-Bin、OI-Curve、OI-Surface、OI-FEModal和OI-Part等。圖2.2OpenIdeas與I2DEAS通訊模型Fig.2.2ModelofcommunicationbetweenOpenIdeasandI2DEAS(2)使用C+實現(xiàn)與I2DEAS交互采用面向對象技術,把OpenIdeas所實現(xiàn)功能封裝成IdeasFun類,在IdeasFun.h中有該類的說明,IdeasFun.cpp則為該類的具體實現(xiàn)。在程序中只需申明一個IdeasFun的類對象,便可使用其成員函數(shù)進行各種操作。該類申明如下:classIdeasFunprotected:mydataServers；封裝OI服務器；public:voidInitial()；初始化I2deas；longGetPartId()；/得到零件的ID號；OI-Dimension-ptrGetPartDimension(OI-Part-ptrthePart,CStringdimName)；得到零件中名稱為dimName的某一個尺寸指針；doubleGetValue(OI-Dimension-ptrdimension)；得到dimension指針的尺寸值；voidModifyValue(doubleNewValue,OI-Dimen2sion-ptr,dimension,OI-Part-ptrthePart)；修改指定零件中指定尺寸的值；OI-Part-ptrGetPart(inti)；得到零件指針；voidDeletePart(OI-Part-ptrthePart)；刪除零件；OI-Part-ptrCopyPart(OI-Part-ptrthePart,CStringnewName,CstringnewNumber)；得到零件拷貝；boolSendCommand(charcommandstring1024)；向I2deas發(fā)送命令串；voidGetAssemIn(OI-Assembly-ptrtheAssem)；把裝配從模型庫中拿到圖形區(qū)；voidGetPartIn(OI-Part-ptrthePart)；把零件21兵工學報第24卷1994-2009ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.從模型庫中拿到圖形區(qū)；voidPutAway()；把裝配從圖形區(qū)放回模型庫；voidPutPartAway(OI-Part-ptrthePart)；把零件從圖形區(qū)放回模型庫；OI-Assembly-ptrGetAssembly(inti)；得到裝配指針；doubleGetPartVolume(OI-Part-ptrthePart)；得到零件體積；OI-PartPropertiesGetPartProperties(OI-Part-ptrthePart)；得到零件屬性；CStringSendMessage(charcommandstring1024)；發(fā)送消息；voidLockIcon()；使圖標區(qū)變的不敏感；2.2.3數(shù)據(jù)管理的實現(xiàn)(1)數(shù)據(jù)分析氣缸蓋CAD系統(tǒng)中包括三類數(shù)據(jù)。一是零部件三維模型數(shù)據(jù),該數(shù)據(jù)利用I2deas軟件提供的存儲管理機制,以項目(Project)為組織對象,存儲在模型文件(ModelFile)、目錄(Catalog)和庫(Library)三種存儲機制中。其中,模型文件用于保存工作平臺上的設計環(huán)境和三維圖形信息。目錄和庫用于存儲實體模型,并包括一個參數(shù)表,表中記錄該模型的參數(shù)值。該數(shù)據(jù)結構全部由I2DEAS組織管理。二是氣缸蓋設計中常用的參考數(shù)據(jù),包括方案設計、功能子結構、結構參數(shù)、工程圖、材料、實驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗規(guī)則等數(shù)據(jù)。三是用戶數(shù)據(jù),用來存儲用戶設計的氣缸蓋項目。(2)數(shù)據(jù)管理實現(xiàn)氣缸蓋CAD系統(tǒng)綜合應用I2DEAS軟件提供的存儲管理機制和數(shù)據(jù)庫技術來實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。針對氣缸蓋零部件建立了參數(shù)化的三維模板庫,把各零件模板按類集中在不同的目錄中,以便被OpenIdeas使用。對于氣缸蓋設計常用的工程數(shù)據(jù)建立工程數(shù)據(jù)庫,利用關系型數(shù)據(jù)庫技術,用若干個表來管理各種工程數(shù)據(jù)。每個表依據(jù)其面向的對象命名,表的各欄也依據(jù)要存儲的數(shù)據(jù)命名,每一行表示表中的一組值,也是表對象的一個記錄。表中的每一行必須能唯一標識,定義一個或多個欄為基本關鍵字,以便查找。對用戶數(shù)據(jù)建立用戶數(shù)據(jù)庫,采用方法同上。工程數(shù)據(jù)庫和用戶數(shù)據(jù)庫