KBE的液力變矩器CAD系統

陸忠東

（上海電機學院 汽車學院，上海 200245）

KBE的液力變矩器CAD系統

陸忠東

（上海電機學院 汽車學院，上海 200245）

為了能快速建立液力變矩器的三維模型，提供其流場分析和結構優化的范例，基于Pro／Engineer軟件平臺，利用C語言與Pro／toolkit二次開發工具，建立了知識工程（KBE）的液力變矩器計算機輔助設計（CAD）系統。實例驗證表明，系統能準確、快速地進行液力變矩器結構設計，有效縮短了產品開發周期。

液力變矩器；知識工程；計算機輔助設計系統

液力變矩器主要由泵輪、渦輪和導輪組成（見圖1），是一高度復雜的透平機械。液力變矩器具有自動適應性、無級變速、減振隔振及無機械磨損等優良特性，是乘用車液力機械式自動變速器和無級自動變速系統的重要部件之一［1-2］。

液力變矩器的開發是集計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）技術、流體動力學分析、流固耦合［3］、計算機輔助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）于一體的過程。CAD技術能快速生成三維實體，為數值分析提供幾何模型。流體動力學分析和流固耦合技術為流道及葉片結構的改進與優化提供指導方向，借助CAM技術實現零件的快速成型［1-2，4］，如圖2所示。

目前，有關液力變矩器的研究大多集中于其流場分析，開展結構設計方面的研究并不多［1-2，5］。因此，探索一種高效智能的液力變矩器專用CAD系統具有重要的理論和工程實踐價值。

1 基于KBE的液力變矩器CAD系統的提出

基于知識工程（Knowledge Based Engineering，KBE）［6-9］是面向現代設計要求而產生、發展的新型智能設計方法和設計決策自動化工具。它為液力變矩器的快速設計提供了一種重要途徑。將液力變矩器設計引入KBE技術是液力變矩器開發的研究重點之一。

液力變矩器的設計是一項復雜的工程，尤其是工作輪葉片設計參數的選取、設計特征的設定往往需要多次重復和大量修改，是一個包含了對知識的繼承、集成、創新和管理的過程。一個新產品的設計往往是基于以往類似的設計結果和有記載的文獻資料，或憑借曾經解決過的相類似問題的經驗，通過適當的修改來解決，這種方法稱之為基于實例的推理（Case Based Reasoning，CBR）。

通過搜索和回憶過去成功的液力變矩器實例，并重用其成形參數和工藝方案基礎上，開發出智能化的液力變矩器CAD系統，可有效減少產品開發周期，提高產品開發質量。

2 Pro／Engineer的知識驅動機制

2.1 Program模塊及其函數

KBE技術伴隨著CAD技術、計算機輔助工程（Computer Aided Engineering，CAE）技術、人工智能技術的發展與結合而產生。Pro／Engineer作為一個CAD／CAM／CAE的集成軟件，提供了知識驅動自動化模塊。它是零件與組件自動化設計的一種有效工具，可以將KBE系統與CAD軟件系統完全集成［10］，從而實現零件的智能化設計。

Program是軟件對操作過程的記錄，并將此記錄以程序的形式保存。因此，在Program提供的范圍內，修改Program可以實現設計的變更，其主要函數功能如下：

（1）在函數Input及End Input之間可以加入問句，促使使用者輸入相關的數值，實現人機交換。

（2）關系（Relations）也被稱為“參數關系”，用來定義符號尺寸間的關系式。關系是捕獲設計知識和意圖的一種方式，使用關系可進行如下操作：控制模型的修改效果；定義零件和組件中的尺寸值；作為設計條件的約束，在設計過程中描述某個模型或組件不同零件之間的條件關系等。

（3）在程序中加入Execute語句，實現裝配件與零件傳遞參數。

2.2 創建液力變矩器參數化模型

在Pro／Engineer環境下，建立初始的液力變矩器葉柵系統模型。Program程序記錄著該模型的實現步驟與成形條件，包括所有特征的建立過程、參數設置、尺寸以及Relations等模型信息。

對Program進行編輯，建立起設計參數與三維模型尺寸變量之間的關聯關系，使用戶建立的設計參數能實現對三維模型變量的控制和驅動。

3 系統開發步驟及程序實現

3.1 基本原理

在已創建的液力變矩器參數化模型的基礎上，根據模型形狀和大小尺寸等設計參數進行編程，實現對參數的檢索、參數值的獲取和修改，從而派生出新的三維模型。系統程序框圖如圖3所示。

圖3 系統程序框圖Fig.3 System program diagram

3.2 菜單設計

菜單導航是Pro／Engineer軟件系統的主要特點之一，可以修改或建立新菜單。通過系統主程序直接調用ProMenubarAdd（）函數即可向Pro／Engineer添加所需的新菜單，如圖4所示。

圖4 基于KBE的液力變矩器CAD系統Fig.4 TC CAD system based on KBE

3.3 用戶界面設計

利用UI對話框技術，可以設計出與Pro／Engineer系統本身具有的對話框相似的人機交互界面，如圖5所示。按界面的布局編寫對話框資源文件，通過系統主程序調用相應函數即可分別裝入、顯示和清除對話框。

3.4 控制程序設計

Pro／Toolkit［11-12］接口程序以 VC＋＋6.0為編譯、調試工具，采用C語言編寫而成［13］。Pro／Toolkit程序模塊中包含資源文件和程序文件兩大部分。通過資源文件中的注冊文件可以實現Pro／Engineer對Pro／Toolkit程序模塊的加載和卸載，并利用菜單文件可實現個性化菜單定制。程序文件的主體結構如下：

圖5 泵輪參數化設計對話框Fig.5 User interface of pump design

Pro／Engineer初始化并且創建了圖形窗口后，Pro／Toolkit調用函數user＿initialize（），該函數含有應用程序所需的所有初始化過程，包括對Pro／Engineer菜單修改。Pro／Engineer運行結束時，Pro／Toolkit調用函數user＿terminate（）。

3.5 系統運行實例

啟動Pro／Engineer，在Pro／Engineer系統中注冊“液力變矩器特性計算與優化設計平臺”模塊，如圖4所示。

打開級聯菜單“工作輪參數化設計”下的按鈕“泵輪設計”，調出泵輪設計界面，輸入優化后的入口角度、出口角度、葉片厚度、葉片數目等關鍵參數［14-15］，點擊“模型更新”按鈕，即可實現泵輪的快速參數化設計，如圖6所示。

圖6 泵輪參數化設計Fig.6 Parameterized pump design

4 結 語

基于知識工程，利用現有商業軟件Pro／Engineer自帶的Program模塊和Pro／Toolkit二次開發工具，自主開發了參數化驅動的液力變矩器CAD系統。該系統能夠準確、快速、有效地開展液力變矩器三維結構設計，為液力變矩器流場分析提供了結構范例，能有效縮短產品開發周期，具有較高的工程實踐意義。

［1］ 陸忠東，吳光強.液力變矩器流場分析與設計的研究現狀及展望［J］.船舶工程，2008，30（4）：1－5.

［2］ 吳光強，王 歡.液力變矩器研究綜述［J］.汽車技術，2009（3）：1－6.

［3］ 陸忠東，吳光強，殷學仙，等.液力變矩器流固耦合研究［J］.汽車技術，2009（2）：37－41，57.

［4］ Flack R.Experimental flow fields in an automotive torque converter－an invited summary and review paper［J］.International Journal of Vehicle Design，2005，38（2／3）：240－258.

［5］ Wu Guangqiang，Yan Peng.System for torque converter design and analysis based on CAD／CFD integrated platform［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2008，21（4）：35－39.

［6］ Penoyer J A，Burnett G，Fawcett D J，et al.Knowledge based product life cycle systems：principles of integration of KBE and C3P［J］.Computer－Aided Design，2000，32（5／6）：311－320.

［7］ 趙 震，彭穎紅.基于KBE的工程設計——理論、方法與實踐［J］.機械科學與技術，2003，22（1）：151－153.

［8］ 于德江，杜平安，岳 萍.基于KBE的智能CAD方法研究［J］.機械設計與制造，2007（9）：178－180.

［9］ 王大斌，朱文華，魏丕光.基于知識工程的參數化設計應用研究［J］.機械設計與制造，2010（9）：42－44.

［10］ 王 劍，駱清國.Pro／Engineer二次開發工具program的應用研究［J］.計算機應用，2004（3）：13－17.

［11］ 黃安貽，吳海濤.Pro／Engineer二次開發關鍵技術研究［J］.中國水運，2006，6（10）：112－113.

［12］ 陸忠東，郭 成，程 羽.基于Pro／E2001的沖模快速設計系統［J］.模具工業，2004（4）：10－13.

［13］ 王志輝，張光偉.Pro／Engineer二次開發：ProToolkit and VC＋＋6.0［J］.現代機械，2005（4）：55－56，63.

［14］ 陳曙光，吳光強，王 歡.液力變矩器葉柵參數的優化研究［J］.工程機械，2008，39（8）：50－54.

［15］ 吳光強，陳曙光，王 歡.液力變矩器葉柵角度參數優化及算法［J］.同濟大學學報：自然科學版，2009，37（6）：810－813.

Torque Converter CAD System Based on KBE

LU Zhongdong
（School of Automobile，Shanghai Dianji University，Shanghai 200245，China）

In order to quickly establish a three－dimensional model of torque converter for the flow field analysis and structure optimization，a computer aided design（CAD）system of TC is built using the Pro／Engineer development tool－Pro／toolkit with C language based on knowledge based engineering（KBE）.The CAD system is verified with examples.The result shows that the system can be used in accurate，quick and effective design of torque converter structures，and thus shorten the product development cycle.

torque converter；knowledge based engineering（KBE）；computer aided design（CAD）system

TP 391.72

A

2095－0020（2011）06－0391－04

2011－10－28

國家高技術研究發展計劃（863）項目資助（2007AA04Z132）；上海市科學技術委員會計劃項目資助（08DZ0500900）；上海電機學院科研啟動經費項目資助（11C411）

陸忠東（1971－），副教授，博士，專業方向為車輛工程，E－mail：luzd＠sdju.edu.cn