虛擬樣機技術在液壓油源機組設計中的應用＊

胡劍波

（海軍駐九江地區軍事代表室 九江 332007）

1 引言

液壓系統具有功率重量比大、控制方便等優點，在艦艇上得到了廣泛的運用。油源機組作為艦船液壓系統的動力裝置，設計時必須考慮艦船使用的特殊條件，滿足體積小、重量輕、耐腐蝕、堅固耐用等船用環境條件要求。以往的油源機組設計，受條件限制，采用傳統的設計方法：方案選定→零件繪制→試制樣機→反復試驗→不斷修改和完善設計圖紙→正式投入生產。產品開發周期長、成本高且難以保證設計質量，而虛擬樣機技術的運用恰恰解決了這一問題。在某型艦船電動液壓舵機的油源機組設計中，通過采用虛擬樣機技術大大的縮短了研制周期、保證了設計質量，并降低了產品開發費用。虛擬樣機技術是隨著計算機技術的發展而迅速發展起來的一項計算機輔助工程技術。設計者利用計算機技術建立機械系統的數字化模型（虛擬樣機），根據產品實際使用工況對模型進行結構分析和動力學仿真分析。根據仿真分析結果優化設計，改進設計方案，是一種全新的產品研發設計方法。

虛擬樣機技術在油源機組設計中的應用是通過Solid-Works軟件來實現的。SolidWorks是基于 Windows的CAD／CAM／CAE集成化機械設計軟件，具有全面的零件實體建模功能和變量化的草圖輪廓繪制功能。根據Solid-Works的功能特點，采取圖1所示步驟和方法進行油源機組設計和分析。

圖1 基于SolidWorks虛擬樣機設計方法

2 油源機組液壓原理設計

根據總體對油源機組的要求，確定其原理如圖2所示。油源機組由兩套相同的泵機組和控制油路組成，各自獨立，互為備用。泵6啟動后，液壓油經過高壓濾油器7、單向閥11（開啟壓力0.05MPa）、“M”型電磁換向閥13、節流閥12直接回到油箱，油液流動過程中壓力損失較小，所以此工況下系統的功率消耗很小。節流閥12的進口壓力調整為液動閥16的控制壓力（約0.5MPa），以保證泵6啟動后由液壓力使液動閥16隨即換向到 “左位”工作位置，并控制液動閥16在打舵過程中始終處在“左位”；除此之外，節流閥1 2還確保泵停止工作后液動閥16控制口X的控制油壓力能迅速釋放，使液動閥16快速回到中位，隔離兩套相同的油路。

泵6啟動后，給電磁換向閥13一邊電磁鐵通電，液壓油經雙單向節流閥15的單向閥和液動閥16輸出液壓油，系統排出的液壓油經雙單向節流閥15節流后再經過節流閥12回到油箱。系統采用出口節流調速方式既提高了系統機構運行的平穩性，又可防止失速或振動。

圖2 油源機組液壓系統原理圖

3 集成閥塊設計

3.1 閥塊設計

油源機組中閥件8，9，11，12，13，15，16集成在一個閥塊上，具有結構緊湊、安裝維修方便等優點。由于閥塊內部油孔多、連通情況復雜，常規的二維軟件設計極其繁瑣、復雜且容易出錯。設計中出現錯誤很難避免，往往到樣機調試過程中才發現，造成資源浪費、工程延期。SolidWorks軟件具有壁厚自動分析功能，不同顏色表示不同的通道壁厚值（參見圖3）。在SolidWorks軟件中，可以將模型的任意一個或多個面設置為透明，觀察模型內部結構。這大大減輕了設計人員的工作量，提高了設計質量和設計效率，為閥塊設計提供了一種全新的思路。

在閥塊設計時將其表面設置為“透明”，并進行空間旋轉，從多角度仔細觀察閥塊內部通道的連通情況，判斷內部通道連通是否符合液壓原理圖要求（見圖3）。

圖3 閥塊內部通道及孔道壁厚分析圖

在閥塊設計完成后必須進行通道壁厚校核，防止液壓沖擊時液壓油擊穿通道壁。SolidWorks具有全顏色顯示通道壁厚的功能，在小于設定壁厚的部位會以鮮艷的顏色顯示出來，使得通道壁厚校核變得直觀、簡單（見圖3）。

3.2 閥塊裝配體設計

圖4 閥塊三維設計圖與實際裝配圖

使用SolidWorks軟件對閥塊進行模擬裝配可以檢查各元件的裝配關系是否正確，如安裝元件空間位置夠不夠、元件安裝面油口與閥塊安裝面油口是否對應，調節元件是否有足夠的調節空間等。這使復雜的液壓集成塊設計變得“簡單”了。液壓集成塊三維設計圖和實際裝配圖如圖4所示。

4 油源機組設計

4.1 油箱設計

為方便油源機組使用和維修，液壓元件布置在油箱頂面。油箱頂板要具備足夠的承重能力，同時還得滿足油箱體積小、重量輕、結構緊湊的要求。因此，必須對油箱進行應力、變形分析以優化結構設計。為避免出現實際裝配過程中零部件無法安裝的情況，對整個油源機組進行虛擬裝配并對裝配體進行干涉檢查。

油箱箱體選用4毫米1Cr18Ni9Ti不銹鋼板焊接而成，在箱體頂板下及箱體下部焊接加強筋，以增強油箱體的承重能力。在沒有實物樣機的情況下，焊接后的油箱體承重能力如何只能通過對其進行應力、變形分析確定。如果沒有必要的應力、變形分析，就無法保證油箱的設計質量，產品可能會存在由于承載能力差引起箱體變形或由于裕量太大造成箱體笨重的設計缺陷。

COSMOSWorks有限元分析模塊，是一個與Solid－Works完全集成的設計分析系統。COSMOSWorks能夠提供廣泛的分析工具去檢驗和分析復雜零件和裝配體。利用COSMOSWorks可以進行應力分析、頻率分析、扭曲分析、熱分析、優化分析、非線性分析、掉落測試分析和疲勞分析。使用COSMOSWorks模擬分析代替昂貴的現場測試，不但可以減少成本及開發周期，還可以快速模擬多個概念與情景，讓設計者在作出最終決定之前有更多的時間思考創新設計。

圖5 油箱體應力分析圖

COSMOSWorks分析模塊對油箱體進行設備安裝后的應力分析見圖5，設備安裝后的箱體變形大小分析見圖6，安全系數檢查見圖7。從圖中可以看出給整個油箱體加上等量實際負載后應力分布、變形及安全系數均很理想，最大的變形點在油箱頂板中部的閥塊底座上，變形量只有0.1056mm，油箱體其它部位變形量更小；油箱的最小安全系數點出現在頂板下的支撐架上，最小安全系數值是12。從圖5、圖6和圖7的分析結果可以看出：油箱結構合理，受力均勻，完全滿足使用要求。

圖6 油箱體合力位移分析圖

圖7 油箱體設計檢查圖

4.2 油源機組裝配設計

油箱設計完成后對油源機組進行模擬裝配，然后對裝配體進行物理特性計算，對組裝元件進行干涉檢查。

用SolidWorks軟件對油源機組進行模擬裝配可以很直觀的判斷設計尺寸是否正確無誤、結構是否合理、各元件之間裝配關系是否正確、外形是否美觀。油源機組三維設計圖和實際裝配圖如圖8所示。

圖8 油源機組三維設計圖和實際裝配圖

復雜的裝配體中，用視覺來檢查零部件之間是否干涉是很困難的。SolidWorks具有 “干涉檢查”功能，將互相干涉的零部件透明，將干涉部位不同的顏色表示出來。油源機組預裝配后干涉檢查結果如圖9所示。

預裝配設計完成后可應用軟件所帶的工具自動計算裝配體的物理特性，包括裝配體的質量、體積、表面積、重心等參數，如圖10所示，這些參數對油源機組在艇上的安裝有重要意義。軟件計算的油源機組質量為339.47kg實際稱重約330kg，相差無幾，差值主要是由各元器件樣本標注重量與實際重量的誤差累計造成的。

采用虛擬樣機技術設計的油源機組在零部件加工和裝配過程中，所有零部件一次裝配到位，液壓元件與閥塊油口對應準確，閥塊油路連通正確，油源機組做到了一次試車成功，取得了良好的效果。

圖9 油源機組干涉檢查結果

圖10 油源機組質量特性計算結果

5 結語

在產品開發和設計過程中，嘗試采用新技術進行產品設計，可以提高設計效率，縮短研制周期，保證設計質量，避免試制過程中的設計更改，為順利完成軍工研發任務提供保障、為企業帶來實實在在的經濟效益。

［1］黎啟柏.液壓元件手冊［M］.冶金工業出版社，機械工業出版社，2000，8，（1）.

［2］葉修梓，陳超詳.COSMOS基礎教程：COSMOSWorks Designer（美）SolidWorks公司著［M］.機械工業出版社，2007，（4）.

［3］葉修梓，陳超詳.COSMOS基礎教程：COSMOSWorks professional（美）SolidWorks公司著［M］.機械工業出版社，2007，（4）.