虛擬樣機技術及其在曲軸開發制造中的應用

王華輝,盧占盈,李佩琪,明玥,游國強

(1.南充隆固機械工業有限公司，四川南充 637800； 2.重慶大學材料科學與工程學院, 重慶 400044)

0 引言

曲軸是發動機的重要部件，曲軸系一般由曲軸飛輪組、連桿組、活塞組構成[1]。由于其幾何形狀復雜，并且在工作過程中承受交變載荷作用，運動規律復雜，容易產生較為嚴重的應力集中，由于曲軸工作條件復雜，各運動機構的強度、剛度及其動力學特性對發動機穩定性有重要影響。曲軸系各零部件的形狀、質量各不相同，對其進行動力學分析向來是發動機設計的重點和難點[2]。

作為一種新型的機械設計方法，將虛擬樣機技術應用于曲軸開發設計環節，不僅可以進行運動學、動力學仿真，得到準確的機構參數并對其復雜的力學特性進行分析[3-4]，還能實現產品機械設計全過程中的開發、分析和設計，縮短產品開發精度，提高產品設計的精度，節省產品前期設計階段的大量資本投入，并且可以很大程度上改善從部件到整機的傳統設計模式，兼顧產品的整體性能，避免產品在設計上的失誤，從而降低產品設計成本，保證產品生產質量，提高產品的生產效率。

1 虛擬樣機技術及其發展

1.1 虛擬樣機技術的含義

虛擬樣機技術(Virtual Prototyping Technology, VPT)，又稱為機械系統動態仿真技術，是設計制造領域的前沿設計技術[5]，其核心是借助CAD/CAM/CAE等技術的基礎，將分散的零部件設計及其分析技術糅合到一起，完成多體系運動學與動力學建模理論及其技術實現[6]。如圖1所示，借助這項技術可以通過在計算機上建立的三維可視化機械系統模型，完成產品的外觀設計到動力學、運動學的仿真模擬設計，并可以根據結果在設計階段實現對產品的結構精簡和性能優化，通過虛擬技術與仿真方法結合的方式，實現產品從設計到制造等多方面交互的建模分析[7]。

圖1 虛擬樣機及其相關技術

1.2 虛擬樣機技術的發展

20世紀80年代，隨著計算機技術的興起，虛擬樣機技術應用而生。作為一項集先進設計、制造技術于一體的新興技術，虛擬樣機在汽車制造、航空航天、機械電子以及工業領域等均有廣泛的應用，并且隨著其在工業上的應用發展推動，一系列多體動力學軟件如ADAMS、DADS、EASY5等也應運而生，并且逐步在國內外市場得到廣泛關注。

國外的虛擬樣機技術及其相關軟件已實現了商業化生產，在一些發達國家如美國、日本、德國等已得到廣泛應用。1994年，美國波音(BOEING)公司首次將虛擬樣機技術運用到飛機外觀結構的設計、部件測試到整機裝配等各個階段，將飛機設計制造的開發過程縮短了數千小時。20世紀90年代中期，美國克萊斯勒汽車公司采用虛擬樣機技術檢查并發現了1 500處汽車零部件的干涉情況，在生產制造之前及時糾正了不合理的細節設計失誤，大大降低了產品的設計成本，縮短了產品的生產設計周期[8]。日本MATSUSHITA公司將虛擬樣機技術應用于廚房設備系統，消費者可以按照自己的喜好選擇、重組不同的設備，并按照自己的意愿對某些設備的功能進行改進，這種與用戶需求相結合的消費品生產方式在未來有廣闊的發展空間[9]。

國內虛擬樣機技術的研究仍處于起步階段，大多還處于引用國外先進技術的層面，但對其全面、系統的研究也已引起了各大高校、研究所的密切關注。中航第一飛機研究院將虛擬樣機技術應用于飛機制造領域并成功推出了國內首架全機規模電子樣機[6]。國防科技大學計算機研究所在九五預研項目的支持下，從集成框架、建模技術和仿真技術等方面對虛擬樣機技術進行了深入的研究。清華大學通過校企合作項目，采用虛擬樣機技術對高速劍桿織機產品展開了相關研究，針對產品生產的關鍵部件開發出集成虛擬設計、虛擬裝配、虛擬生產于一體的虛擬制造體系結構，很大程度上節約了產品開發設計時間，縮短了產品設計生產周期[10]。航空航天大學通過科研實踐認識到了虛擬樣機技術在機構設計中的重要性，率先將其應用于機械原理的教學實踐過程中。通過在教學實踐中對虛擬樣機的運用，為虛擬樣機技術在科研工作中的應用積累了豐富的經驗[11]。

2 虛擬樣機技術在曲軸開發中的應用

2.1 虛擬樣機技術應用在曲軸開發制造過程中的優勢

發動機曲軸的性能直接影響發動機系統的動態性能，而曲軸在服役過程中受多方面因素的干擾：在長期振動作用下，會降低曲軸軸承軸瓦的使用壽命；在疲勞作用下，曲軸的軸頸容易產生裂紋；受高溫的影響，曲軸的活塞也有可能萌發裂紋。而傳統發動機曲軸設計僅僅依靠靜強度計算和簡單的動力學分析等，對其動態特性的研究只能在物理樣機設計完成之后通過一系列的實驗才能獲得，很難獲得曲軸在實際運行狀況下的力學特性。

將虛擬樣機技術應用于曲軸的設計開發過程，在產品的設計開發階段可以按需求隨時進行改動，可避免傳統物理樣機設計的產品裝配過程中由于誤差導致的精準性降低的問題，使用虛擬樣機技術在曲軸生產之前的設計階段就可以進行可行性驗證，在提高準確度的基礎上提高生產效率，進而提高經濟效益。同時，可以利用虛擬樣機的運動學和動力學仿真，針對產品的運動形態、結構要素等關鍵參數進行仿真分析，可以在設計初期預測產品可能產生的問題，提高設計的靈活性，大幅度提高產品的性能。將虛擬樣機技術應用于曲軸的設計開發，在提高生產效率、生產質量的同時能夠降低生產成本、縮短研發生產周期、快速響應市場，從而增強企業的核心競爭力[12]。基于虛擬樣機的曲軸產品開發流程如圖2所示。

圖2 基于虛擬樣機的曲軸產品開發流程

2.2 虛擬樣機技術在曲軸開發制造中的應用舉例

虛擬樣機技術在曲軸開發中的應用前景廣闊，迄今為止，包括RICARDO、AVL等國際高水平的研究機構對其理論進行深入研究后，開發出一系列諸如ENGDYN、EXCITE等成功的發動機動力總成專用多體機構仿真軟件。NISSAN、COMMINS等公司也越來越重視虛擬樣機技術在曲軸開發應用中獨特的優勢，并將其成功應用于曲軸的設計制造[13]，這對虛擬樣機技術在曲軸設計中的發展及指導曲軸軸系設計具有重要的意義。

虛擬樣機技術在曲軸設計開發制造中的應用主要體現在以下幾個方面：首先是曲軸件的建模設計，常用的軟件包括ANSYS、UG、CATIA以及Pro/E等；其次是對曲軸系的曲柄連桿機構進行運動仿真分析，大部分的建模軟件本身具備運動仿真分析功能，在建模完成后可直接進入運動模塊，此外，也可以在建模完成后導入ADAMS等專業的仿真軟件中進行分析，通過對模型的動態仿真驗證其運動特性；此外，利用虛擬樣機技術可以對曲軸的強度、疲勞壽命等進行相應的分析，對曲軸件在復雜工作條件下各運動機構的動力學特性分析具有獨到的優勢。

吳茂敏等[14]借助虛擬樣機技術基于機械系統動力學分析軟件ADAMS建立了多體動力學模型，針對發動機的動不平衡問題和振動傳遞的耦合問題進行動力學仿真研究，構建了油鋸振動產生、傳遞的規律。劉海云[15]結合有限元分析軟件ANSYS建立發動機曲軸系的多體系統動力學模型，結合虛擬樣機技術研究了曲軸的動態特性，對模型的強度進行校驗和模態分析，對提高曲軸的可靠性和性能有重要意義；譚理剛[16]在曲柄滑塊機構中, 結合虛擬樣機技術，應用ADAMS軟件分析了動力學特性，探究構件柔性和運動副間隙對機構動力學特性的影響。唐瑞東等[17]為研究曲軸偏置式發動機的平衡性，分別采用傳統方案和結合虛擬樣機改進的技術，對比了采用同一套曲軸連桿活塞組的偏置式三缸機和對心式發動機的平衡性，結果表明，相比傳統平衡方案提高了剩余往復慣性力矩幅值的均勻性。王祥等人[18]分析了曲軸連桿機構軸頸處的受力情況，并進一步分析了曲軸整體的應力應變狀況，發現軸頸與連桿臂過渡圓角處是應力集中的易發區域，為曲軸圓角滾壓強化工藝提供了支持，是對曲軸壽命研究的理論支持。姚壽廣等[19]通過在Pro/E中建立曲軸系的三維實體模型，借助VN4D軟件，獲得了曲軸系重要部件連桿和曲軸的應力云圖，對曲軸系正常運轉下的沖擊響應進行分析，實現了多剛體動力學與有限元的耦合分析結果。

總之，虛擬樣機技術因其特有的優勢，在技術水平不斷發展的曲軸系統設計過程中必然會取代傳統的曲軸設計技術。將其合理、恰當地應用于曲軸設計過程，可進一步實現產品性能預測的作用，提高曲軸產品從設計到生產全周期過程中的效率，保證曲軸產品的精度和質量，從而保證在信息技術和科學技術不斷高速、高效發展的過程中解決可能出現的各種問題，保障曲軸系設計開發、生產制造過程的先進性、準確性。虛擬樣機技術的不斷發展、改進，對保障機械設計技術的高速發展有重要作用。

3 結束語

現代制造過程中精密化程度越來越高，對發動機的性能要求也日益提高。將虛擬樣機技術應用于曲軸開發制造過程中，可以提升曲軸各模塊的性能質量，進一步提高系統的穩定性，同時提升曲軸產品設計制造的效率，縮短生產周期。虛擬樣機技術在曲軸設計制造過程中所展現出的優勢已使其成為曲軸設計制造的重要技術手段，對提高發動機的核心競爭力有重要意義。