基于骨架模型的高壓油管Top-Down布局設計

張帥奇，徐萬紅

（沈陽工業大學 機械工程學院，沈陽110870）

0 引言

產品設計是一個復雜的過程，需要投入大量的人為活動[1]。產品設計過程是先進行需求分析、概念設計,再進行結構設計、詳細設計,然后經過不斷地試錯和改進,最終拿出讓客戶滿意的產品, 從原理上來說這是一個自頂向下（Top-Down）的過程[2]。這也是一個從抽象概念到具體產品不斷迭代的過程，因此能更好地應對日益復雜的零部件結構設計任務及產品頻繁的更新換代需求，其中基于骨架模型的Top-Down方法應用較為廣泛。

為了解決以往自頂向下骨架模型設計參數傳遞容易紊亂的問題，改進基于骨架模型的自頂向下設計方法，并以柴油機高壓油管實際設計建模過程提供直觀化參考，有效提高了設計及建模效率。

1 基于骨架模型的Top-Down設計方法

1.1 自頂向下的設計方法

該方法是一種從整體布局到各零部件設計的裝配設計方法[3]。該方法可以高效完成產品三維布局設計過程，能夠將設計參數從總裝配體傳遞給下屬各級零部件。零件之間也能進行數據傳遞，保證裝配結構整體的數據關聯性[4]。

1.2 如何進行自頂向下設計

自頂向下的思維如何落地，如何服務于產品規劃設計呢？此處我們運用“自頂向下思維”來分析，介紹如何進行自頂向下設計：

1）弄清事物1的特性。收集事物的現實表象。對這些現實表象歸類，用一些特征詞匯進行概括。

2）將事物1分解成事物1.1、事物1.2、事物1.3等。按照上述得到特性，確定該特性的可能的元素部分，確定元素部分間的相互關系。

3）將事物1.1、事物1.2等運用上述方法進行分解。判斷分解后事物的抽象粒度是否能夠滿足當前需要，能則停止對這部分事物進一步分解；若不能，則將該事物列入下一層次的細化列表中。

4）重復上述步驟直到事物滿足我們需要的細致的抽象粒度。中止條件的判定：分解后的子結點都能基本滿足我們的抽象粒度要求。

1.3 將自頂向下思維應用在實際設計中

從裝配體的規劃與設計的工作界面開始，首先按照產品的功能及需要進行概念層面的設計，在此過程中充分考慮部件與部件、部件與整體之間的約束和定位關系，在完成產品的整體規劃之后進行詳細部件設計。通常的辦法是通過先定義一個部件的幾何體特征來協助其他部件進行定義，并用詳細參數控制每一個部件的三維模型。通過改變骨架模型或主控件的參數可以實現機構零件尺寸的關聯變化[5]。因而可以在后續設計過程中不斷修改這些參數來變更產品結構尺寸及空間位置，直到完全滿足產品設計要求。因此在裝配設計過程中選取并建立骨架模型，是實現自頂向下設計方法中參數信息傳遞的有效途徑。

2 骨架模型選取及建立過程

在產品的自頂向下設計中,骨架模型是基于特征和參數化的[6]。在產品實體建模設計中選取合理的骨架模型，可以根據產品功能和結構將裝配體進行解構和拆分。在骨架模型中將各零件或子裝配在空間中的位置及裝配約束關系通過坐標系、點、線、軸、平面等基準特征反映出來，使得骨架模型中相互關聯的設計信息能有效地傳遞至各子骨架模型或零件[7]。

在高壓油管三維模型布局設計過程中，除了考慮進油口、出油口的安裝位置，同時還要顧及高壓共軌、缸體、缸蓋、進氣管等其他零件間可能會產生的空間碰撞和干涉。因此首先要做的是分析各零部件尺寸和空間位置，確定各油管的空間布局和路徑走向，油管盡可能采用相互平行的方式布置，最后要考慮安裝用于固定油管安裝支架的凸臺位置空間。

這里選取高壓油管進出油口軸線及油管中段轉折處建立3個基準面，如圖1所示。根據這3個基準面的位置關系進行整個高壓油管布局設計。

圖1 基準面選取

3 油管實體建模流程

3.1 油管路徑建立

油管管路布設流程與一般的零件設計流程差別較大，布局設計的關鍵在于要考慮油管間距、長度、管夾位置，以及與其他剛性零件是否會產生干涉。需根據連接件關鍵點的位置生成油管路徑草圖，中間位置點可以利用草圖創建，進出油口位置關鍵點則需要從連接件中提取。

具體建模操作過程為：給定油管各彎曲處的最小彎曲半徑參數，然后生成初步油管路徑中心線；先建立每根油管的進出口路徑，按油泵和機蓋孔中心線進行建模，其長度不小于設計需求規定的最小直線段長度，如圖2所示。

圖2 油管進出口路徑

3.2 油管實體生成

根據高壓油管產品設計的實際需求，手動修改關鍵點及其他參數來調整路徑中心線的位置和形狀，最終根據路徑中心線三維草圖生成油管實體模型。

具體設計操作過程為：在裝配體模型上建立一個與其他部件間距都比較合理的基準面，即選定的基礎骨架模型；根據骨架模型向下新建油管零件1，按之前建立好的進出口路徑中心線，使用三維草圖功能進行引用；然后在基準面上畫出油管1的主要路徑；并在三維草圖中依次用圓角、直線，圓角功能把進出口和主要路徑連接起來，把整個路徑轉換至同一個三維草圖中；最后建立掃描輪廓的基準面，按起始口的路徑和點建立，畫出油管截面二維圖，用掃描特征建立出油管的實體模型，如圖3所示。

圖3 油管3D掃描

3.3 油管參數調整

最后在“工具—草圖繪制實體—曲面上的樣條曲線命令”功能中使用樣條曲線套合油管路徑，便于后續測量和調整高壓油管長度；再用上述建模步驟建立其他油管實體模型。全部油管路徑建模完成后要注意尺寸參數符合技術要求，不符合的地方手動微調。這里可以先測量最長的油管長度，然后把所有油管長度調整到一致，在油管建模時可以手繪確定大概路徑，使長度接近。測量長度時需要隱藏其他草圖，只顯示套合好的樣條曲線，否則會優先測量其他草圖導致長度測量不準確，如圖4所示。

圖4 樣條曲線套合路徑

3.4 相連零件關聯

將以上建模步驟都完成后，分別為每條油管添加頭部特征（錐度、導角、螺紋等），并裝配好螺母等相關聯零件，再依據各油管空間位置在合適的位置建立安裝支架凸臺及膠墊、蓋板的模型，如圖5所示。

最后，做好相連零部件的尺寸關聯，使用“工具—方程式”功能定義全局變量，讓油管內外徑都等于全局變量，即可做到油管尺寸變化時其他相連零件尺寸隨之變化，可實現零件設計的快速更新換代。至此高壓油管的自頂向下布設建模完成。油管布設總成模型如圖6所示。

圖5 膠墊及蓋板建模

4 結語

圖6 油管布設總成

本文使用SolidWorks三維設計軟件，采用基于骨架模型的自頂向下設計方法，以圖文結合的方式詳細介紹了建立柴油機高壓油管布設骨架模型的建模過程，可以為其他設計人員在油管布設中提供一些參考。該方法較傳統的自底向上設計方法顯著提高設計效率，避免循環重建，主要體現在以下幾個方面：

1）采用自頂向下設計方法建模，使設計理念更好地向下傳遞，對設計過程指導更具意義；2）通過骨架模型建立，改善傳統油管布局設計方法容易造成三維空間干涉、設計混亂等問題；3）通過關聯零部件的設計參數，在裝配體建模完成后方便根據需求實現設計快速更改，為企業產品更新換代提供便利。