礦用自卸車燃油箱的自頂向下設計

鄭 勇，于 濤，黃 偉

（1.國能寶日希勒能源有限公司，內蒙古呼倫貝爾 021000；2.內蒙古北方重型汽車股份有限公司，內蒙古包頭 014030）

0 引言

目前，新產品的設計主要是由產品的功能定位到二維圖紙的實現，然后通過樣件生產、樣機的裝配等一系列流程，對設計的新產品進行檢驗，通過檢驗發現新產品存在的問題，然后對新產品進行重新設計或更改不合理的零件和結構。這種設計模式不僅效率低、難于操作，而且開發周期長，成本也較高。

隨著科學技術的不斷發展以及三維建模軟件和分析軟件的進一步推廣應用，新產品的設計模式發生了很大變化。新的設計模式下，建模軟件中的零件實體建模及裝配校核、分析軟件中的模擬分析在很大程度上減少了新產品的開發成本、縮短了研發時間，但在整體協調、并行設計、系列產品開發等方面還存在很多問題。例如，通過功能校核或模擬分析，需要對某一部件進行更改，而傳統設計中的改動過程無法與其他零部件關聯起來，這就可能造成工作的重復和低效。

在這種背景下，逐步形成并發展起來一種新的設計方法——自頂向下（TOP—DOWN）設計。所謂自頂向下設計就是將產品的設計過程分為3 個階段，即概念設計、參數化設計和詳細設計，從全局和整體設計入手，對整個設計過程進行控制，實現各零部件在總體約束下的并行設計。傳統設計與自頂向下的設計理念如圖1 所示。

圖1 傳統設計與自頂向下設計理念

自頂向下設計具有以下優點：

（1）符合產品設計由抽象到具體的過程，即符合由產品功能定位到結構實現的設計過程。

（2）可實現并行設計。根據部件功能、安裝配合關系等劃分系統，進行任務分配，從而實現多任務的協同工作。但對于關鍵約束、主要零部件接口等，需要在全局設計中進行控制。

（3）通過詳細設計對全局控制中傳遞的基準、約束等進行評價，為面向裝配（Designfor Assembly，DFA）和面向制造（Design for Manufacturing，DFM）的設計提供條件。

（4）另外，自頂向下設計可以根據設計意圖實現模型的快速更改，大大縮短系列產品的開發時間。

自頂向下設計方法大大提高了新產品研發效率、減少系列產品的設計周期，將逐步成為行業新產品研發的主要設計手段。本文基于Pro/E 設計軟件，以某礦用自卸車燃油箱作為研究對象，旨在通過對燃油箱自頂向下設計方法及過程的研究，為礦用自卸車其他部件乃至整車的自頂向下設計提供思路和參考。

1 燃油箱自頂向下設計

對于復雜的裝配產品來說，自頂向下設計方法的關鍵點是正確使用參照原則，如果前期設計參照混亂，將造成后期數據修改困難。本燃油箱設計過程遵循的參照原則為：第一，設計燃油箱時關鍵尺寸只參照骨架；第二，燃油箱零件之間無關的配合處盡量不直接參照，以減少零件之間的網狀父子關系；第三，當零件之間存在參照時其主次關系要明確，盡量不產生循環參照。

數據重用對于變形設計非常重要，同時也可避免數據庫中同樣零件的重復仿制而浪費空間資源。為方便變型設計，燃油箱的設計主要使用兩個方法：一是將骨架作為一個獨立于裝配樹外的部件，各模塊的設計必要信息分別參照此部件；二是可在基本模型的基礎上進行產品改型、變更，然后將需要變更的零件重新命名。

燃油箱的設計包括結構件的設計、外購件的選型等，具有自頂向下設計的典型性，對整車及其他部件實現自頂向下設計具有指導意義。

完整的自頂向下設計主要包括布局（LAYOUT）的設計、產品組件結構的定義、骨架（SKELETON）模型的建立、設計信息的傳遞、產品的優化等內容。通過總體控制、任務分配等，實現各部分的并行設計。本文僅建立產品的主體結構，不進行卡帶、蓋板等附屬零部件結構的詳細設計。

1.1 布局

布局用于表達設計意圖，定義設計參數。通過布局可以描述產品部件位置和裝配關系，提供全局布置的關鍵尺寸、主要參數及關系。布局設計是整個產品設計的起點，通過總體布局可實現對全局及后續設計的控制。布局中可以直接繪制草圖，也可以讀入DWG、DXF 等文件，把二維CAD 軟件繪制的設計草稿等導入布局中。

Pro/E 是一款機械設計中常用的三維設計軟件，其所具有的骨架模型、關系式、尺寸約束、特征參照等為參數化設計方法的實現提供了可實現工具。

通過對燃油箱功能要求、安裝要求等的分析，明確設計意圖，確定主要設計參數，包括外形尺寸、安裝尺寸、控制燃油箱容積的功能尺寸等。建立燃油箱布局如圖2 和表1 所示，其中燃油箱的軸向寬度FTANK_SIDE及燃油箱中面FTANK_PLAE 到縱梁面FRAME_RAIL2的距離由整車布局控制。

表1 燃油箱布局說明

圖2 燃油箱布局示意

圖2 中的參數基本上涵蓋了燃油箱的總體尺寸，可以直觀地體現設計要求。例如，可以通過調節FTANKD參數值調節燃油箱的容積，并通過后續設計中的基準參照關系及添加的參數關系，驅動相關零部件的更改，快速實現燃油箱的系列化，減少重復設計工作。

1.2 產品組件結構

根據產品設計意圖及零部件間相互關系，初步建立產品結構。在產品開發的這個階段，不需要創建幾何或放置約束。預先定義產品結構可幫助組織規劃裝配設計，便于全局控制和任務分配，有利于項目協調與實施。

創建的燃油箱組件結構，包括總體骨架模型、子組件、子組件骨架、子組件中的零部件等。在創建組件結構之前，需要首先對骨架模型、組件、零件的命名方式進行統一規定，避免在后續并行設計時出現同名零部件的現象（圖3）。

1.3 骨架模型

骨架及產品的三維布置圖，主要表達各個系統的空間需求和安裝位置。建立骨架所用的一般是基準特征，如基準點、坐標系、基準面、草繪線，構建主要零部件的空間需求、位置關系，提供組件之間、主要零部件之間的接口，并為下一級提供設計框架。將總體骨架模型中對應的設計信息以“發布幾何”和“復制幾何”的形式傳遞到相應子組件的骨架中，用以子組件中零部件創建的參照。這樣便實現了在總體控制下、各分系統間相對獨立的并行設計。

在新產品的自頂向下設計過程中，還可根據子組件中零部件的復雜程度及整體設計的選擇，按照相應組別，再創建下一級的骨架模型，如此層層遞進，自上而下依次創建。簡單零部件的骨架模型相對簡單，方便設計，而搭建復雜模型正確的骨架模型，能夠大大節省工作時間、提高工作效率，對于新產品的設計具有重要意義。

1.4 設計信息傳遞

自頂向下設計本質上就是數據傳遞和管理的過程。產品設計過程中所需要的各類信息主要是依靠骨架模型實現信息從總體到部件的層層傳遞，即對產品設計中各個零部件進行詳細設計。對于新產品的設計研發來說，在零部件詳細設計階段，應嚴格以產品骨架模型傳遞的基準參照等信息作為設計的主要依據，盡量避免各零件之間特征的直接參照建模。

根據總體骨架模型及子組件骨架模型，創建燃油箱及支架的主體結構。

根據燃油箱功能及使用要求，對零部件結構進行逐步細化，最后對標準件、視窗螺母等外購件進行直接裝配。在各零部件詳細設計階段，總體進行全局控制，可以實時對整個產品的裝配、運動干涉等情況進行檢查，將更改信息及時傳遞給相關部件工程師。

通過將零部件設計到布局，可以將布局中的參數傳遞到模型中，再通過添加參數關系使模型中的參數與布局中的參數關聯起來，由于在布局中各參數的功能比較直觀，這樣便可以實現修改布局中的參數值直接驅動模型的改變。另外，通過添加關系限定參數的變化范圍，可有效避免參數值調解時超出設計范圍，導致模型再生失敗。

1.5 產品優化

自頂向下設計中對產品的優化，既包括對所設計產品結構等的分析與校核，也有利用相關分析軟件輔助零部件設計并對整體結構進行的校核，優化產品結構、驗證可靠性。

在20 世紀40 年代，就已經出現“有限元”的概念。有限元仿真分析具有周期短、成本低等特點，通過有限元仿真可以很逼真地模擬不同工況下燃油箱的受力情況。

網格單元類型通常根據計算對象的形狀進行選擇，四面體單元和六面體單元是有限元網格單元的兩種形式。其中，六面體網格計算規模較小，適用于動力學分析，也適用于形狀規則且結構簡單的模型；而四面體網格對于形狀復雜的模型具有良好的適應性，可以快速生成網格，但在同等情況下較六面體網格具有計算量大、收斂速度慢等缺點。合理的網格劃分有助于生成質量較高的求解矩陣，同時減少計算分析時間和提高計算速度。

本文通過對燃油箱進行網格劃分，利用ANSYS 進行有限元分析，校核了所設計燃油箱的可靠性，同時為設計過程提供有效參考。

圖4 為焊接過度墊板設計時的輔助分析，圖5 為燃油箱主體結構應力分析過程中的應力分布云圖。

圖4 焊接過度墊板輔助分析

圖5 燃油箱主體結構應力分析

2 結束語

本文基于Pro/E 設計軟件，以某礦用自卸車燃油箱結構自頂向下設計為例，對自頂向下設計方法和過程進行探討和研究，為礦用自卸車其他部件乃至整車的自頂向下設計提供了設計思路和依據。