UG装配模块在某型燃机数字化样机的应用

作者：黎明航发集团公司 李海泳

欢迎访问e展厅 展厅 1 发动机展厅 汽油发动机, 柴油机, 船用柴油机, 天然气发动机, 气缸及部件, ... 一、前言 制造业信息化是当今世界制造业发展的大趋势，是以信息化带动工业化战略的重要组成部分。从制造业的角度看，就是要实现产品设计数字化、制造数字化、管理数字化、咨询服务数字化等。数字化技术的应用导致了制造信息的表述、存储、处理、传递等方法的深刻变革，使制造业逐步从传统的生产型向知识型模式转化，数字化已逐渐成为产品生命周期中不可缺少的驱动因素，从而使数字化制造技术的发展成为必然。数字化设计、加工、分析技术以及数字化制造中的资源管理技术等构成了数字化制造的支撑技术，是实现数字化制造的重要途径。 Unigraphics （以下简称UG）是一个以预测工程为特色、从设计到制造都可称之为世界领先的软件。它是面向产品、企业级、集成完整的CAD/CAM/CAE解决方案的建立全局产品模型为目标的三维设计与分析软件。 为有效地完成数字化设计与制造任务，集团公司陆续引进了多套UG软件，工程技术人员已经将此软件技术全面应用于航空发动机、燃气轮机、转包产品等计算机辅助设计/辅助制造方面，并已充分显示出其强大的功能且发挥了重要作用。本文主要介绍UG软件在某型燃机数字化样机装配过程中的应用，利用Assembly模块完成了某型燃机数字化样机装配（主要为燃机的主机部分，不包括发电机和机组成套部分的内容）。真正实现了提升设计人员的工程分析能力，优化了制造工艺，提高了产品质量。 二、UG装配的设计方法 某型燃机是一个典型的单转子发动机结构：15级轴流压气机，20个火焰筒的逆流、环管式燃烧室，4级透平。是由各单元体组成总体发动机。在UG装配中模型零件数据是对零件本身的链接映象，保证装配模型和零件设计完全双向相关，零件设计修改后装配模型中的零件会自动更新，同时可在装配环境下直接修改零件设计；为此针对不同级别装配，我们采取不同的装配建模设计方法。 1．总体发动机装配建模设计方法 根据某型燃机结构特点，在总体发动机装配中我们采用自下而上装配建模（Bottom-Up Modeling ）方法，先新建一总装配件，依次添加（add Existing…）已存在的子装配件，按不同的装配约束条件，最终完成整机的总体装配。 在装配中，装配约束应正确、完整，不相互冲突，保留运动件正确的空间运动自由度。同时装配中所有约束条件（Mate condition）必须有效，防止出现未加载（Not Loaded）情况发生。 2．单元体装配建模设计方法 在装配单元体中,根据具体情况分别采用并行的自顶而下（Top-Down Modeling）和自下而上（Bottom-Up Modeling ）两种装配建模设计方法。自顶而下装配建模设计主要采用两种方式：一种是使用UG的WAVE几何链接器；一种是在Assembly应用的装配环境中以创建(Create)和现场编辑part的方式进行的面向装配的设计（Design For Assembly，简称DFA）。 三、基于UG装配建模的策略 某型燃机零件多，结构复杂，完成其数字化样机装配设计不仅需要计算机硬件配置高，而且在装配进行操作时 (如渲染、刷新、旋转…)，也需要很多技巧。在对计算机硬件进行必要的升级后，尽管充分利用硬件资源，虽然取得一定效果，但在操作上仍然花费很长时间，极大影响软件运行的响应速度，为此我们从软件方面采取了以下策略： 1．装入选项（Load Options）的设定 装入选项就是控制打开一装配件时，从哪个目录下寻找部件，以及如何装入部件。因我们的零件实体建模是由多个单位集体智慧的结晶，装配结果需要共享，如果不先定义装入选项，各单位装入选项设定不一致时，当打开一装配件时，就会导致零件不能导入的问题，为此必先设定装入选项，统一选取从目录选项（From Directory ），并根据实际选取只载入部分必要的数据选项（Use Partial Loading）。 装入选项（Load Options）的设定程序如下： 通过File -〉Options –〉 Load Options设定。 在Load Option 将默认的引用集（Default Reference Set） 定制为FACET,加以保存。以后打开大装配，调用显示的即是小面模型。 2.引用集（Reference Sets）的设定 引用集就是在一个部件（单个零件或子装配）中定义的命名数据组，用来控制在装配中装入该组件的哪些数据。它的作用减少内存占用和简化显示。过滤多余数据，只保留最终设计的实体或片体，（这些数据仍表示精确数据。） 引用集（Reference Sets））的设定程序如下：通过Format -> Reference Sets 新建定义的引用集 为便于进行发动机的大装配工作，在完成单个零件、子装配件设计后，应创建两个分别命名为BODY 和FACET 的引用集 3．简化表达（Representation ）的使用 简化表达（Representation）是与实体全相关的小平面片，也即在实体表面生成一组小平面片，这些小平面片常称为小面模型(Facet)。使用简化表达会大大提高对大装配进行操作时的性能,并能快速载入大装配文件；快速渲染、刷新、旋转大装配；在间隙分析Clearance Analysis）时，加快干涉分析的速度；快速生成大装配的消隐线视图(Hidden Line Removal)。 简化表达（Representation ）的设定程序如下：通过Assembly -> Advanced Assembly -> Representation…定义小面模型. 小面模型有三个级别，可根据实际情况灵活应用 3.1 单个零件一级的小面模型(Piece Part Level Representations)在每个零件中建立小面模型，有赖于每一位设计人员在完成设计后建立小面模型。 3.2主要组件一级的小面模型(Major Sub-Assembly Level Representations)。在主要组件级建立并保存小面模型，然后将其添加到Reference Set 中，任何含有主要组件级的装配都能观察到主要组件级的小面模型。 3.3数字样机一级的小面模型(Mockup-Up Level Representations)利用Master Model的方式，建立新的Representation文件，所有Faceted Body储存于新建立的文件中。 针对某型燃机的特点，在做单元体装配时我们采取了单个零件一级的小面模型，在做总体发动机装配时我们采取了主要组件一级的小面模型。选中零件，用替换引用集（Replace Reference Set） 将其替换为小面模型(Facet)。 四、基于UG 装配建模的原则 为统一规范，有章可循，我们制定下面的基于UG 装配建模的原则： 1．发动机组件、部件、单元体装配时均以装配约束装配，不以绝对坐标系调用的方法来装配。 2．在装配时，不能用FACET 引用集进行装配约束，必须用BODY 引用集进行装配约束。 3．为便于进行发动机的大装配工作，在完成单个零件、子装配件设计后，应创建两个分别命名为BODY 和FACET 的引用集。 4．BODY 引用集必须自己创建，在零件中BODY 引用集为最终完成的实体。在组件中BODY引用集为参加装配的所有零件及子装配件实体的集合。 5．FACET 引用集为最终实体表面上的小面模型。用户在单个零件模型建立完成，保存之后，由UG 系统自动创建BODY 引用集中实体的小平面表示（即FACET 引用集）。组件的FACET 引用集需由用户手工另行建立。 五、 基于UG装配的数字化样机应用 1．单元体装配设计应用 1.1自下而上（Down- Top）设计装配方法的应用 自下而上设计装配方法类似我们的总装车间的装配，各制造车间把制造成品集件到总装车间，总装车间按产品结构完成产品装配。采用自下而上（Down- Top）设计方法就是通过添加部件(Assemblies → Add Existing…)到工作部件成为组件。这个部件可以是一个已存部件或一个部件家族成员。对数椐库中已存的系列产品零件, 标准件以及外购件也可通过自下而上的设计方法加入到装配件中来。 1.1.1 结构件的装配应用 通过添加（add Existing…）已存在的结构件，先采用绝对坐标系定位方法，利用点构造器安放组件，再添加（add Existing…）已存在的第二个、第三个、…部件，组件利用配对方法(Mate)，规定配对条件实现固定组件位置。 例如，我们进行压气机、透平转子平衡组件单元体装配时，先新建一单元体装配文件，然后按压气机、透平转子平衡组件单元体的总体结构图依次添加零组件，完成装配。（见图） 1.1.2 标准件、成附件的装配应用 在装配中标准件、成附件的装配由于数量多，种类多，而且这些零件结构相似，拓扑相关，为此我们在标准件、成附件的设计中优先采用参数化的方法进行建模。同过Tools -〉Part Families… ，在Excel表里把各系列件的参数输入，保存部件族， 后生成部件族的系列Part文件，得到该系列件的完整的部件族三维模型.一个部件家族成员 通过添加（add Existing…）已存在的这些标准件、成附件到装配时，选择某一系列尺寸（这些尺寸即该标准件建模的标准参数）后，把选中部件家族成员的系列件添加到装配。（见图） 1.2自上而下（Top-Down）设计装配方法的应用 在单元体装配中，我们可采用基于自上而下的参数化装配建模技术，UG的装配建模技术完全支持自上而下的设计方法，即先总体设计后详细设计，局部设计决策服从总体设计决策，它采用Context Control技术支持在装配环境中进行零件设计。配合使用UG/WAVE技术和部件间表达式（Interpart Expressions）技术，可以更好地体现设计人员的设计思想。 UG/WAVE技术的使用是符合参数化产品的设计过程和规则。WAVE技术的使用，不仅使得产品级的设计控制成为可能。而且为产品设计团队的并行工作提供了一个良好的环境。UG/WAVE提供了解决了大型产品设计中的设计更改控制问题的方案，是面向产品级的并行工程技术。有利于提高设计重复利用率。其实现方法为利用UG的WAVE几何链接器，抽取所需特征，通过实体建模方法， UG的Interpart Expression 技术使用很方便地实现部件间的尺寸关联，包括几何表达式/数学表达式）的传递。其实现方法为在Expression中选取要关联的变量；选取Creat link按钮；在Select Part表中选取关联目标文件；在弹出的表达式列表中找到关联目标。 例如我们使用wave几何链接器抽取机匣红色面，通过特征建模，完成配合零件安装边的设计。 在安装边与机匣的紧固螺栓的装配中，我们采用Interpart Expressions技术，即是在某子装配中在表达式中建立关键变量TheDia和Tol, 按Interpart Expression 技术的实现方法去关联零部件（见图）。 2．总体发动机装配设计应用 利用自下而上设计方法建立总装配，添加（add Existing…）已存在的单元体组件1，先采用绝对坐标系定位方法，利用点构造器安放组件，接着添加（add Existing…）已存在的单元体组件第二个、第三个、…组件利用配对方法(Mate) 。规定配对条件去固定组件位置。完成整机的总体装配。 装配约束反映了零件和子装配件之间的几何层次的机械关系，并对产品在实际装配时提出要求。装配约束应正确、完整，不相互冲突，保留运动件正确的空间运动自由度。不应添加多余的约束，如有时销和基体并无周向定位要求，装配建模者就不应进行定位。这一规定不适用于为保证联接的正确性而特别设定的约束，如齿轮副的装配、细节螺纹的装配等。 装配中所有约束条件（Mate condition）必须有效，防止出现未加载（Not Loaded）情况。 UG提供了八种装配条件,贴合（Mate）、对齐（Align）、角度（Angle）、平行（Parallel）、垂直（perpendicular）、同心（Center）、距离（Distance）及相切（Tangent）。我们采用贴合（Mate）、对齐（Align）同心（Center）条件较多。 在4级透平和燃烧室装配设计中，由20个逆流、环管式的火焰筒组成一个环形燃烧室并不是一个理论圆。在与4级透平装配约束时采用同心（Center）和贴合（Mate）装配约束出现装配约束冲突，为此采取如下步骤：Assemblies → Components → Reposition Components，选取出现对话框中的7个图标或使用动态坐标系拖动旋转组件即可完成4级透平和燃烧室装配。 针对不同级别组件，在进行某型燃机数字化样机装配中分别采用了不同的装配建模设计方法，应用UG装配建模的策略，严格执行装配建模的原则，借助UG装配的强大优势，和大多数工程技术人员的共同努力，历时一个月，完成了某型燃机数字化样机装配。（见图） 六、总结 经过此次某型燃机数字化样机装配，掌握了UG装配建模的使用方法，学会了装配建模过程中解决不同的实际问题，作者深深体会到UG装配建模的优越性和他的强大功能，它可大大的缩短产品的研制周期，节约产品的研制经费，减轻设计人员繁重的设计工作，节省研发时间，降低企业进行产品开发的风险投资。因此，进入新世纪后，数字化以其柔性好、响应快、质量高、成本低，正在成为先进制造技术的核心。(end)

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