虚拟样机技术在汽车发动机盖锁设计中的应用

作者：黄虎 赵波 刘宇虹 刘颖

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, ... 摘要：以虚拟样机技术为设计理念，通过UG软件，建立汽车发动机盖锁的虚拟样机模型。运用UG 的Motion模块时发动机盖锁进行运动学仿真分析，建立了4个运动分析方案，在虚拟样机模型中为每个运动分析方案建立相应的装配排列。将发动机盖锁的运动模拟以MPEG 电影文件形式输出，形成电影动画，并用超级解霸3000播放器进行播放。虚拟样机技术可以减少实物模型和样机的投入，缩短产品开发周期，有利于实现产品的最优设计或变形产品设计。 关键词：虚拟样机技术；汽车发动机盖锁；运动分析；装配 汽车发动机盖锁属于发动机盖的附件，是具有独立功能的部件。其功能旨在使其安全锁闭，并保证机罩与车身的相对位置在行车中不得自动开启。发动机盖锁的结构包括锁本体、内开机构和安全锁三部分。发动机盖锁按其锁体结构划分，可分为钩子锁、舌簧锁及卡板锁三种形式。本文以某种车型的发动机盖锁为例进行研究，该车型的发动机盖锁属于卡板锁，它的工作原理是：发动机盖锁靠钩扣定位，采用辅助挂钩与卡板双重锁紧机构。其优点在于：使用可靠，不易自动脱开，大大提高了汽车行驶的安全性。发动机盖锁相对于汽车门锁等，其发展还具有一定差距。如何突破机械结构的局面，并向人性化、数字化的方向发展，将成为发动机盖锁的发展前景。 虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology）是在计算机的虚拟现实中实现设计、分析与制造的技术，强调在产品投产之前完成设计与制造过程的相关分析，保证制造实施的可行性。在汽车设计领域，虚拟样机技术是指在计算机里应用三维设计软件建立样车模型并对之进行一系列的性能模拟仿真。其中虚拟样机（virtual prototyping，VP）就是利用计算机仿真技术，建立与物理样机相似的模型，通过优化、集成和仿真测试得到关于该样机的性能描述[2] [3] [4]。虚拟样机技术是在数字化设计的背景中得以实现的，它依赖于三维数字模型的准确性和参数化特性，从而可以快速地进行分析仿真,来实现设计方案的优化。它强调数字化的产品模型及其产生过程，将二维图纸表达的设计构思演变成基于三维实体模型的虚拟产品（虚拟样机），建立起数字化设计平台。因为此项技术在汽车开发上的巨大作用，使其在汽车设计领域得到了迅速发展和广泛应用。在汽车行业里，很多汽车制造商从虚拟样机技术的应用中获得了巨大的收益。 本文以UG软件为设计研究平台，UG软件是集CAD/CAM/CAE功能于一体的软件集成系统。运用其复合建模、钣金建模、虚拟装配等相关参数化设计方法，建立发动机盖锁的虚拟样机模型，并运用UG的Motion模块进行运动学仿真分析，发挥虚拟样机软件的特长。虚拟样机技术可以减少实物模型和样机的投入，避免设计缺陷，缩短产品开发周期，降低产品开发成本和制造成本。 1 盖锁虚拟样机模型的建立 本文研究的发动机盖锁属于卡板锁，主要由锁体、卡板、辅助挂钩、锁紧手柄、锁环、辅助挂钩回位弹簧、锁紧手柄回位弹簧、卡板回位弹簧和卡板回位弹簧钩块组成。虚拟样机技术的核心问题是虚拟样机模型的建立，虚拟样机模型应是参数化的实体模型，只有这样才能满足用户不断修改从而最终实现产品的最优设计或变形产品设计的要求。本文首先对已有车型卡板锁实物模型的工作原理及结构进行分析，对其主要部件进行测量，然后通过UG软件建立各个部件的三维实体模型。准确的物理模型和方便的建模方法是应用虚拟样机技术的关键。在各个部件的建模过程中，主要运用了建立草图（Sketch）、成型特征（Form Feature）、自由形状特征（Free Form Feature）以及钣金特征（Sheet Metal Feature）等功能。 1.1 汽车发动机盖锁的锁体模型建立 汽车发动机盖锁的锁体结构比较复杂，是典型的钣金部件。利用UG钣金设计模块创建和制作了汽车发动机盖锁的锁体模型。Sheet Metal Feature（板金特征）菜单中的General Flange（通用弯边）特征、Sheet Metal Bend（钣金折弯）特征、Sheet Metal Punch（钣金冲压）特征、Sheet Metal Bead（钣金筋槽）、Sheet Metal Bridge（钣金桥接）特征等功能被广泛地运用到了汽车发动机盖锁的锁体建模中。汽车发动机盖锁的锁体模型，如图1所示。应用UG软件的参数化建模方法建立各个部件的参数化实体模型，为后续的设计分析、修改模型打下坚实的基础，从而不断提高汽车发动机盖锁的设计水平和质量。 1．2 汽车发动机盖锁的虚拟装配 应用UG软件的虚拟装配模块建立汽车发动机盖锁的虚拟样机模型。完成发动机盖锁的各个部件的虚拟样机模型的建立后，就可以进行虚拟装配了。本文采用自底向上的方法进行虚拟装配，使用配对约束、对齐约束、正交约束、角度约束、平行约束、中心对齐约束、距离约束等约束条件建立配对条件，这样一旦部件的虚拟样机模型改变，产品的虚拟装配模型即汽车发动机盖锁的虚拟样机模型将随着改变，实现了真正意义的参数化设计。汽车发动机盖锁的虚拟样机模型即总装配效果图和装配导航器如图2和3所示。 2 汽车发动机盖锁的虚拟分析 本文主要对汽车发动机盖锁进行虚拟运动分析，为了方便研究和分析，建立了四个运动分析方案scenario1、scenario2、scenario3、scenario4。每种分析方案对应着一个装配排列。分析时若发现干涉或间隙过大等问题，可以及时修改虚拟样机模型，然后在进行分析直至满意为止，充分发挥虚拟样机技术的优点，缩短产品开发周期，降低产品开发成本。 2．1 汽车发动机盖锁的运动模拟 UG的Motion模块具有强大的运动仿真及分析功能，形象的运动模拟很好地体现了虚拟样机技术在设计中的运用。运动模拟仿真的全过程大致可以分为以下几个步骤：创建连杆、建立运动付、定义运动驱动、创建运动模拟仿真四个步骤。本文所研究的卡板锁的运动方式如下：发动机盖板由开启位置落下撞到辅助挂钩，此时盖板所带有的势能在锁钩撞击辅助挂钩时全部转化为动能，从而使锁钩能顶开辅助挂钩形成第一重锁止。但此时，锁钩所具有的动能还不足以推动卡板带动它一起运动。这时候就需要人用手用力的按住发动机盖往下运动直到锁构进入第二重锁止位置为止；最后人手松开，锁紧手柄在回位弹簧作用下回到初始位置并封住卡板回位的趋势。为了方便研究和分析，本文建立了四个运动分析方案scenario1、scenario2、scenario3、scenario4。在四个运动方案中，所定义的连杆及运动付如表1所示。在不同的方案中，发动机盖锁中各个部件的运动主要是以旋转为主，所以应分别为发动机盖、卡板、辅助挂钩及锁紧手柄加上旋转付，并在运动付上施加恒定驱动为运动函数。当创建好连杆、运动付，定义好运动驱动之后，就可以创建运动模拟仿真了。本文采用关节运动的方式来模拟机构的运动。关节运动分析的优点在于可以同时使多个运动付运动，并且每一个运动付所给定的步数和步长可以不同。 2．2 装配排列 由于不同的运动分析方案所对应的虚拟样机模型的装配位置各不相同，因此应为每一种运动分析方案建立相应的装配模型即虚拟样机模型。装配排列属于UG软件的虚拟装配模块，可在一个装配模型中为组件提供多个可选组件位置，从而方便用户在一个装配模型中不同的可选组件位置之间进行切换。可以根据需要保存多个排列，这样就不必在打开装配时分别指定所要参考的可变位置，还可以定义装配排列来为部件中一个或多个组件指定可选位置，并将这些可选位置与部件存储在一起。装配排列是UG NX2.0所特有的一项功能，它可以确定：任何子组件的可变组件定位（Variable Component Positioning ，VCP）。运用装配排列功能，可以建立多个组件的不同装配位置，为实现多个运动分析方案奠定基础。本文根据发动机盖锁的运动情况，设置了四种装配排列位置。建立好四种装配排列之后，可以在装配导航器中根据需要任意地切换不同的装配排列。本文建立的虚拟样机模型包括四个装配排列，每个装配排列对应着一种运动分析方案。 2．3 MPEG电影文件的生成 在UG的Motion模块中提供了将机构的运动仿真转化为可以播放的MPEG电影文件的功能。输出MPEG文件的过程可以分为创建UG/Photo Animation照相机路径和生成运动仿真的MPEG文件两个步骤[3]。由于UG/Photo Animation必须在分析部件文件中创建，而不能在主装配模型中创建。所以本文对应发动机盖锁的四个运动分析方案，分别创建了UG/Photo Animation照相机的视点或路径，再打开MPEG Output（输出）开关，分别生成MPEG电影文件：scenario1.mpg、scenario2.mpg、scenario3.mpg、scenario4.mpg。 因为分别生成了四个MPEG电影文件，虽然我们可以分别在各个方案中看到盖锁零件在不同运动位置的运动模拟，但是由于发动机盖锁的整个工作运动过程被分解在四个运动分析方案中，无法串联成全程模拟，所以使整个运动显得很不连贯。而一般的播放器，如Windows操作系统自带的Windows Media Player等，都只能单个的播放MPEG电影，为了解决这一难题，使盖锁零件的全程工作运动直观地展现在读者面前，本文选择了超级解霸3000作为播放器，按顺序选择所生成的MPEG电影文件：scenario1.mpg 、scenario2.mpg、scenario3.mpg、scenario4.mpg，即可将整个发动机盖锁的四个运动模拟仿真串联起来，形成电影动画，进行播放。 3结论 以虚拟样机技术为设计理念，通过UG软件，建立汽车发动机盖锁的虚拟样机模型。虚拟样机模型应是参数化的实体模型，从而满足用户不断修改并最终实现最优设计或变形产品设计的要求。运用UG的Motion模块对发动机盖锁进行运动学仿真分析，建立了四个运动分析方案，在虚拟样机模型中为每个运动分析方案建立相应的装配排列。将发动机盖锁的运动模拟以MPEG电影文件形式输出，形成电影动画，并用超级解霸3000播放器进行播放。通过动画演示，可以更直观、正确的理解汽车发动机盖锁的工作原理和运动的基本过程，提高汽车发动机盖锁的设计水平。虚拟样机技术可以减少实物模型和样机的投入，缩短产品开发周期、降低产品开发成本和制造成本，有利于实现产品的最优设计或变形产品设计。 参考文献 1. 庄志，李玉香. 车身修复及美容宝典[M] . 湖北：湖北科学技术出版社，2003.1. 2. 李伯虎, 朱文海等. 复杂产品虚拟样机技术的研究与实践[J]. 测控技术, 2001, 20(11): 1~6. 3. Gupta R, Zeltzer D, Prototyping and design for assembly analysis using multimodal virtual environments[A],Proceedings of the 1995 ASME Database Symposium[C]. Sep17~20,1995. 887~903 4. 李瑞涛，方湄，张文明. 虚拟样机技术的概念及应用[J]. 机电一体化, 2000(5): 17~19. 5. 赵波，龚勉，蒲维达. UG CAD实用教材[M] . 北京：清华大学出版社，2002. 6. 胡晓康，[美]Unigraphics Solutions Inc.UG运动分析培训教程[M] . 北京：清华大学出版社，2002. 7. 严翼飞，[美]Unigraphics Solutions Inc.UG板金设计培训教程[M] . 北京：清华大学出版社，2002.(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (9/3/2006)