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虚拟制造环境下VE型分配泵的研发 |
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作者：姜涛 殷晨波 王东方 |
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本文介绍了虚拟制造技术及其分类，探讨了以设计为中心的虚拟制造技术在汽车零部件研发中的实践，利用该技术，以柴油发动机VE型分配泵为研究对象，重点分析了传动部件易断裂问题，研究内容涉及产品全生命周期的各个阶段，包括虚拟样机设计、虚拟样机运动学动力学仿真、虚拟装配、有限元分析和零件虚拟加工仿真等，并对研究结果进行了实验验证，结合企业实际，给出了解决方案。
1 引言
VE型分配泵自20世纪70年代诞生于德国BOSCH公司以来，在国际上得到广泛应用，已成为高速中小型柴油机喷油系统的首选。近年来，国内引进的一批柴油机均配装VE型分配泵，如南汽的索菲姆系列、二汽的康明斯系列、北汽和江铃的五十铃系列等，伴随这些柴油机的国产化，国内企业通过引进技术生产的VE型分配泵却在国产化过程中遇到了困难：国产部件结构强度和可靠性方面达不到国际标准，集中表现为产品使用寿命达不到要求、产品质量不稳定等；最为严重的是传动轴、十字块、端面凸轮等零件在工作过程中发生断裂，零部件的断裂情形如图1所示，国内对VE型分配泵研究起步较晚，大多处于理论阶段。如果按照传统的方法分析运动件断裂的原因，并将改进的产品迅速投向生产，对企业来说是个难题。本文引入了近年来随着制造业信息化进程而发展起来的虚拟制造技术，并探讨虚拟制造技术在汽车零部件业的应用模式和解决方案。
图1 零部件的三种断裂情形
2 虚拟制造技术及其分类
(1)定义
虚拟制造是实际制造在计算机上的本质实现，即采用计算机建模与仿真技术，在高性能计算机及高速网络的支持下，在计算机上群组协同工作，通过三维模型及动画或虚拟现实，实理产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分析、质量检验，以及企业各级过程的管理与控制等产品制造的本质过程，以增强裁造过程各级的决策与控制能力。
由此可见，虚拟制造是面向产品全生命周期的，它应用于从产品开发、生产、使用直至再制造的全过程，具有系统集成性、符合并行工程、高度的分布合作以及面向敏捷制造等特征，虚拟制造通过利用仿真技术、网络技术等新技术为人们营造出一个与现实生活相似的虚拟的环境和将要生产出的产品相同功能的虚拟样机，在这个虚拟的环境下，通过对虚拟样机的控制可反映出将来真实的产品在现实的世界的各种状态，以帮助科技人员、管理人员、生产人员乃至最终的消费者在未得到真实的产品之前就做出全局最优化的决策。
(2)分类
虚拟制造的研究涉及产品全生命周期中的各个方面，可以分为三个不同的类别：以设计为中心的虚拟制造、以生产为中心的虚拟制造和以控制为中心的虚拟制造。以设计为中心的虚拟制造是将虚拟制造应用于产品设计和工艺设计的过程，主要是为设计者提供产品设计的科学性和制造可行性的评估环境；以生产为中心的虚拟制造是将虚拟制造应用于生产组织过程中，目的是优化配置生产制造过程的资源和合理编排生产计划；以控制为中心的虚拟制造是将虚拟制造应用于生产控制过程中，用以优化制造过程和车间控制。
本文主要研究以设计为中心的虚拟制造技术在VE型分配泵中的应用。以设计为中心的虚拟制造的主要核心技术包括特征造型、面向数学的模型设计及加工过程的仿真技术；主要应用领域包括造型设计、热力学分析、运动学分析、动力学分析、容差分析和加工过程仿真等。
3 VE型分配泵的应用
本文的工作重点是研究将虚拟制造技术应用于汽车零部件业，解决企业在VE型分配泵国产化中所遇到的问题。适合企业实际的虚数制造系统体系结构和研究流程如图2所示。具体的实施步骤如下：
Step1.进行产品的虚拟设计，三维建模为后续CAE、CAPP和CAM提供数据源。
Step2.进行运动机构的运动学和动力学分析，运动学分析可以优化产品传动机构的运动配合关系，产生的运动学分析结果速度和加速度用于动力学分析；动力学分析产生的机构受力状况用于有限元分析。
Step3.将上述结果输入有限元分析中进行关键结构有限元分析。
Step4.依据有限元分析结果进行结构优化设计，并将优化结果重新进行各种分析。
Step5.进行产品的虚拟装配、关键件的虚拟加工仿真等，并在分析与优化的各个阶段进行各种实验以验证各项研究的正确性。
图2 以设计为中心的VE型分配泵的虚拟制造系统
3.1 虚拟设计及优化设计
产品虚拟设计是虚拟制造技术的基础工作，它的重点是三维几何模型的建立，同时为后续分析、优化设计及各种设计仿真提供产品的数据源。在各类建模工具中，PTC公司的Pro/E软件不仅建模功能十分强大，还能提供模型的质量、重心、转动惯量等参数，而且与很多分析类的软件有专用的接口程序，可以建立无缝链接，从而避免数据的丢失。
三维建模要完成的工作主要有建立各零件的三维几何模型、按照各零件的装配关系建立装配体和传递模型数据建立各分析模型，VE型分配泵总装图如图3所示，以有限元分析为例，Pro/E模型传送方式有两种：(1)由Pro/E建立几何模型，然后完成网格划分，最终以ANSYS文件格式.ans输出模型，由ANSYS读入该模型并完成后续分析；(2)Pro/E将模型以IGES格式传输给ANSYS识别读取，或用专用接口程序使ANSYS软件与Pro/E软件建立无缝链接，ANSYS直接读取Pro/E数据建立分析模型。第一种方法简单易行，但是对于复杂的零件容易丢失信息并且无法对网格进行修改，本文研究将简单零件（如传动轴等）采用第一种方法，复杂零件和装配体采用第二种方法。
图3 VE型分配泵总装图
本文中，优化设计采用德国FE-DESIGN公司的TOSCA作为轻量化设计的工具，以满足强度要求为优化条件(该软件与有限元相连接，如我们采用的是ANSYS)，它以ANSYS软件为求解器，计算满足强度条件下，最小重量的零件几何形状，从而自动优化零件的结构，最终将优化计算结果返回到CAD环境中生成三维实体模型。
3.2 运动部件的虚拟运动学和动力学仿真
对于产品运动机构的设计，虚拟运动仿真可以使设计的虚拟样机按功能进行模拟运动，计算出指定构件或指定点的位移、速度和加速度图形，从而检查出机构运动的干涉情况，提前对可能出现的动作协调问题做出准确的预测和改进，并且可以将所分析的数据传递给有限元分析作为依据条件，因此，通过虚拟运动仿真技术可使运动机构的设计更加合理，做到各运动件的动作协调，避免运动过程发生干涉等问题，从而满足性能要求。
为满足现代高速轻型柴油机的发展要求，VE型分配泵的发展越来越高速化、轻型化、精密化。因此只分析其运动规律是不够的，还必须进行动力学分析。动力学分析研究机械在力的作用下所产生的运动和运动中产生力的规律，动力学分析可分为两类：运动学的反问题和动力学的正问题。正问题是已知机构的运动状态和工作阻力，求解输入扭矩和各运动副的约束反力及其变化规律（即已知运动求力）；而反问题是给定机器的输入扭矩和工作阻力，求解机器的实际运动规律（即已知力求运动）。
我们采用MSC公司著名的运动学和动力学分析软件ADAMS作为分析工具，首先，利用ADAMS软件和Pro/E软件的接口文件直接相连得到准确的CAD模型和准确的质量参数，即零件的质量、重心位置、惯性矩等，在ADAMS中建立分析模型和运动关系，进行运动仿真分析，得到速度、加速度和位移之间的关系；然后，根据运动学反问题的求解方法，在AVIEW模块建立运动机构的动力学分析多体模型；最后，用ADAMS软件的SOLVER模块求解得出各个部件的位移、速度和加速度曲线及受力状态，比较和分析各个部件之间的位移、速度和加速度关系，对产品的设计性能进行分析，验证产品的设计指标是否得到满足，并为有限元分析提供转矩、反力等载荷边界条件。尽管动力学分析能够确定运动件的相互动力关系和作用力，但不能分析零件的应力，只能借助有限元分析软件来完成。
3.3 有限元分析
有限元分析是虚拟制造技术的重要内容之一，通过有限元分析研究VE型分配泵传动件断裂的成因及其变化规律，才能找到解决措施，虚拟制造体系下的有限元分析过程如图4所示，有限元分析从CAD系统获得分析的几何模型，从运动学、动力学分析系统中分别获取分析的边界条件和载荷，对产品进行结构静力分析、动力学分析，以得到应力、应变的变化规律和振动的频率特性等，具体步骤如下：
Step1.确定分析的类型，根据结构和断裂的特点，按照非线性、接触问题分析；
Step2.确定材料的属性，在有限元分析前处理程序中选择单元类型，并自适应地划分网格，建立计算模型；
Step3.求解计算模型，进行静力或动力分析计算，有限元分析后处理程序生成并显示计算所得盼应力、应变和振型等。
图4 传动系统（传动主轴、十字块、端面凸轮等）有限元分析结果
结构静力分析结果表明：扭矩产生的最大的交变应力为941.1MPa；应力分布较大的区域在拨叉根部导角处；接近材料的许用应力、应变范围，这是零件在长期运转以后产生疲劳断裂的原因，此外，根据应力和应变情况选择设计参数，分析设计参数的灵敏度，提出改进措施进行优化设计；然后将优化的结构反馈给CAD系统。实际上，有限元分析与产品CAD是一个不断循环迭代过程，有限元分析与CAD、运动学、动力学分析系统之间也不断地交换几何模型和载荷等信息。
在结构静力分析以后，本文研究了传动机构的有限元模态分析。因为在工作时分配泵诸多零部件相互接触，承受着极为复杂的载荷，其动态特性对分配泵的整体性能影响尤为重要，对结构动态特性的研究主要有两种基本方法：一种为有限元分析的方法，另一种为模态试验分析方法。本文采用有限元数值计算和实验测试相结合的方法，用模态试验分析的结果验证有限元分析的正确性，以得到含有结构参数的、精确的有限元模型。动力学有限元分析主要包括两方面的内容：(1)分析结构的固有频率和固有振型，从而判断结构的固有频率是否与外界激励频率接近，判断固有振型对结构关键部位是否有不利影响；(2)计算结构对发动机振动激励下的动态响应，判断其是否超过设计要求。用有限元分析方法对设计结构进行动态特性预测，辅之必要的结构修改，并以实验加以验证，可以获得较好的动态工作性能，图5所示为有限元研究结果与实验结果的对比分析，其中，X坐标表示实验测试部位，Y坐标表示施加扭矩，Z坐标表示零件受应力值；15N·m，25N·m和35N·m为实验数据，后两个35N·m，90N·m为有限元分析数据。
1-主轴中部；2-主轴根部；3-主轴拨叉表面；4-十字块表面； 5-十字块端面；6-端面凸轮拨叉表面；7-端面凸轮拨叉表面； 8-端面凸轮拨叉根部；9-端面凸轮拨叉根部
图5 有限元分析与实验测试对比
3.4 虚拟装配
虚拟装配是虚拟制造技术的关键技术之一，它通过对产品装配结果和装配过程进行仿真分析，辅助设计人员、管理人员等对产品的可装配性做出预测、评价和验证，从而做出正确的工程决策。虚拟装配包括装配工艺规划、装配性能分析、装配过程验证等内容；其目的是在产品设计初期就考虑优化装配结构、改善可装配性的根本途径，对降低装配成本和产品总成本尤为重要。
我们采用法国达索集团DELMIA公司的DPM装配过程仿真(DPM Assembly)作为虚拟装配工工具。具体实施步骤如下：
Step1.利用企业标准工艺草拟一个装配工艺；
Step2.利用DELMA与Pro/E的专用接口程序将产品的三维模型和工艺数据引入到每个装配工序中；
Step3.对每道工序加仿真行为定义细化高层工艺；
Step4.选择要仿真的工序和工艺仿真命令进行装配工艺仿真；
Step5.仿真中加入碰撞检查和装配公差检验；
Step6.最优化装配方案生成装配工艺文档。
在装配仿真过程中配以数据手套、立体眼镜、数据头盔、位置跟踪器和大视角投影系统等硬件就可以对装配仿真的过程进行操作，有很强的沉浸感。
3.5 关键件的加工仿真
企业对虚拟加工技术的实际要求是必须减少加工编程人员的工作量，免去烦琐的工艺计算，缩短在机床上的调试时间，在保证零件加工精度前提下提高工作效率和准确性，我们对VE型分配泵进行了虚拟加工的研究，利用虚拟产品模型，可以对产品的加工过程仿真和评价制造出的产品与设计产品之间的差别，并可根据毛坯切削的过程和结果来评价设计产品的可制造性问题，检验数控代码指挥的数控机床可能产生的刀具与工件、刀具与夹具、刀具与加工工作台之间的碰撞与干涉等问题。
我们选用商用软件MASTERCAM 9.0作为加工仿真的工具。利用IGES格式转换将Pro/E建立的CAD模型传送到CAM中，在CAM中选择加工方式确定粗加工精加工方案：确定刀具参数；选择刀具种类；确定刀具的切削参数，生成刀具路径及走刀次数；检查刀具干涉情况；最后生成数控NC代码输出给机床，模拟加工过程生成加工过程仿真动画。经过虚拟加工，可以检测、验证实际加工的可行性，通过选择合适的环境、虚拟机床等手段，还可得到更逼真的虚拟效果。
4 实验验证
近年来，虚拟制造技术中的虚拟实验技术发展很快，它可以大大地节省时间和实验费用。但是现实中的实验验证还是必不可少的，因为有限元分析都是以离散化的思想模拟真实的情况，所以与实际情况存在着理论误差，影响理论误差大小的因素有分析类型、网格类型、网格数目和材料参数等，以实验验证这些参数的选择的正确性，辅之必要的有限元的模型参数的修改，可以获得较好的分析结果，提高有限元分析的置信度。
对于VE型分配泵这样结构紧凑的部件，实验验证要测量它在高速旋转中的应力、应变是很难实现的。为此，我们设计了两种实验：分配泵传动轴、十字块、端面凸轮等主要零部件多工况下的结构静应力测试，分配泵传动件及装配体的模态测试。
4.1 结构静力分析试验
结构应力试验主要测试传动轴、十字块、端面凸轮结构在连接部位所承受的静应力。具体步骤如下：
Step1.固定试验的部件；
Step2.确定试验的载荷；
Step3.布置应变片的位置；
Step4.构建测试系统。
4.2 模态试验
模态试验是在有限元模态分析基础上，对传动件的固有振动特性进行分析，重点在于测试系统的固有频率、固有振型等模态参数，固有频率表示在哪个频率区间下系统会产生共振，固有振型表示在相应频率下系统的相对变形。只有实验的结果与模态实验值相吻合，才能证明有限元所建模型正确，且所得的数据为下一步对产品进行优化设计和分析奠定基础。试验模型在CRAS模态分析系统中建立，如图7所示。
图7 模态试验系统
分配泵传动系统的振动特性测量系统由测试对象（传动系统）、激励环节（冲击力锤）、测量环节（力传感器、加速度传感器、电荷放大器、信号采集器）、分析环节和检测环节(动态信号分析仪和模态分析软件CRAS)构成，系统构成如图8所示。
图8 模态试验体系结构
测量方法采用单输入多输出(SIMO)的参数识别方法，即一点激振多点响应和多点激振一点响应相结合的方法。因为如果一点激振多点响应的激振点或多点激振一点响应的激振点恰好在振型节点或附近，就可能遗漏该模态，所以试验对应交换几次激振点或拾振点的位置，检查是否有遗漏的模态。通过测量两个实验段在脉冲激励下各测量点的振动响应，应用CRAS随机信号与振动分析系统，得到传动系统的模态特性，并将测试结果与相应的有限元分析结果相对比，就可以评估有限元建模的正确性和理论误差的大小，如表1所示。
4.3 CAE分析结果和试验结果对比分析
(1)通过对分配泵传动系统模态试验分析，我们得出构件的6阶固有频率和振型。由于试验是用少数点响应的集中平均值来拟合机体的振动模态，因此有些局部模态可能反映不出来，但是有限元分析方法可以将所有的模态（整体与局部模态）全都计算出来，这是有限元方法比模态试验分析得到模态阶数多的原因。
(2)若有限元分析和模态试验分析的相应振型的结果非常接近，说明模型正确，误差在许可范围内。
(3)用模态试验分析与有限元分析技术对现有产品结构进行受迫响应模拟，获得与实际工作时的振动特性相同的结果，为产品的故障诊断提供有力的理论根据。
5 改进方案与结论
根据上述理论分析、优化设计和实验测试，我们可以得出传动系统的受力变化规律：
(1)传动轴受力最复杂，凸轮应力最大，传动轴其次，十字块最小。
(2)传动轴、十字块、凸轮的应力最大值均在尺寸突变的根部，显示出这些部位出现应力集中现象。
(3)模态试验表明，扭转弯曲组合交变应力是传动系统的主要受力状态，零件的失效破坏形式为在弯扭复合作用下的应力集中部位的疲劳断裂。
但是，产品的改进方案不仅要考虑理论分析优化计算的结果，还要结合企业实际技术、生产状况，确保改进方案有良好的加工工艺性，针对受力变化规律，我们提出传动轴、十字块、端面凸轮的多种优化设计方案，并对这些优化方案重新进行对比理论分析计算，事实上，任何研究都是这种循环迭代的过程，最后得到较理想的方案如下：
(1)材料的改进。十字块改为20CrMnTi；传动轴改为25MnTiBRE；端面凸轮改为20Cr2N14。
(2)结构设计改进。应力集中部位采用双圆角过渡，一个大圆角导向应力流，小圆角避免应力集中。
(3)加工工艺改进，改进导角的加工方法、热处理方案和加工工艺顺序。
本文解决了企业生产的传动部件断裂问题，提出了改进方案，改进样机通过试车达到了国际标准，并将在江铃汽车上应用，本文提出了一种VE型分配泵制造业的虚拟制造解决方案，该方案同样适用于其他汽车零部件业。这些成果对于今后进一步研究以生产为中心的虚拟制造技术打下了坚实的基础。
虚拟制造是多学科先进技术集成的一种全新的制造模式，本文结合当前虚拟制造研究和应用情况，研究了虚拟制造技术在汽车零部件业的工程应用方法，但是，这只是虚拟制造技术应用的小部分，如果将虚拟现实环境融如到虚拟样机的分析检测中将更能反映真实整界的实际情况，在可以预见的将来，随着虚拟制造技术的发展，它必将给制造业带来深刻的变革。(end)
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(9/4/2012) |
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