文章编号:1000-0909(2001)03-0283-04190062发动机曲柄连杆机构CAD 系统的研究徐　斌,宋宝玉,王兆海,金　强(哈尔滨工业大学汽车工程学院,山东威海264209) 摘要:主要针对发动机曲柄连杆机构,详细论述了基于特征的参数化设计方法;并利用V isual C++对Pr o /Engineer 进行二次开发,建立发动机曲柄连杆机构CAD 系统。

本系统的应用,快捷有效地支持了曲柄连杆机构的设计开发。

关键词:计算机辅助设计;曲柄连杆机构;特征;参数化中图分类号:T K 406;T P 302 文献标识码:A引言 发动机市场日益激烈的竞争要求不断缩短产品开发周期、降低成本以及提高产品质量,这使得采用先进的设计方法及计算机辅助设计手段成为必然。

目前国内引进了不少大型C AD 软件来辅助设计,然而通用软件只能在某一方面支持设计的进行。

根据设计对象的需要,对通用软件进行二次开发,将专业设计知识与软件功能紧密结合是利用软件进行计算机辅助设计的关键。

曲柄连杆机构作为发动机的重要组成部分,其设计过程是发动机设计的重要一环。

汽车发动机曲柄连杆机构计算机辅助设计系统的开发,正是为了提高发动机产品的设计水平,缩短产品开发周期,以适应产品面向市场竞争的需要。

1　曲柄连杆机构CAD 系统的结构 曲柄连杆机构CAD 系统的结构与产品设计行为相一致。

首先要控制各设计阶段的执行顺序,其次应能在每一设计阶段根据当前问题的特点采用合适的操作方法,完成设计模型的变换。

图1所示为发动机曲柄连杆机构计算机辅助设计系统结构图,它具有以下功能和特点: (1)　建立曲柄连杆机构设计过程模型,将设计过程划分为若干个设计子过程,实现各子过程的功能规范化、结构模块化; (2)　在曲柄连杆机构设计不同子过程中建立合适的抽象层次设计模型; (3)　根据设计对象当前的状态实现设计子过程的控制; (4)　建立设计对象间的参数传递机制,实现参数的一致性; (5)　将各专业领域的理论、知识转化为设计工具; (6)　采用合适的人机交互技术支持设计。

图1　计算机辅助设计系统结构Fig .1　System structure of the computer aided design第19卷(2001)第3期 内　燃　机　学　报Transactions of CSICE V o l .19(2001)No .3收稿日期:2000-08-20;修订日期:2000-11-27。

基金项目:哈尔滨工业大学杰出青年学术带头人基金资助项目。

作者简介:徐　斌(1962-),男,教授,主要研究方向为内燃机现代设计方法。

2　基于特征的参数化设计 发动机曲柄连杆机构计算机辅助设计系统主要应用了基于特征的参数化设计方法。

通过特征的定义、分类及特征库的建立解决了几何模型无法表达非几何工程信息的缺点,并且为曲柄连杆机构中复杂的各种相似零件模型的计算机辅助生成和信息的重复使用提供了实现基础;而参数化使得计算机中各种不同模型间的信息交换得以实现。

2.1　特征的定义、分类及表达 由于工程应用的多样化、特征对应用的依赖性以及特征视角的多态性等诸多因素的制约,面向各种应用的特征定义和分类尚未得到统一[1],但其性质和作用是一致的。

首先,特征是底层几何元素与零件间信息联系的桥梁,将构成自身的几何元素有机地结合起来,形成能够表达特定功能、具有一定结构的信息单元;其次,特征的组成元素可以作为其它过程信息的载体,使得与应用相关的产品信息能够借助于特征而得到表达;再者,特征本身蕴含着特定应用的相关过程及处理方法。

因此,广义地讲,特征是用于产品信息完整表达的信息集合单元。

具体地说,特征是一类在产品构成层次中逻辑上相对独立、表达特定功能需求、具有一定几何和拓扑属性的抽象单元,可用来构成一定的功能结构。

所以,结合本文的研究内容,将设计对象的一定语义和结构形状抽象为特征。

形状结构信息是特征定义体系的核心及基础,主要表达了特征的基本几何信息。

为了能够支持广泛的应用过程,应该可以在其基础上引入非几何信息,如公差、精度等。

形状结构信息主要依据设计对象构成中的几何同构性、拓扑同构性及几何相似性等来定义。

语义信息则主要指在不同的应用领域、阶段而不同的功能含义,它表达了特征的某些属性。

依据不同的应用,在产品生命周期中,可以对特征赋予各种不同的语义信息,主要有设计语义信息和制造语义信息等。

对特征应用的侧重点不同,决定了对特征分类的不同。

一般特征可以被分为形状特征、材料特征和精度特征等;而依据语义信息,又可以把特征分为设计特征、制造特征和装配特征等[3]。

由于形状结构是本系统的主要研究内容,而其它如材料、技术等信息在曲柄连杆机构中为各特征所公用,所以本系统特征的分类方法主要指形状特征的分类。

针对本系统的特点,形状特征可分为体素特征、复合特征。

其中体素特征是指由单个广义的体素(可以是基本形体特征,如圆柱体;也可以是变换特征或基准特征,如铸造圆角或辅助面)构成的特征。

根据特征抽象和最小几何表示的原则[2],体素特征又可以进一步分为孔类特征、槽类特征、圆角特征、隆起特征、切割特征、扭拉特征及基准特征等。

复合特征指由2个或2个以上体素构成的具有一定工程意义的特征。

定义复合特征可以使设计人员根据实际应用的需要,利用基本体素特征组合生成,以表达设计对象中普遍存在的几个体素特征的组合,有利于特征的操纵与管理。

特征信息包括几何信息和非几何信息。

几何信息采用显式的表示方法,即以实体为基础,通过CSG/B-rep混合型数据结构表示。

其中CSG数据结构为主体,起主导作用,可以定义体素,描述特征的定位和定形参数,并提供体素的运算,为特征的组合建立基础;而以B-rep数据结构为CSG节点的扩展,完整地表达特征的几何、拓扑信息。

非几何信息如特征的精度、材料、技术及管理等信息,多采用隐式的描述方法。

在复合特征中,各体素特征之间的关系包括邻接关系和亲子关系。

邻接关系为同时依赖于某一特征的2个或多个特征间的关系。

如果某一特征依赖于另一特征,则称这两特征间存在亲子关系,前者称为子特征,后者称为父特征。

对于复合特征结构,仍然用二叉树结构来表示,且左子树节点表达亲子关系,右子树节点表达邻接关系,特征间关系由二叉树的结构决定。

对邻接关系的特征而言,先加入的特征为父节点,后加入的特征为右子节点;对于亲子关系的特征来说,子特征作为父特征的左子节点。

2.2　特征的参数化 在定义了特征,并对其进行分类及表达之后,即可以通过特征拼合出零件模型。

零件模型中最为重要的是记录各组成特征间关系的特征关系树,以类似复合特征的二叉树数据结构表达,即左子节点表示子特征,右子节点表示邻接特征。

零件模型的建立过程实质上是在其特征关系树中添加或删除特征,并对其尺寸参数赋值的过程,即特征的参数化过程。

对于体素特征形位尺寸的参数化,只是简单的参数输入与输出过程。

当组合特征的定位尺寸发生变化时,只需修改根节点的定位尺寸即可。

如果参数驱动的是组合特征的定形尺寸,则首先遍历二叉树,若参数对应某一体素特征的形状尺寸则对其进行修改;若找不到,则该参数为对应体素特征之间的定位尺寸,此时应前序遍历各节点的左子树,找到该定位尺寸所对应的特征节点并修改该定位尺寸。

特征存在性的参数化驱动是指特征能够随着布尔型参数的变化而进行添加和删除的操作。

当加入特征时,首先通过遍历特征关系二叉树,找出其基准特征;然后以此节点为父节点插入所要添加的特征;最后通·284·内 燃 机 学 报 第19卷第3期过二叉树算法将所得森林结构转换为二叉树。

特征添加的过程如图2所示。

特征的删除较添加简单,其算法为:首先从零件形状特征链中删除该特征,然后从特征关系树中删除相应的节点。

若被删除节点为叶节点,可直接删除;若删除节点为中间节点,且其右子树为空,则删除该节点及相应的左子树;若其右子树不为空,则删除该节点及其左子树后,以右子节点代替之。

2.3　曲柄连杆机构特征库的建立 本系统除建立起体素特征外,还针对发动机曲柄连杆机构零件的特点,依据结构和功能的共性建立组合特征,以便更加便捷、清晰地控制特征拼和成零件模型。

曲柄连杆机构主要由曲轴、活塞和连杆等零件组成。

各零件每一部分可根据其形状选择相应的体素特征予以表达。

但是为了增强特征的可操纵性、提高设计效率,应将零件内各种结构形式中普遍存在、且其间架结构关系不随布置参数而变化的特征组合定义为复合特征。

本系统中,组成曲柄连杆机构的各类组合及体素特征构成如图3所示。

定义曲拐与一主轴颈的组合为复合特征,这样可使曲轴的特征树较为简洁,便于操纵,又不妨碍各缸发火次序等结构参数对曲轴形状的控制。

而对于平衡重等布置形式过于复杂的组成部分,直接利用体素特征对其进行表达可使操作更加灵活。

同理,可以将结构关系较为固定的活塞头部、活塞裙部及活塞销座组合定义为复合特征,而将变化较多的活塞环及活塞销孔单独定义为体素特征。

各种连杆结构形式的主要区别在于连杆大头的切口形式及其角度,所以将连杆大头切口单独定义为体素特征,而将连杆体定义为复合特征。

在此基础上,可以将各类特征的具体形状及结构形式进一步定义为具体形状特征并存入计算机。

至此便完整地建立了发动机曲柄连杆机构特征库。

当需建立新零件模型时,只需确定其结构参数与形状尺寸参数,然后根据特征的参数化原理由参数控制特征的存在性及特征的形位尺寸,即可由特征拼合出零件模型。

(a)零件模型中加入特征(b)森林转化为二叉树(c)新零件模型图2　特征的添加Fig.2　Appending of the features图3　曲柄连杆机构特征库Fig.3　Feature base of the crank-link·285·2001年5月 徐　斌等:发动机曲柄连杆机构CAD系统的研究图4　曲柄连杆机构装配图实例Fig .4　Example of assembly diagram on crank -link3　参数的确定与校核 根据具体零件建立零件模型必须确定两方面参数,即曲柄连杆机构各零件的结构参数及其尺寸参数。

结构参数决定了各零件的基本布置形式,需根据具体零件的结构形式对参数赋值。

由于发动机曲柄连杆机构形状尺寸参数的选取一般都是以经验公式的形式给出,所以在本系统中由程序选取各参数范围的中间值,然后加以校核。

发动机曲柄连杆机构的参数校核主要包括曲轴强度校核、连杆杆身强度校核及活塞的校核等,其中最为重要的就是曲轴疲劳强度校核。

此项工作由程序较容易完成,所以在此不再赘述。

4　系统的开发 本系统通过Visual C ++对Pro /Engineer 进行二次开发来完成。

由于Pro /Engineer 提供参数化特征建模方法及模型的全相关性,所以为本文所讨论的基于特征的参数化设计方法的实现提供了良好的支撑平台。