SolidWorks船舶柴油機虛擬裝配

2013-07-01 by:廣州Solidworks培訓中心來源:仿真在線

0 前言

船舶柴油機的可靠性、壽命及主要性能參數在很大程度上取決于裝配工藝水平和裝配質量。傳統的船舶柴油機裝配階段是船舶柴油機制造中的最終階段,也是發生質量問題最多的階段。由于在編制裝配工藝初期,沒有數字化裝配驗證的手段,在實際裝配階段,經常會發生零部件間的干涉或裝配順序不合理等現象,而且許多零部件制造階段產生的質量隱患往往要等到裝配階段才能顯現出來;因而導致船舶柴油機裝配周期很長,返工率很高,而且裝配質量不穩定,這些都嚴重制約著船舶柴油機行業生產能力的提高。虛擬裝配技術的出現有效地解決了這一技術瓶頸。虛擬裝配是在虛擬環境中,利用虛擬現實技術將設計的產品三維模型進行預裝配,在滿足產品性能與功能的條件下,通過分析、評價、規劃和仿真等手段改進產品的設計和裝配的結構,實現產品可裝配性和經濟性。本文提出了一種基于SolidWorks的船舶柴油機虛擬裝配和運動仿真方法,并通過對MAN B&W 5S60MC-C型柴油機全過程的實踐,證明了可以運用SolidWorks軟件的裝配和動畫制作功能,來驗證裝配序列和裝配路徑的可行性、分析最佳裝配次序、確定最優裝配路徑。同時,通過動態模擬復雜船舶柴油機裝拆工藝過程,可以讓裝配工人熟練掌握裝配工藝、正確地進行裝配操作、提高裝配質量。

1 SolidWorks軟件功能簡介

SolidWorks軟件是美國solidWbrks公司在Windows平臺上研制開發的三維機械設計軟件,是一套優秀的、綜合性的軟件;除了具有草圖繪制、零件造型、裝配體設計、工程圖生成、模具設計、鈑金設計等主要功能外,還可利用自帶的插件對設計的零件部件進行相關的分析和優化。通過插件的使用,用戶可以在同一個軟件界面下對同一個模型進行設計、分析、優化的操作,不需要將模型轉換文件格式及重新熟悉其他分析軟件界面。其中,Animator插件具有動畫制作功能,它可以將裝配好的船舶柴油機旋轉、爆炸或解除爆炸,模擬它的裝拆過程,展示船舶柴油機中零部件的配合關系,非常直觀、生動、形象;使裝配工藝設計人員和裝配操作工人可以從不同角度去觀察船舶柴油機,清楚地了解它的結構、組成和裝配過程。

2 船舶柴油機零件的三維建模

在進行船舶柴油機的虛擬裝配及運動仿真之前,要進行有關零件的造型。船舶柴油機由很多零部件構成,如:機座、機架、氣缸體、活塞組件、連桿十字頭組件、曲軸組件、氣缸套、氣缸蓋、凸輪軸等;其中,圓柱銷、部分連接用螺釘是標準件,可激活Toolbox插件從標準件庫中調用,不需另外造型;其他為專用件,需要進行造型設計。SolidWorks2008用戶界面非常人性化,便于操作,它提供了強大的參數化、基于特征的實體造型技術;利用SolidWorks的基礎特征(拉伸、旋轉等)、設計特征(圓角、倒角、異形孔等)、鏡像特征(陣列、鏡像等)以及參考幾何體中基準軸、基準面等定位特征,這些三維實體造型工具能夠方便、快捷地創建出船舶柴油機組成零件的實體,并通過草圖的幾何約束及尺寸約束功能,可以創建出尺寸十分精確的零件造型,如圖1所示。

圖1 MAN B&W 5S60MC-C型柴油機部分零件立體圖

3 船舶柴油機的裝配體建立

設計裝配體有兩種方式:①自下而上,②自頂向下。自下而上設計法是一種比較傳統的方法:首先,生成各個零件,將其插入裝配體;然后,根據設計要求配合零部件,將其裝配起來。因為零件為獨立設計的,對于一般相互結構關系及重建行為較為簡單的機械設計,這種方法比較清楚,也很實用。自頂向下的設計方法,是在裝配體中邊生成零件邊配合零件來生成裝配體,可以使用一個零件的幾何體來幫助定義另一個零件或生成組裝零件后才添加加工特征,這對于裝配關系復雜的零部件設計較適用。船舶柴油機裝配體的設計就是在上述完成零件造型的基礎上,完成自下而上的裝配。先新建一個裝配體,然后在插入零部件對話框中點擊瀏覽,依次選擇要插入的零部件即可。其中,第1個插入的零件十分重要,它是整個裝配體的裝配基礎,SolidWorks軟件已默認第1個插入的零件為固定零件,其他所有的裝配體零件都是以此為基礎。

由于船舶柴油機零件部件很多,裝配體也很多復雜,實際的船舶柴油機裝配生產分為預裝和總裝兩個部分(即:先將一些零部件裝成部件,然后再將這些部件裝配成整機);因此,在建立船舶柴油機的裝配體時。也按照先建立部件裝配體,然后建立整機的裝配體。應當注意的是,部件裝配體在整機裝配體中是于裝配體,子裝配體在裝配體中相當于一個整體,即使子裝配體中的零件之間沒有全定位(即:可相對運動),而在裝配體中,子裝配體中的零件是不能相對運動的,因此,一些在裝配體中需要相互之間能夠相對運動的零件不能裝配在一個子裝配體中(例如,在實際生產中,通常是將連桿組件和十字頭組件裝配在一起,再進行總裝配的)。但由于在整機裝配體中,連桿和十字頭銷之間必需能相對轉動,因此只可以將連桿組件和十字頭組件分別作為兩個子裝配體裝在整機裝配體中。另外,在整機裝配體中,為了減少數據的載入量、提高裝配體的重建速度,可輕化零部件。

部件裝配體建立時,通常選擇部件中的主要零件作為裝配參照體第1個插入到裝配體中;而整機裝配體則以總裝配臺架的基礎作為裝配參照體第1個插入到裝配體中。插入零件后,要使零件之間達到準確的配合,必須建立準確的裝配約束;兩個零件之間的裝配約束,一般用三個坐標方向的位移以及繞這三個坐標方向的轉動表示;系統在配合菜單下提供了重合、平行、垂直、相切、同軸心、距離、角度7種標準配合,對稱、寬度、路徑配合、線性/線性耦合等4種高級配合,以及凸輪、齒輪、齒條小齒輪、螺旋、萬向節等5種機械配合;另外,在裝配體的特征中,還提供了皮帶/鏈,可以定義皮帶或鏈傳動。在裝配過程中的配合關系應根據零件的運動狀態來選取,并且要考慮運動自由度的問題:船舶柴油機部件裝配體和整機裝配體中主要選取重合、同軸心、距離、凸輪、齒條小齒輪、螺旋等配合方式,以及皮帶/鏈裝配體特征;部分裝配體裝配后的效果見圖2所示。完成裝配后,為了避免實物安裝時產生干涉而無法安裝,必須進行裝配體的干涉檢查;并干涉修改相應零件,直到獲得滿意結果。

圖2 MAN B&W 5S60MC-C型柴油機部分部件裝配和整機裝配圖

4 船舶柴油機的虛擬裝配

為了直觀地表達出零部件之間的裝配關系與裝配意圖,即進行虛擬裝配,需要將裝配體生成爆炸視圖(如圖3所示)。各零件的爆炸步驟應該按照各零件的實際拆卸順序進行,先拆卸的零件先爆炸。爆炸的方向,可通過選擇裝配體中零件的三維座標方向或零件的平面、邊線等特征來確定,爆炸的距離則可以輸入距離值來確定,以能看清各零件的結構為宜。

圖3 MAN B&W 5S60MC-C型柴油機部分裝配體爆炸圖

虛擬裝配是根據產品設計的形狀特性、精度特性,真實地模擬產品的三維裝配過程,并允許用戶以交互方式控制產品的三維真實模擬裝配過程,以檢驗產品的可裝配性。在生成了船舶柴油機部件裝配體爆炸視圖或整機裝配體爆炸視圖的基礎上,利用SolidWorks自帶的動畫制作功能,來模擬船舶柴油機部件或整機的虛擬裝配過程。

將裝配體爆炸視圖解除爆炸后,點擊“運動算例1”標簽,切換到動畫制作界面,利用動畫向導可以生成旋轉裝配體模型、爆炸、解除爆炸的3種基本動畫。旋轉裝配體模型,可使裝配體繞X軸、Y軸、Z軸作整體地旋轉,用于展示裝配體的外觀;爆炸和解除爆炸分別用于生成裝配體的爆炸過程動畫和其反過程動畫,用于展示裝配體的結構和裝拆過程,但使用的前提是裝配體必須生成爆炸視圖。要生成虛擬裝配動畫,運用動畫向導生成解除爆炸動畫即可。下面以十字頭組件裝配體的虛擬裝配為例,介紹虛擬裝配動畫制作過程。

打開制作好的十字頭組件裝配體爆炸視圖,點擊“運動算例1”標簽,點擊“動畫向導”。出現“選擇動畫類型”對話框,選擇“解除爆炸”,如果是修改爆炸視圖后重新制作動畫,則可勾選“刪除所有現有路徑”以刪除以前制作的動畫內容。點擊“下一步”,出現“動畫控制選項”,輸入動畫長度和開始時間,默認的動畫長度是按每一爆炸步驟為1秒鐘計算的總的時間長度,如想使動畫較慢以便于觀看裝配過程,可適當增加時間長度,開始時聞一般輸入“0”即可,點擊完成以生成動畫。十字頭組件裝配體生成的虛擬裝配動畫路徑如圖4所示。

圖4 MAN B&W 5S60MC-C型柴油機十字頭組件裝配體虛擬裝配動畫路徑

動畫生成后,點擊“播放”可播放動畫,觀看虛擬裝配的效果,如發現虛擬裝配的零件次序不對,可拖動該零件的對應時間鍵碼,以改變其動畫路徑,從而改變其裝配的次序。如果發現虛擬裝配存在干涉,則說明產品無法裝配,應回到爆炸視圖,更改爆炸設計。所有修改完成后,需點擊“計算”按鈕,重新計算運動算例,生成新的動畫,合格后單擊“保存”按鈕,可將動畫保存為AVI格式的視頻文件。

5 船舶柴油機的運動仿真

船舶柴油機整機裝配體裝配完成后,可運用“運動算例”中的馬達功能,使曲軸按照一定的轉速旋轉,進行船舶柴油機的運動仿真。通過船舶柴油機的運動仿真,可觀察船舶柴油機各主要運動件的運動狀態(如:曲軸、連桿、十字頭、活塞、凸輪軸等),也可模擬船舶柴油機噴油正時和排氣正時的檢查調整過程。船舶柴油機的運動仿真動畫同樣可以保存為AVI格式的視頻文件。

6 結語

利用SolidWorks軟件及其虛擬裝配和仿真動畫,真實顯現了船舶柴油機的裝配過程和工作原理,驗證裝配序列和裝配路徑的可行性,分析最佳裝配次序,確定最優裝配路徑,提高了裝配質量。

開放分享：優質有限元技術文章,助你自學成才