数字化柴油机协同设计技术研究

张云静

（中国北方发动机研究所，山西大同037036）

在数字样机中，模型是其重要组成单元。能够准确表述产品信息的数字样机，主要是由一组零件模型经过一系列的装配操作后生成的具有确定关系的模型，是对产品的抽象表达，是一个从支持概念设计到零件设计（工程设计），并能完整描述不同装配件间的装配关系、装配层次和各种装配信息的装配模型。在传统产品设计中，单个零件的设计者只重视单个零件或系统的建模，往往不考虑其零件与其他系统及零部件之间的关联关系，而总体设计人员鉴于传统设计手段的限制，无法将总体意图与零件设计的反馈信息及时有效的协调，导致产品的信息不能很好地集成起来，阻碍了整个产品开发过程中的信息交换，影响了设计质量，甚至是整个产品的开发进度。

本文通过建立骨架进行数据传递、约束关系树、装配模型的层次关系，确立了数字化柴油机协同设计的技术方法，对类似柴油机复杂产品结构设计的模型表示、装配设计约束和协同设计等进行了研究。

1 需求分析

在柴油机传统的设计过程中，总体依靠纸质协调卡片来协调各系统间或零件间的接口，所有零件设计都是在二维基础上进行，总体对各系统设计情况的了解滞后，往往是在设计人员设计完成，汇总到总体人员后，才会发现一些设计问题，而后再由各设计人员修改，这样造成设计效率低、周期长。

经过对传统柴油机设计过程的总结，对数字化柴油机协同设计技术提出以下需求：

（1）总体对各系统的可控性需求。传统柴油机设计中，总体依靠的是纸质协调卡片或类似功能的纸质文件，来控制对各系统提出的要求，计算机中建立的模型依赖于人为操作，即所谓的人性约束，缺少计算机的可控性；

（2）设计过程中总体与分系统协同设计需求。不同设计人员在同一平台上进行设计，缩短设计周期；

（3）装配模型与设计模型的同步性需求。确保设计过程中不同设计人员、不同关注角度能得到正确的设计信息反映，以期将设计问题提早暴露；

（4）知识重用性需求。有效地对设计过程产生的信息进行组织和管理，使设计的知识得到合理有效重用，保持设计资源的良好继承性。

（5）模型规范性需求。数字化柴油机中的模型是为满足不同功能需求而建立的，如装配需求、仿真需求、加工需求、工程设计需求等，不同功能需求对模型特征的详细程度、建立方式的要求尽管不相同，但所有满足不同功能需求模型的起始模型必须是唯一的，因此，模型的规范化建立是满足数字化柴油机设计的基础。

（6）设计环境统一性需求。数字化设计的环境一方面包括软件的一致性、有效兼容性，从而能够保证数据无缝转换；另一方面指设计基础环境的建立，包括三维设计的基础环境，及支持协同设计的各类模型库，如标准件库、材料库、通用件库等。

2 柴油机数字化协同设计

数字化柴油机设计技术的研究是一项创造性的过程，其应用必须要符合柴油机的研发流程，要建立适合企业自身条件的设计体系。目前能够实现的数字化设计方法是首先建立经过标准化的协同基础环境，包括支持数字化设计的网络软硬件的配置；其次是具有三维模型设计的能力，这里所说的能力不是指个人建模的水平，而是指在具有各类规范（建模、设计规范等）和模板指导的环境下进行零件设计的能力；最后是产品设计体系的构建，包括产品研发流程、数据传递管理系统等。

作为数字化柴油机设计的主要组成部分数字化协同设计，同样要以柴油机的研发流程为基础，建立合理的协同设计流程，定制符合数字化柴油机设计的协同设计方法。

2.1 协同设计流程

协同设计是总体在柴油机总体设计过程中所应用的一种设计工具，模型在不同的设计阶段，应能体现不同设计阶段的设计意图，包括总体结构参数、零部件的结构型式、尺寸等设计信息。图1描述了总体建模在柴油机总体设计过程中的任务流程和数据流程。如图1所示，描述了整机结构建模在柴油机总体设计过程中的任务流程和数据流程。在概念设计阶段，由总体设计人员从数据库的模板库中调出相应的模型模板，粗略的布置各初始模型的安装位置，按照设计要求，各系统机构设计人员调节初始模型的结构尺寸；由概念设计阶段进入方案设计阶段，概念设计阶段的模型随之进入方案设计阶段，各系统机构设计人员细化和修改初始模型的结构型式和尺寸；进入工程设计阶段、方案设计阶段的模型随之进入工程设计阶段，模型按照设计要求继续细化，形成最终的数字化三维模型，最后放置到三维成品库中，由PDM进行管理。

图1 柴油机总体设计流程

2.2 协同设计方法

协同设计实际上是将TOP－DOWN（自顶向下）与自底向上相结合设计的思想在数字化设计过程的实现，在柴油机的不同设计阶段，应用不同的设计方法，自底向上是从方案设计到详细设计；自顶向下是从概念设计到方案设计，但在实际设计过程中，自顶向下设计和自底向上设计是经常混用的，来回切换的。

在概念设计阶段，采用骨架文件特征的发布和复制来实现设计条件的TOPDOWN传递，接着部件总布置，从总骨架文件复制几何建立部件子骨架文件，最后是部件零件的一种自上而下、逐步细化的设计过程，这个过程就是TOPDOWN设计的过程。而在零部件设计的过程中同样需要不断的向总体反馈设计信息，各系统将设计的模型与各类标准件、通用件进行系统级装配，并上传到协同平台上，而后总体在整机的装配文件中，实时反映出零部件的设计问题，发现问题，及时修改，这个过程就是自底向上设计的过程。如图2所示，为协同设计过程。

图2 协同设计过程

根据协同设计的流程内容，需要研究具体的设计方法来实现流程在柴油机设计过程中的应用。主要内容包括。

2.2.1 总骨架的设计

总骨架设计过程就是柴油机总体、系统参数设计确定的过程，只是将柴油机设计过程的具体表现形式由三维空间骨架代替了过去传统的二维图。然而柴油机的设计直接由三维环境开始，是进行柴油机数字化设计的基础。

总体骨架模型的设计采用基于约束的参数化设计。总体骨架模型中约束关系中的几何约束用以描述柴油机零部件的形状特征，拓扑约束则描述产品构成要素之间的相互依赖和制约的关系，通过要素关系的建立和求解来捕捉设计者的意图，并完成从功能约束到产品结构描述的转换过程。

为了使总体骨架模型能够清晰准确的表现出支持概念设计阶段进行设计的信息，需要明确总体骨架模型的具体表现形式，即用什么方式来描述上述所研究的总体骨架模型内容。骨架是设计的框架，将设计信息集中在一个特殊的模型里面，是设计条件的提炼。根据多方探讨和研究，初步确定在PRO／E或UGS软件平台上使用骨架形式来表现。具体内容描述如下：

（1）定位信息：各关键特征的位置确定，使用点、轴线、曲线等来描述。

（2）接触表面的轮廓：零部件间的对接表面，使用曲线、曲面来描述。

（3）关键件的形状尺寸：表达出空间占位，使用曲线、曲面等来描述。

（4）装配的参考：零部件的装配位置，使用坐标系、曲面等来描述。

（5）方程式：

具体形式如图3。

图3 柴油机总体骨架设计形式

2.2.2 面向设计的虚拟装配

在柴油机的设计过程中，采用自顶向下的设计方法，需先解决柴油机总体、系统与零部件间的各种关系的描述。这种描述的实现采用建立整机装配模型，将产品结构设计与装配并行，既从结构方面优化零件设计，又从设计过程方面优化产品装配。整机装配模型不是通过简单的定义零部件特征间的三维几何约束关系定位，而是根据柴油机的功能组成和系统分类，形成具有层次关系的级别装配，总体作为1级，各系统、组件作为2级，部件作为3级，零件依次类推，如图4所示。之所以采用具有层次关系的级别装配，一方面是为了总体可以按照柴油机的功能组成和系统将2级装配文件传递到系统设计人员手中，既让设计人员在设计约束条件下拥有更大的设计空间，又通过整机装配模型这个纽带，使总体与系统、系统与系统间实现协同设计，使总体能够在设计过程中便站在整机的角度来进行实时协调；另一方面，使整机装配模型不会随底层的零部件特征或约束关系的修改而发生约束关系的失败。鉴于以上原因，每一级别的装配采用不同的约束方式，其中1级装配采用柴油机定义的基准坐标定位装配，2级装配需要通过总骨架中的各系统的安装坐标与各系统模型从总骨架接收的坐标系进行空间定位，3级以下视设计情况而采用不同的约束方式，可以采用坐标系装配，也可采用几何约束装配。

柴油机按照结构功能主要包括曲轴箱、油底壳、气缸盖、曲轴、活塞、连杆等本体零部件，这些主要零部件的结构和组成关系基本决定了发动机的总体架构。除此之外，发动机还包括供油系统、冷却系统、润滑系统、增压和中冷系统、进排气系统、电控系统、发电和启动系统等，各系统中又包含多个结构上既相互独立而功能上又相互影响的附件单元，在进行设计时，只有在整机装配结构下，总体才能有效地描述系统间装配关系，在装配层次接口清晰的基础上，总体与系统才能在协同环境下传递设计信息，然后以此为基础，详细设计其中的组成零件。

图4 整机装配模型

2.3 协同设计基础环境的建立

（1）三维数字化设计基础环境

目前市场上常见的三维设计软件众多，主流软件有UG、PRO／E、CATIYA等，无论什么三维软件，在数字化设计平台下，都需要对软件进行符合企业要求的三维配置文件的定制。作者使用的三维软件为PRO／E，三维配置文件的定制包括三维模板的定制、配置路径等。

（2）三维转二维设计环境

在工程设计阶段，是将三维模型转成二维工程图的设计，必须建立符合企业要求的二维设计环境，包括二维配置文件的定制、字库的定制、二维图框等。

（3）模型库

设计过程中所有设计人员使用统一的模型库，形成模型一致性、规范性，模型库包括模板库、常用件、标准件库、材料库等。

（4）协同平台

柴油机的数字化设计前提是产品的协同设计，在一个统一的协同平台上，实现设计条件的传递和模型库的应用。对于一台目标样机来说，团队中的每个成员既相互独立又彼此发生关系，这就提出如何把团队中的每个成员有机的结合在一起，保证大家遵从共同的设计理念和边界条件，设计信息能在彼此之间即时通讯而又可控，并保证数据的唯一性和准确性。如图5所示，为数字化柴油机设计协同平台框架图。从框架图中看出，以网络环境下的协同设计平台为基础，建立柴油机设计团队并配置相应权限，其中协同设计平台是将设计人员通过权限来对协同设计平台中保存的数据进行提取、修改与存储。

图5 协同设计平台框架图

在协同设计平台中，通过产品结构与权限配置管理实现柴油机的协同设计。发动机总体按照各系统组成关系建立发动机整机产品结构（即整机装配结构），主要包括总体、各分系统的骨架模型和各分系统的子装配模型，各系统设计人员再在产品结构基础上通过权限配置进行分系统设计，这样，整个发动机以产品结构为核心来实现总体与各系统之间的协同设计。

2.4 支持数字化柴油机设计的规范性研究

在柴油机的数字化设计中，骨架设计、信息传递、满足不同需求的模型设计、流程应用等，都需要有相关的规范来指导和约束。

3 数字化柴油机协同设计的工程应用

以研发某型号的柴油机为背景，应用数字化柴油机协同设计技术，进行了概念设计到工程设计，其中应用的三维软件为pro／e3.0，协同平台为intralink8.0。

3.1 模型库的应用

该项目在协同平台中，建立了标准件库，包括12种标准件，如图6所示，统一了标准件模型使用环境。

图6 标准件库

3.2 协同流程的应用

同时该项目应用数字化柴油机协同设计技术，应用流程如图7所示。

图7 应用流程

首先根据柴油机研发需求，进行柴油机总体结构性能分析，设计柴油机总体结构参数表，建立布局文件（图8）；接着以布局文件中的参数为依据，建立总体骨架文件，来设计柴油机整机结构（图9）；同时建立整机装配文件，并上传到协同平台中，此时的装配文件为空的模型，只将各系统的空子装配文件建立装配关系，在模型树中形成柴油机的产品结构（图10），而没有实际的模型；下一步，各系统从协同平台下载相应的子装配文件，并复制发布特征，进行系统的详细设计、零件设计及工程图设计（图11）；最后，整机装配文件随着系统设计的细化不断充实，完成系统的详细设计，整机装配同时完成期间，总体可以在整机装配文件中及时进行各项检查。

图8 布局文件

图9 总骨架

3.3 应用效果

在研制该柴油机过程中，应用数字化协同设计技术后，舍弃了传统纸质协调卡片，以协调流程为基础采用了骨架模型文件对协调接口的传递和控制，极大的降低了设计差错，并在协同流程中，实现了设计过程中所有零部件数据统一、实时的管理。

图10 装配文件

图11 工程设计

4 结论

（1）数字化柴油机协同设计能够提高零部件设计质量，减少设计差错；能够实现柴油机研制过程中数据管理的可控性；

（2）数字化柴油机协同设计的应用将会缩短柴油机设计周期，由于设计差错的提前暴露和解决，将大大减少研制成本。

（3）鉴于数字化柴油机协同设计技术研究的内容较多，本文只作了综述性的论述，对于其中协同流程、方法等的研究还需要进一步的详细探讨。

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