引言
虛擬產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)作為機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)的新手段日益體現(xiàn)出了它的優(yōu)點(diǎn)和實(shí)用性。尤其針對(duì)產(chǎn)品的虛擬物理樣機(jī)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的完全數(shù)字化模型，并以此為基礎(chǔ)建立虛擬裝配，檢查整車產(chǎn)品的配合和干涉，進(jìn)一步進(jìn)行虛擬功能樣機(jī)的有限元分析，研究產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)特性，從而滿足設(shè)計(jì)要求，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間和降低成本。本文主要介紹摩托車設(shè)計(jì)中的總體設(shè)計(jì)、虛擬產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和復(fù)雜曲面設(shè)計(jì)、虛擬功能分析中的有限元分析等過程。
1、總體設(shè)計(jì)
摩托車總體設(shè)計(jì)中首先要確定車型、排量及發(fā)動(dòng)機(jī)類型，其次是多方案地提出車架、制動(dòng)、懸掛、傳動(dòng)、油箱、導(dǎo)流罩及座墊等的設(shè)計(jì)方案，最后是通過初步評(píng)估以選擇和確定方案。以JSl25-1A型摩托車設(shè)計(jì)為例加以說明。
125-1A型摩托車是以125-1型摩托車為基礎(chǔ)進(jìn)行全新改型設(shè)計(jì)的。根據(jù)整車流線型設(shè)計(jì)、動(dòng)感、美觀、車身流暢造型風(fēng)格要求，其設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：改型設(shè)計(jì)導(dǎo)流罩、前大燈、前擋泥板、后視鏡、油箱、座墊、左右側(cè)蓋、后側(cè)圍、后尾燈、后貨架、后擋泥板、工具盒、左右腳蹬裝飾板和儀表支架；配置“天劍”125型發(fā)動(dòng)機(jī)；保持原有車型的后平叉、前后減震器、消聲器、腳蹬及附加腳蹬、轉(zhuǎn)向燈、主支架、側(cè)支架、方向把、儀表、前后輪、前盤后鼓的制動(dòng)方式及整體結(jié)構(gòu)形式不變；對(duì)車架進(jìn)行局部安裝結(jié)構(gòu)的改型設(shè)計(jì)并進(jìn)行振動(dòng)分析。
2 、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模態(tài)分析
結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分：基礎(chǔ)件3D建模與模態(tài)分析。
2.1 基礎(chǔ)件3D建模
根據(jù)三坐標(biāo)測量機(jī)對(duì)125-1型樣車的基礎(chǔ)件進(jìn)行測量，所得的數(shù)據(jù)利用NX軟件建立1：1的3D模型。建模過程中要對(duì)基礎(chǔ)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，對(duì)不合理和有干涉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，最終建立樣車虛擬裝配模型。
2.2 模態(tài)分析
車架作為摩托車機(jī)體，將發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)、懸掛裝置、轉(zhuǎn)向裝置等有機(jī)連接，構(gòu)成一個(gè)整體，其動(dòng)態(tài)特性直接影響摩托車的振動(dòng)性能和乘坐舒適性。模態(tài)分析可以確定設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)以及部件的固有頻率和振型。固有頻率和振型是承受動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)，若外界激勵(lì)與車架某階固有頻率一致或接近時(shí)，將引起共振，使整車振動(dòng)加劇。本文采用NX軟件對(duì)車架進(jìn)行有限元分析，避免了采用其他軟件分析時(shí)產(chǎn)生接口與模型簡化問題。圖1為該車車架網(wǎng)格劃分示意圖，總共10850個(gè)單元，11967個(gè)節(jié)點(diǎn)。
圖1 摩托車車架網(wǎng)格劃分示意圖
在對(duì)車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，由于求解的是車架的固有頻率和振型，與所受外力無關(guān)，故可不計(jì)外部載荷的作用。本文采用自由邊界支撐，計(jì)算車架的自由模態(tài)。自由模態(tài)必然導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)6個(gè)剛體模態(tài)，其對(duì)應(yīng)的固有頻率均為零。考慮到摩托車的運(yùn)行速度與路面條件；車架與發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行綜合分析的需要，選取0～200Hz作為計(jì)算頻段范圍，提取車架的前6階非剛體模態(tài)，其數(shù)值如表1所示。由表1可以看出，車架的各階固有頻率均落到路面譜的通頻范圍（0～60Hz）以外。因此，在路面譜單獨(dú)作用下摩托車在任何路面上行駛都不會(huì)有共振現(xiàn)象發(fā)生。下面以這一頻段中除剛體模態(tài)以外的前兩階彈性模態(tài)為例予以分析：第一階模態(tài)是頻率為67.8Hz的車架前部的左右扭轉(zhuǎn)模態(tài)，最大相對(duì)位移發(fā)生在前斜梁與發(fā)動(dòng)機(jī)連接部位；第二階模態(tài)是頻率為78.18Hz的車架整體的一階彎曲模態(tài)，最大相對(duì)位移發(fā)生在車架尾部。各階振型圖如圖2所示。從車架前6階振型變化可以看出，車架后部變形較大，是相對(duì)薄弱的環(huán)節(jié)。
表1 實(shí)驗(yàn)固有頻率與計(jì)算固有頻率對(duì)比
圖2 車架各階模態(tài)示意圖
從表1可知，理論計(jì)算所得的固有頻率與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相對(duì)誤差絕對(duì)值均小于5％，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，因此在設(shè)計(jì)階段采用有限元方法對(duì)其進(jìn)行分析優(yōu)化是必要的。
下面分析理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在差異的原因：
首先是約束條件存在誤差。在實(shí)驗(yàn)過程中采取自由狀態(tài)．即用彈性繩將車架掛起，實(shí)際上這是一種近似的自由模態(tài)，而計(jì)算時(shí)未加任何約束，為理想的自由狀態(tài)。兩種狀態(tài)的不同可能引起數(shù)值偏差，但是不大。其次，為了便于計(jì)算，對(duì)車架自身存在的非線性因素假定為線性系統(tǒng)進(jìn)行求解，不可避免地要產(chǎn)生一些誤差，這樣也會(huì)引起理論與實(shí)際的差異。
3、整車造型設(shè)計(jì)
整車覆蓋件油泥模型的造型設(shè)計(jì)是與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行的，待其完成后，需先進(jìn)行油泥模型的3D建模，再在裝配環(huán)境中進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而完成整車的虛擬裝配。
3.1 快速測量點(diǎn)云數(shù)據(jù)
利用Atos流動(dòng)式測量儀可以快速準(zhǔn)確地掃描測量整個(gè)油泥模型，同時(shí)使用立柱式測量機(jī)在模型上建立整車坐標(biāo)系。以整車坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，進(jìn)行輪廓測量，包括覆蓋件分割線、特征線；與此同時(shí)在覆蓋件上粘接定位球并測量球心坐標(biāo)，再用掃描設(shè)備測量覆蓋件，依靠定位球球心坐標(biāo)將掃描數(shù)據(jù)拼合到整車坐標(biāo)系下，便于曲面整體造型。用IMAGEWARE軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，處理完成的數(shù)據(jù)如圖3。
圖3 油泥模型點(diǎn)云的數(shù)據(jù)處理
3.2 覆蓋件3D建模
摩托車的覆蓋件形狀復(fù)雜，三維模型曲面的光順程度直接影響到產(chǎn)品的外觀質(zhì)量，所以曲面建模工作量及難度大、技術(shù)性要求高。進(jìn)行單個(gè)零部件設(shè)計(jì)時(shí)，先將測量的點(diǎn)云按照曲面造型劃分成多個(gè)面片，然后針對(duì)每一個(gè)曲面分別構(gòu)造網(wǎng)格線生成NURBS曲面。當(dāng)全部曲面生成后，采用倒圓角或橋接等方式將零散的片體拼接成一個(gè)整體，再對(duì)整個(gè)片體進(jìn)行光順檢查，對(duì)不符合要求的曲面進(jìn)行多次調(diào)和修整，最后完成一個(gè)符合造型要求的曲面模型。覆蓋件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)十分重要，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否合理直接影響到整車的外觀質(zhì)量，因此在設(shè)計(jì)時(shí)除應(yīng)遵循工程塑料零件的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)外，還要注意以下幾點(diǎn)：
1）覆蓋件之間的連接設(shè)計(jì)：
①連接方式一般有導(dǎo)向與限位加螺釘連接及卡扣式連接等；
②車架在焊接時(shí)會(huì)有一定的偏差，因此在設(shè)計(jì)時(shí)相互之間約束不能過多。否則會(huì)導(dǎo)致覆蓋件之的間隙難以控制（見圖4）；
③覆蓋件與車架的連接要用減震膠墊，不能有硬性接觸；
④用U型夾片的部位需設(shè)計(jì)凹槽限位，以避免安裝時(shí)夾片隨螺釘旋轉(zhuǎn)；
⑤設(shè)計(jì)塑料件時(shí)在相互連接的地方需考慮設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋。
圖4 外飾件之間的連接設(shè)計(jì)
2）塑料件壁厚的確定：設(shè)計(jì)塑料件時(shí)應(yīng)盡可能使壁厚均勻。因塑料件在成型過程中冷卻時(shí)有收縮，過厚的地方會(huì)收縮不均勻產(chǎn)生氣泡和導(dǎo)致外表面有明顯收縮變形，在急劇過渡處甚至?xí)a(chǎn)生裂紋，所以加強(qiáng)筋的厚度一般為壁厚的1/3～1/2，圓柱底孔厚度設(shè)計(jì)為0.8～1mm。
3）油箱的設(shè)計(jì)：由于油箱開模比較復(fù)雜，生產(chǎn)過程中不利于控制，所以在不改變整車造型風(fēng)格的情況下表面圓角應(yīng)盡量加大；油箱口在設(shè)計(jì)時(shí)要設(shè)計(jì)排水孔（見圖5）。
圖5 油箱口
4）脫模斜度的考慮：
①一般脫模斜度為1°～3°；
②在3D設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)預(yù)先定好脫模方向，盡量沿脫模斜度方向設(shè)計(jì)，以減步滑塊結(jié)構(gòu)；
③在設(shè)計(jì)過程中要對(duì)模型結(jié)拘進(jìn)行脫模分析，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)修改。
4、整車虛擬裝配
在所有3D模型建立完成后。以車架為基礎(chǔ)，依次將各總成3D模型按照定位關(guān)系裝配到車架上，檢查各總成之間在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)下是否發(fā)生干涉，間隙是否合理，如圖6所示。
圖6 整車虛擬裝配
5、結(jié)論
本文以125-1A型摩托車為例，介紹分析了摩托車設(shè)計(jì)的流程，表明采用這種方式，即：造型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同時(shí)進(jìn)行，通過樣車和油泥模型的3D設(shè)計(jì)與分析以及整車的虛擬裝配．可大大縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，最大限度地降低試制成本，既保證了高質(zhì)量的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，又為摩托車企業(yè)提前贏得市場提供了保障。
