基于UG的新型汽车发动机简易模型设计

酒康炜

基于UG的新型汽车发动机简易模型设计

酒康炜

（武汉理工大学 国际教育学院，湖北 武汉 430070）

为满足广大学生学习、了解新型发动机内部构造、工作原理的愿望，利用UG NX12.0设计了一款新型车用发动机的简易模型，可以用作桌面摆件。该模型基本具备了发动机的所有结构，还原度较高，并且采用半剖开式结构，收藏者可以从外部一目了然地看到发动机内部结构。模型的核心机、风扇叶片可以转动，把发动机的工作方式更直观地呈现出来，同时增加了模型的趣味性。该模型是一件寓教于乐，集装饰、收藏、科普等价值于一身的收藏品。

新型车用发动机；简易模型；UG；模型设计

发动机被誉为“工业皇冠上的明珠”，其内部设计之复杂、对材料性能要求之高、加工难度之大是其他工业产品所不能企及的。近年来中国工业取得了巨大成就，但发动机依然是制约中国工业发展的最大瓶颈。为了激发广大青少年对发动机的兴趣，同时满足爱好者收藏一款发动机模型的愿望，市面上非常需要一款大小适中、价格适中、做工细节良好的发动机模型。

1 设计思路

该新型车用发动机大致包括以下几个部分：进气道、风扇、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管。这个模型在定位上属于小尺寸，低仿真度模型，只求把航空发动机的主要零部件、工作原理呈现出来即可，不过分追求细节上的完美。

1.1 总体尺寸

考虑到模型主要用作桌面摆件，因此不能过于占用空间，方便手握，因此长度被定在100 mm，半径定在65 mm左右，约为一筒卷纸大小。同时为了方便摆放，笔者为其设计了一个基座加两个支架，平时模型可摆放在支架上，需要擦拭、把玩时可以取下。

1.2 进气道与尾喷管设计

进气道分为外涵道和内涵道。现实中的航空发动机进入外涵道的空气只经过风扇，进入内涵道的空气经过风扇后，依次经过低压压气机、高压压气机，在燃烧室与油料混合燃烧，然后经过高压涡轮和低压涡轮，最后从尾喷管喷射出去。因此在设计过程中要注意外涵道要包裹整个风扇，而内涵道则要包裹住整个核心机部分，同时固定核心机。外涵道与内涵道之间要有支架连接，这些支架要强度足够，同时要尽量减少空气阻力。尾喷管与内涵道连为一体，越接近尾部，尾喷管的厚度越小。整体结构要流畅，面与面连接处倒圆角以尽量减少空气阻力，保证空气顺利流过。

1.3 核心机设计

核心机包括风扇、压气机、燃烧室和涡轮。由于风扇、压气机和涡轮的空间几何特征比较复杂，这部分零件建模难度较大。在设计中常采用连接空间曲线的方法形成空间曲面，之后再用另一个片面去截取这个曲面，最后把叶片加厚，再做阵列特征即可。

1.4 底座设计

底座由一个基底和两个支架组成。出于美观考虑，基底采用拔模和倒圆设计，支架呈Y字形，用于承受模型的重量。值得注意的是，支架的上端半径要与整流罩的截面半径相一致，否则支架与整流罩不能紧密配合，会导致放置不稳。

2 建模过程

为了方便装配，建模过程应遵循从内到外，从复杂到简单的过程，一环扣一环，即先对核心机建模，再到内涵道、外涵道，最后是底座。

2.1 核心机建模

主轴：在确定了发动机的整体尺寸后，就可以确定主轴的整体长度参数，通过UG的旋转命令可以快速做出主轴的形状。

风扇：在Y-Z平面上创作草图，画出一条曲线，再把曲线投影到主轴曲面上。在距离主轴25 mm的地方添加新的基准平面，在上面做草图画出另一条曲线，注意要与主轴曲面上的曲线成一定角度。画出叶片大致形状，完成草图后拉伸形成一个与曲面相交的片面。使用“修剪体”命令切除曲面上多于片面的部分。隐藏片面，利用“加厚”命令使被截取后的曲面形成一个薄片，最后再绕主轴做阵列特征，即可完成风扇的建模。

低压压气机：低压压气机做法与风扇大致相当，但基准平面距离主轴的位置有所不同，另外由于是5级机组，要先

横向做一次线性阵列特征，再绕主轴做圆形阵列特征。

高压压气机：高压压气机的做法与低压压气机相类似，在此不多做赘述。

燃烧室：燃烧室是空气与油料混合燃烧的地方，这部分的截面积应比其他部分要大，因此做在主轴上做挖槽处理即可，用回转和布尔命令中的“减去”可以实现。

高压涡轮：这部分内容与风扇的建模过程相类似，在此不多做赘述。

低压涡轮：低压涡轮的建模过程与之前的相类似，唯一不同的地方在于它是在一个锥形曲面上生成曲面。

合并、上色处理：最后对整个核心机进行上色处理，把不同部件合并为一个零件，之后进行隐藏图层处理，即可完成核心机部分的建模。

核心机如图1所示。

图1 核心机示意图

2.2 整流罩建模

2.2.1 内涵道与尾喷口建模

根据先前已经做好的核心机尺寸参数，可以确定内涵道的长度和局部截面半径。尤其需要注意不能与低压压气机叶片相重叠，其尺寸参数不容易控制。另外，为了把核心机固定在内涵道上，内涵道与核心机的高、低压压气机叶片应刚好接触，即内涵道在这个截面上的半径与核心机一致，这样才能使核心机既能被固定，同时也可以转动。通过回转功能可以实现上述要求，但画草图过程应十分严谨。完成内涵道建模之后应先与核心机进行一次组装，以检验它们之间的配合程度，发现设计建模不合理的地方，及时修改。

2.2.2 外涵道建模

外涵道建模相对于内涵道较为简单，唯一要注意的就是不能与风扇叶片重叠。在参考大量现实中发动机整流罩图片后，可以基本确定外涵道的内外面分别由两段圆弧组成，首尾以直线相连并倒圆角，以减小空气阻力。

2.2.3 支架建模

为固定内、外涵道的相对位置，之间应有支架相连。现实中发动机工作过程中空气从外涵道高速流过，支架一方面要有足够的强度承受压力，另一方面应尽量减少空气阻力对它的影响。因此笔者将其截面设计为两段圆弧相交形成的封闭图形，中间厚，两边薄，这种形状有利于支架承受正面气流对它造成的压力。支架分为前支架和后支架两组，要注意选取内涵道外壁合适的位置做连接处。

2.2.4 整流罩剖开

将整流罩剖开120°，留下240°，方便观察发动机的内部结构。利用拉伸命令和布尔“减去”可以实现上述要求。

总装剖视如图2所示。

图2 总装剖视图

2.2.5 合并、上色处理

最后对整个整流罩进行上色处理，把不同部件合并为一个零件，之后进行隐藏图层处理，即可完成整流罩部分的建模。完成整流罩后应把它与核心机再进行一次试装配，以检验外涵道与风扇叶片配合情况。

2.3 底座建模

底座建模相对于前两部分较为简单。通过拉伸、拔模、倒圆角、布尔求和等命令即可完成。值得注意的是，由于整流罩不同的截面半径不同，要先分析出整流罩上受支撑的截面，利用“分析”模块中的“局部半径”功能测量整流罩相应位置的局部半径，使底座支架的圆弧半径与之相等，这样才能使底座的支架与整流罩外壳配合，使摆放稳固。最后对底座进行上色处理，把不同部件合并为一个零件，之后进行隐藏图层处理，即可完成底座部分的建模。

3 装配

完成对三个零件的建模后，即可对整个模型进行总装。应注意在UG装配环境下如果直接导入核心机部件会把先前隐藏的片体一同导入装配，因此应先对核心机的片体进行隐藏处理，并创建新的引用集，在装配中导入新的引用集，即可解决这个问题。依次导入核心机、整流罩和底座，由于建模时坐标不统一，导入底座时要对其位置进行调整，使之正好处于整流罩下方，支撑位置紧密接触。完成装配后可以得到效果图，完成新型发动机简易模型的设计。

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V235.13

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.052

2095－6835（2020）14－0126－02

〔编辑：王霞〕