船用低速柴油机焊接机架的参数化设计

2020-08-05姚玉欣李孝连李涛涛

柴油机设计与制造 2020年1期

姚玉欣，李孝连，李涛涛

(1. 中船动力研究院有限公司，上海 201206；2. 上海柴油机股份有限公司，上海 200438)

0 引言

随着焊接技术的发展，造船，船用主机、车辆、工程机械等制造行业广泛采用焊接结构，这是机械制造工艺发展的重要趋势。在一些工业发达的国家，焊接结构件已占机械部件的40%左右。由于焊接件设计简单、制造周期短、成本低、经济效益好，焊接结构件将越来越多地替代铸造件和锻造件，成为重要大型设备的关键部件[1]。因此，研究船用低速柴油机焊接机架的参数化设计及简化零部件的建模，可提高设计效率，降低设计成本，为企业带来更多的经济效益。

1 UG/WAVE技术主要功能

UG软件是一款参数化产品开发的综合软件，为船用柴油机产品的设计和制造全过程提供解决方案。本文主要利用基于UG软件的WAVE(what-if alternative value engineer)技术对焊接机架进行参数化设计。UG/WAVE技术是参数关联设计技术，将参数化造型及系统工程有机地融为一体，通过在装配件的某一个组件中引用其他组件的几何对象(如草图、基准、曲线、面、实体等)形成链接，以这些链接作为新的特征来进行当前零件的结构设计或者定位，这样就实现了一个装配件中各个组件之间的几何关联。在设计时，以树状层级关系来描述产品模型之间的关联。在装配的顶层定义设计框架、总体尺寸及零件布局，而在底层进行零件的详细设计。这样允许设计者在高层产品设计发生变化时自动更新底层零件[2]，实现上层总体设计和下层细节设计的并行。当产品模型设计完成后，对于结构相似的产品，只需要在表达式中修改相应的参数，便可快速生成满足设计要求的模型，大幅度提高设计效率。

2 船用低速柴油机机架结构简介

船用柴油机在结构上都比较相似，主要固定机件有机座、机架和气缸体，称之为三大件。机架坐落于机座上部，与机座形成曲柄回转空间(曲柄箱)；机架上端支撑气缸体，与气缸体形成活塞连杆的运动空间。由此可见，机架作为受力为主的部件，需要有足够的强度和刚度。船用柴油机机架采用刚性整体箱式焊接结构，结构紧凑、重量轻便、结合面较少，使加工制造容易、安装简单，也改善了曲柄箱的密封性。图1是某型船用低速柴油机机架结构。

图1 某型船用低速柴油机机架结构

3 焊接机架结构分析

采用UG/WAVE技术进行建模前，必须首先分析机架产品结构，从而建立合适的焊接加工关系。焊接机架从制造过程角度分析，可分为5个阶段。(1)零件毛坯落料：焊接前加工准备；(2)中间体子部件焊接：将大导板、支撑板、筋板等零件毛坯焊接为一体；(3)两侧板子部件焊接：将侧板、托架支撑板、法兰板等零件毛坯焊接为一体；(4)机架焊接：中间体子部件、两侧板子部件、上下面平板焊接成箱式机架；(5)机架焊后加工：整副机架去除最后的余量，加工上下平面、侧板法兰面等。

焊接机架制造可分为3个步骤：零件毛坯加工、机架装配焊接和焊后加工。焊接工作则是将加工后的零件或组件装配成型。设计的难点在于零件种类多、数量多、加工的中间状态多，加工部位除了上下面平板去除余量之外，还包括中间体大导板的加工铣平、钻孔等；甚至同种零件，不同部位的加工尺寸也会不相同。因此考虑到机架的复杂性，本方法采用主草图文件和UG/WAVE链接的方式(见图2)：建立不同加工状态下相互关联的多层几何3维模型，尽可能减少在装配中需要链接的实体，以减少后续设计对实体特征的操作，确保在初始设计阶段就能对机架整体和零件详细设计有统一的把握，实现焊接机架从零件到最终装配的参数化建模，并且完成2维工程图纸的关联。

图2 焊接机架设计流程示意

4 焊接机架的参数化设计

4.1 总体框架搭建

根据焊接机架的特点和设计难点，搭建以草图驱动为核心的自顶向下的模型。先在设计顶层设置以缸数和缸心距为基本参数的表达式表格，再运用草图绘制装配状态下的焊接板形状，侧板、大导板、筋板、支撑板等位置和形状关系，使其均在焊接机架模型的基础上层层展开，如图3所示。比如Amount_of_Cylinders=缸数、Cylinder_Distance=缸心距、Column_Height=机架高度、Column_Top_Width=机架顶部宽度等。按照焊接关系建立新组件，并将框架草图WAVE链接到最底层的零件中进行详细设计。

图3 框架草图与参数表达式

4.2 详细设计要点

4.2.1 零件设计

底层零件WAVE链接了总体框架状态下的草图，根据草图分别设计零件毛坯落料状态下的实体。原则是，先建立主体特征，然后在主特征基础上对孔、倒角等其他辅助特征进行建模，再使用提升体的操作创建不同状态的焊接准备特征处理(如需要)，并导入不同图层和引用集。通常，将装配模型实体导入图层1，第1层焊接准备实体导入图层2，第2层焊接准备实体导入图层3。在相应的加工或者焊接模型中，只需要调用相应的引用集并显示对应的图层即可。

4.2.2 组件阵列装配

组件阵列装配采用部件间表达式来实现驱动。部件间表达式可以利用一个部件中的某个表达式定义另一个部件中的某个表达式。因此，通过部件间表达式可以实现同一个装配模型中不同部件的特定结构关联。依据在顶层设置的以缸数和缸心距为基本参数的表达式，建立相同组件阵列所需的与缸数和缸心距相关联的参数表达式。这样在顶层修改缸数或者缸心距的数值时，相同组件阵列的数量和位置就会改变。方便后续设计类似结构的机架，只需改动相应的参数，即可实现组件数量和位置的变动。

运用部件间表达式链接，可以对所有特征都建立起部件间的关联，但是应避免发生部件间循环引用的情况。因此本方法所有的部件间表达式关联均以缸数和缸心距为基本参数，即所有表达式均关联缸数或缸心距参数。

4.2.3 零件位置的表达式if函数控制

机架的侧板结构通常为左右镜像对称，从建模角度分析，左侧和右侧平板的草绘布置图完全一样，而在Y-Z平面上左右沿Z轴对称布置。为了用同一个参数化模型来分别表达左侧和右侧平板，随时实现平板的左右转换，这里引入了一个控制旋向的表达式：mirroring=1或0[3]，将其嵌入相应的草图表达式中，结合部件间的表达式链接和UG自带的if函数，只需修改表达式mirroring的参数即可完成零件的左右镜像装配。

4.2.4 焊接机架的机加工设计

机架焊接完成后，进行WAVE链接体的操作，然后在链接体上完成加工的所有步骤。通常一个焊接机架由几百个零件焊接而成，也就意味有几百个链接体。为了快速地识别不同链接体及后续链接体的加工，对链接体进行分类就显得格外的重要。

首先，按照需加工和无需加工分类，将无需加工操作的零件链接体放入Free Linked Bodies的特征组。其次，将有加工需求的零件链接体按照位置和用途进行分类。如十字头滑块轨道的加工，托架支撑面的加工，机架顶、底平面的加工，机架自由端、驱动端平面的加工。最后，根据分类完成相应零件链接体部分的机加工操作。机架加工链接体分类的树状层级详见图4。不仅树状层级结构清晰，而且分类链接体加工操作简单，也方便后续零件的替换和加工的改动。