2 - 2005

Возможности моделирования двигателя внутреннего сгорания с применением системы T-FLEX CAD 3D

Андрей Яковенко

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) является сложной системой, в связи с чем его расчет и анализ весьма трудоемки. Сегодня в связи с развитием систем твердотельного моделирования появилась возможность упрощения процессов проектирования как двигателя целиком, так и его отдельных компонентов. Кроме того, при использовании встроенных операций в комплексах твердотельного моделирования возможно получение информации, которая до этого находилась путем сложных расчетов, занимавших много времени. Например, с помощью операции «Характеристики» в системе T-FLEX CAD 3D можно определить следующие параметры: площадь поверхности, объем, массу, положение центра масс относительно выбранной системы координат, а также моменты инерции относительно осей заданной системы координат. Указанная информация является весьма ценной для качественного проектирования ДВС, а трудоемкость ее получения при ручном проектировании или при работе в системах 2D-проектирования несопоставимо выше. Кроме того, определение необходимых характеристик в системах плоского моделирования весьма сложно автоматизировать.

В данной статье рассмотрены работы по моделированию отдельных механизмов ДВС и полученные результаты по автоматизации проектирования ДВС на кафедре «Теплотехника и автотракторные двигатели» Московского автомобильно-дорожного института (МАДИ (ГТУ)). На кафедре в течение длительного времени накоплен большой опыт по созданию САПР «ДВС». В рамках данной деятельности для отработки подходов к построению этой САПР и для уточнения методик проектирования перед студентами по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» была поставлена задача смоделировать отдельные механизмы реально существующего двигателя внутреннего сгорания. В качестве прототипа был выбран двигатель ВАЗ-21083. На основании имеющихся чертежей общего вида были смоделированы параметрические модели кривошипно-шатунного механизма (КШМ), механизма газораспределения (МГР) и привода распределительного вала.

Система T-FLEX CAD содержит обширный набор функций для решения поставленной задачи. В частности, возможность вставки как 2D-, так и 3D-фрагментов позволяет создавать модели двигателей нужной компоновки, будь то линейная или V-образная. А использование диалогов для вставки фрагментов позволяет специалистам быстро создавать отдельные компоненты САПР, которые будут использоваться многими проектировщиками. При решении поставленной задачи данная возможность очень важна. Можно создавать двумерные чертежи и трехмерные модели отдельных деталей механизмов, а потом формировать ДВС нужной компоновки. Если потребуется заменить, например, поршень, то благодаря поддержке системой механизма функциональных замен вся задача сведется лишь к изменению названия файла фрагмента. При этом все взаимосвязи между элементами сборки сохранятся.

Указанная задача решалась нами в несколько этапов:

1. Создание двумерных чертежей и трехмерных моделей отдельных деталей.

2. Создание двумерных и трехмерных сборок первого уровня.

3. Создание сборок механизмов КШМ и МГР без привода распределительного вала.

4. Создание сборки механизмов КШМ и МГР вместе с приводом распределительного вала.

5. Анимация полученных сборок КШМ, МГР и КШМ, МГР и привод распределительного вала.

Рассмотрим более подробно каждый этап.

Создание двумерных чертежей и трехмерных моделей отдельных деталей

Для выполнения поставленной задачи студенты были объединены в три группы. Одна группа моделировала КШМ, другая — МГР без привода распределительного вала, третья — привод распределительного вала. Все работы производились с использованием двух чертежей общего вида, где были обозначены размеры отдельных деталей. На данном этапе студенты сначала обучались навыкам работы в системе T-FLEX CAD, а потом приступали к работе. При моделировании отдельных деталей узлов необходимо было достичь максимальной параметризации чертежей, а T-FLEX CAD в полной мере предоставляет такие возможности. В результате были созданы двумерные параметрические чертежи отдельных элементов двигателя и их трехмерные модели (рис. 1, 2, 3).

Создание двумерных и трехмерных сборок первого уровня

На основе полученных моделей были созданы сборки первого уровня отдельных узлов в механизмах двигателя: поршневой группы и группы шатуна в КШМ, клапанные узлы, привод распределительного вала. Здесь следует особо отметить возможность разбирать данные сборки с помощью специальной команды «Разборка», что дает наглядное представление об устройстве сборочного узла (рис. 4, 5, 6, 7).

Создание сборок механизмов КШМ и МГР

На данном этапе моделирования создавались сборки отдельных механизмов (рис. 8, 9, 10). Эти элементы называются сборками второго уровня, так как в их составе, помимо обычных фрагментов, наличествуют и сборки первого уровня.

Создание сборки механизмов КШМ и МГР вместе с приводом распределительного вала

Это самый сложный этап всей операции моделирования, но не в плане сборки, а в плане обеспечения такого взаимного положения всех смоделированных элементов, чтобы они соответствовали реальной картине при движении механизмов.

Данный и следующий этапы были выполнены под руководством доцента кафедры Татьяны Юрьевны Кричевской. Сборка создавалась с помощью уже упомянутой операции вставки фрагментов с использованием трех файлов, содержащих по отдельности КШМ, МГР без привода распределительного вала и привод распределительного вала. После вставки соответствующих фрагментов в их переменные записывались необходимые выражения для того, чтобы осуществить правильность установки фаз газораспределения в соответствии с их реальными значениями. Общий вид сборки представлен на рис. 11.

Анимация полученных сборок КШМ, МГР, КШМ и МГР и привода распределительного вала

Параллельно с созданием параметрических чертежей и трехмерных моделей указанных механизмов проводилась их анимация, которая осуществлялась следующим образом. В КШМ задавалась переменная, задающая угол поворота коленчатого вала, а на чертеже КШМ эта переменная присваивалась реальному углу между кривошипом коленчатого вала и осью цилиндра. Далее в процессе создания каркасной схемы КШМ все последующие построения связывались с указанным углом. После этого в диалоговом окне операции «Анимация» в качестве изменяемой переменной задавалась переменная угла, затем указывались диапазон значений (как правило, два оборота, то есть 720°), шаг анимации и некоторые дополнительные параметры, например название камеры, с которой осуществлялась запись, название файла, в который осуществлялась запись анимации, название кодека для записи и т.д.

Анимация МГР имела некоторые отличия: за основу был выбран поворот распределительного вала, задавались законы движения клапанов и фазовый сдвиг, соответствующий порядку работы цилиндров двигателя.

При создании анимации сборки «КШМ, МГР и привод МГР» основной переменной являлся угол поворота коленчатого вала, к которому привязывались переменные соответствующих фрагментов. Кроме того, проверялась правильность установки фаз газораспределения.

После анимации указанных механизмов, сборки и записи видеороликов с анимацией мы сделали фильм, в котором были представлены не только вышеназванные видеоролики с анимацией, но и видеоролики, показывающие работу отдельных деталей и узлов механизмов. Этот фильм вместе с другими работами кафедры «Теплотехника и автотракторные двигатели» был продемонстрирован на выставке достижений МАДИ (ГТУ) в июне прошлого года и вызвал интерес у посетителей.

В заключение хотелось бы еще раз отметить, что возможности T-FLEX для моделирования всего двигателя и его отдельных деталей и механизмов очень широки и что этот комплекс предоставляет для решения данной задачи обширный набор инструментов, который к тому же динамично расширяется. Большая часть работ была выполнена студентами дома в учебной версии системы T-FLEX CAD, которая свободно распространяется разработчиком «Топ Системы» (www.topsystems.ru).

По итогам применения системы T-FLEX CAD 3D на нашей кафедре можно сделать следующие выводы:

1. За год использования системы T-FLEX CAD 3D разработаны методы формализованного 3D-описания применительно к поршневому двигателю внутреннего сгорания.

2. Созданы макеты отдельных модулей моделирования конструкции ДВС.

3. Отработана методика обучения студентов навыкам коллективного проектирования деталей и механизмов ДВС.

4. На основе полученного опыта была разработана программа дальнейших работ по созданию САПР ДВС на основе системы T-FLEX CAD 3D, которая включает создание моделей других систем двигателя (в частности, планируется создание модели системы питания дизельного двигателя, моделирование процессов, происходящих при работе системы).

«САПР и графика» 2'2005