“活塞计算机模拟分析软件”是根据活塞产品的设计特点和企业的经验积累,经过工程技术人员的系统分析、总结和艰辛努力,企业独立承担并自行设计完成的。首先,建立了发动机性能参数数据文件和国内外典型的活塞设计参数数据文件,奠定了活塞设计的基础;其次,充分发挥UGIICAD/CAE/CAM软件先进的特征三维造型功能和优秀的二次开发平台,实现活塞组件的三维特征数据模型;最后,将活塞的有限元分析技术有机地结合进软件中,形成了活塞结构设计、三维特征造型、有限元评价三位一体的活塞计算机模拟分析软件。此软件主要由以下三部分组成:

1.1　活塞结构设计

完成发动机参数的录入、活塞结构参数的计算以及国内外典型活塞数据的录入、修改、删除等数据库管理工作。

1.2　活塞组三维造型

首先,参照设计标准,完成活塞主体、销孔、燃烧室、环槽等活塞体素的三维造型,产生活塞整体三维特征数据模型;其次,完成镶钢片、镶铁环、活塞销、连杆等三维特征数据模型;最后,完成整个活塞组件的三维特征数据模型。

1.3　活塞有限元分析

完成分析模型的简化,材料特性值的输入,实体网格的自动划分以及载荷的输入工作;完成活塞温度场、热负荷、机械负荷的分析计算工作;完成活塞温度场、热负荷、机械负荷分析结果的评价工作。

2　软件设计

软件设计包括软件的总体设计、对话界面设计、参数数据库的设计、活塞的结构计算、活塞组件的三维特征设计以及活塞的有限元分析评价等方面。软件设计的主要工作,由UGII软件的GRIP和UFUN开发语言完成,活塞结构计算、数据库的管理、建立三维模型和活塞组件装配等模块的程序结构区别较大,难以综合描述。现以建立活塞体素模型的模块为例,加以说明。

2.1　源程序结构

＄＄Programname:piston　model.grs
＄＄Declaration
　gripsw/declrv
string/p　code(11),p　name(20)
number/resp
　　＄＄Initialize
submdl=pistonmodelclassname
subject=pistonmodelname
＄＄Createtemporaryvariables
＄＄Readthedefaultpointerfile
fetch/txt,1,temp(1),iferr,halt:
read/1,iferr,halt:,p　code,p　name
fterm/txt,1,iferr,halt:
＄＄Closeallpartfiles
fterm/part,all,iferr,halt:
step1:
＄＄Checkwhetherthereisapiston　model
errstr=Unknownerror
grargs/f　name,f　type,errstr,re　code,iferr,halt:
xspawn/ufun,ufun　tmp
＄＄Createapistonmodel
…
…
halt:
＄＄Done
halt

2.2　程序流程图

程序流程图如图1所示。

3　软件操作

以一种自行设计的活塞为例,将该软件的应用过程描述如下:开始→输入发动机参数→计算活塞结构参数→活塞体素的三维造型→产生活塞整体模型→活塞销等的三维造型→产生活塞组件模型→输入活塞组材料特性值→有限元网格划分→施加活塞载荷→有限元分析计算→有限元分析结果评价→结束。

4　软件特点

　　根据活塞的结构特点,选用高水准的开发应用平台,充分发挥UG软件的综合优势,力求做到高效而实用。在设计中,主要运用了以下几项关键技术:

4.1　设计平台

以HP系列工作站和UGIIV11CAD/CAE/CAM软件为该软件设计平台,应用GRIP和USER-FUNCTION语言作为二次开发工具;选用HP-UX10.1汉化版,实现活塞体素命名、菜单名称和提示汉字化。

4.2　用户界面设计

软件主菜单用USERTOOLS工具开发完成,菜单的图形和汉字双重提示,简明而自然;活塞体素的汉字提示,更方便于设计师的准确选择和快速数据录入。

4.3　内嵌式设计

采用内嵌式的设计方法,可以直接调用UG功能模块,作为软件的功能补充和扩展,达到专业化与灵活性的有机结合。

4.4　体素拼合法

由于活塞的结构较为复杂,整个活塞进行参数化不可行。需要根据活塞的构造特点,将其分成燃烧室、环槽、油孔等二十类构件,称为体素;每类构件包含有多种具体种类的模块,例如:燃烧室包括有球形、ω形、方形、梅花形等模块。应用这些活塞体素,产品设计师就能迅速地构造出具体的活塞整体。

4.5　参数继承性

利用UG软件所提供的强大装配功能,将各活塞体素装配起来,产生活塞整体,做到活塞参数的有效继承。

4.6　良好的扩充性

考虑到在应用过程中,活塞体素会不断增加,运用数据库技术,使得活塞体素的增减不受软件程序的制约。

5　结论

该软件顺利地通过了国家科委组织的项目鉴定和验收,受到与会领导和专家学者的一致好评。在发动机零部件中,活塞承受的热负荷和机械负荷最为苛刻。活塞设计的好坏,将直接影响到发动机能否达到高性能、低排放、低油耗、低成本等要求。面对严格的法规和激烈的竞争,用户既要求提高活塞的质量,又要求缩短产品的开发时间。为了适应这一形势,应用有限元分析技术模拟活塞工作状况,预测和评价其性能的工作,日益受到人们的关注。