Siemens PLM Sortware征文：基于UG的汽车发动机盖锁虚拟设计与分析

 1、前言

    汽车发动机盖锁属于发动机盖的附件，是具有独立功能的部件。其功能旨在使其安全锁闭，并保证机罩与车身的相对位置在行车中不得自动开启[1]。发动机盖锁的结构包括锁本体、内开机构和安全锁三部分。发动机盖锁按其锁体结构划分，可分为钩子锁、舌簧锁及卡板锁三种形式[1]。本文以某种车型的发动机盖锁为例进行研究，该车型的发动机盖锁属于卡板锁，它的工作原理是：发动机盖锁靠钩扣定位，采用辅助挂钩与卡板双重锁紧机构。其优点在于：使用可靠，不易自动脱开，大大提高了汽车行驶的安全性。发动机盖锁相对于汽车门锁等，其发展还具有一定差距。如何突破机械结构的局面，并向人性化、数字化的方向发展，将成为发动机盖锁的发展前景。

    虚拟样机技术（Virtual Prototype Technology）是在计算机的虚拟现实中实现设计、分析与制造的技术，强调在产品投产之前完成设计与制造过程的相关分析，保证制造实施的可行性。在汽车设计领域，虚拟样机技术是指在计算机里应用三维设计软件建立样车模型并对之进行一系列的性能模拟仿真。其中虚拟样机（virtual prototyping，VP）就是利用计算机仿真技术，建立与物理样机相似的模型，通过优化、集成和仿真测试得到关于该样机的性能描述[2] [3] [4]。虚拟样机技术是在数字化设计的背景中得以实现的，它依赖于三维数字模型的准确性和参数化特性，从而可以快速地进行分析仿真,来实现设计方案的优化。它强调数字化的产品模型及其产生过程，将二维图纸表达的设计构思演变成基于三维实体模型的虚拟产品（虚拟样机），建立起数字化设计平台。因为此项技术在汽车开发上的巨大作用，使其在汽车设计领域得到了迅速发展和广泛应用。在汽车行业里，很多汽车制造商从虚拟样机技术的应用中获得了巨大的收益。

    本文以UG软件为设计研究平台，UG软件是集CAD/CAM/CAE功能于一体的软件集成系统。运用其复合建模、钣金建模、虚拟装配等相关参数化设计方法，建立发动机盖锁的虚拟样机模型，并运用UG的Motion模块进行运动学仿真分析，发挥虚拟样机软件的特长。虚拟样机技术可以减少实物模型和样机的投入，避免设计缺陷，缩短产品开发周期，降低产品开发成本和制造成本。

    2、盖锁虚拟样机模型的建立

    本文研究的发动机盖锁属于卡板锁，主要由锁体、卡板、辅助挂钩、锁紧手柄、锁环、辅助挂钩回位弹簧、锁紧手柄回位弹簧、卡板回位弹簧和卡板回位弹簧钩块组成。虚拟样机技术的核心问题是虚拟样机模型的建立，虚拟样机模型应是参数化的实体模型，只有这样才能满足用户不断修改从而最终实现产品的最优设计或变形产品设计的要求。本文首先对已有车型卡板锁实物模型的工作原理及结构进行分析，对其主要部件进行测量，然后通过UG软件建立各个部件的三维实体模型。准确的物理模型和方便的建模方法是应用虚拟样机技术的关键。在各个部件的建模过程中，主要运用了建立草图（Sketch）、成型特征（Form Feature）、自由形状特征（Free Form Feature）以及钣金特征（Sheet Metal Feature）等功能。

    2.1 汽车发动机盖锁的锁体模型建立

    汽车发动机盖锁的锁体结构比较复杂，是典型的钣金部件。利用UG钣金设计模块创建和制作了汽车发动机盖锁的锁体模型。Sheet Metal Feature（板金特征）菜单中的General Flange（通用弯边）特征、Sheet Metal Bend（钣金折弯）特征、Sheet Metal Punch（钣金冲压）特征、Sheet Metal Bead（钣金筋槽）、Sheet Metal Bridge（钣金桥接）特征等功能被广泛地运用到了汽车发动机盖锁的锁体建模中。汽车发动机盖锁的锁体模型，如图1所示。应用UG软件的参数化建模方法建立各个部件的参数化实体模型，为后续的设计分析、修改模型打下坚实的基础，从而不断提高汽车发动机盖锁的设计水平和质量。

图1 锁体模型

    2.2 汽车发动机盖锁的虚拟装配

    应用UG软件的虚拟装配模块建立汽车发动机盖锁的虚拟样机模型。完成发动机盖锁的各个部件的虚拟样机模型的建立后，就可以进行虚拟装配了。本文采用自底向上的方法进行虚拟装配，使用配对约束、对齐约束、正交约束、角度约束、平行约束、中心对齐约束、距离约束等约束条件建立配对条件，这样一旦部件的虚拟样机模型改变，产品的虚拟装配模型即汽车发动机盖锁的虚拟样机模型将随着改变，实现了真正意义的参数化设计。汽车发动机盖锁的虚拟样机模型即总装配效果图和装配导航器如图2和3所示。

              
图2    虚拟样机模型                                图3  装配导航器

    3、汽车发动机盖锁的虚拟分析

    本文主要对汽车发动机盖锁进行虚拟运动分析，为了方便研究和分析，建立了四个运动分析方案scenario1、scenario2、scenario3、scenario4。每种分析方案对应着一个装配排列。分析时若发现干涉或间隙过大等问题，可以及时修改虚拟样机模型，然后在进行分析直至满意为止，充分发挥虚拟样机技术的优点，缩短产品开发周期，降低产品开发成本。