基于UG的新型汽車發動機簡易模型設計

酒康煒

基于UG的新型汽車發動機簡易模型設計

酒康煒

（武漢理工大學 國際教育學院，湖北 武漢 430070）

為滿足廣大學生學習、了解新型發動機內部構造、工作原理的愿望，利用UG NX12.0設計了一款新型車用發動機的簡易模型，可以用作桌面擺件。該模型基本具備了發動機的所有結構，還原度較高，并且采用半剖開式結構，收藏者可以從外部一目了然地看到發動機內部結構。模型的核心機、風扇葉片可以轉動，把發動機的工作方式更直觀地呈現出來，同時增加了模型的趣味性。該模型是一件寓教于樂，集裝飾、收藏、科普等價值于一身的收藏品。

新型車用發動機；簡易模型；UG；模型設計

發動機被譽為“工業皇冠上的明珠”，其內部設計之復雜、對材料性能要求之高、加工難度之大是其他工業產品所不能企及的。近年來中國工業取得了巨大成就，但發動機依然是制約中國工業發展的最大瓶頸。為了激發廣大青少年對發動機的興趣，同時滿足愛好者收藏一款發動機模型的愿望，市面上非常需要一款大小適中、價格適中、做工細節良好的發動機模型。

1 設計思路

該新型車用發動機大致包括以下幾個部分：進氣道、風扇、壓氣機、燃燒室、渦輪和尾噴管。這個模型在定位上屬于小尺寸，低仿真度模型，只求把航空發動機的主要零部件、工作原理呈現出來即可，不過分追求細節上的完美。

1.1 總體尺寸

考慮到模型主要用作桌面擺件，因此不能過于占用空間，方便手握，因此長度被定在100 mm，半徑定在65 mm左右，約為一筒卷紙大小。同時為了方便擺放，筆者為其設計了一個基座加兩個支架，平時模型可擺放在支架上，需要擦拭、把玩時可以取下。

1.2 進氣道與尾噴管設計

進氣道分為外涵道和內涵道。現實中的航空發動機進入外涵道的空氣只經過風扇，進入內涵道的空氣經過風扇后，依次經過低壓壓氣機、高壓壓氣機，在燃燒室與油料混合燃燒，然后經過高壓渦輪和低壓渦輪，最后從尾噴管噴射出去。因此在設計過程中要注意外涵道要包裹整個風扇，而內涵道則要包裹住整個核心機部分，同時固定核心機。外涵道與內涵道之間要有支架連接，這些支架要強度足夠，同時要盡量減少空氣阻力。尾噴管與內涵道連為一體，越接近尾部，尾噴管的厚度越小。整體結構要流暢，面與面連接處倒圓角以盡量減少空氣阻力，保證空氣順利流過。

1.3 核心機設計

核心機包括風扇、壓氣機、燃燒室和渦輪。由于風扇、壓氣機和渦輪的空間幾何特征比較復雜，這部分零件建模難度較大。在設計中常采用連接空間曲線的方法形成空間曲面，之后再用另一個片面去截取這個曲面，最后把葉片加厚，再做陣列特征即可。

1.4 底座設計

底座由一個基底和兩個支架組成。出于美觀考慮，基底采用拔模和倒圓設計，支架呈Y字形，用于承受模型的重量。值得注意的是，支架的上端半徑要與整流罩的截面半徑相一致，否則支架與整流罩不能緊密配合，會導致放置不穩。

2 建模過程

為了方便裝配，建模過程應遵循從內到外，從復雜到簡單的過程，一環扣一環，即先對核心機建模，再到內涵道、外涵道，最后是底座。

2.1 核心機建模

主軸：在確定了發動機的整體尺寸后，就可以確定主軸的整體長度參數，通過UG的旋轉命令可以快速做出主軸的形狀。

風扇：在Y-Z平面上創作草圖，畫出一條曲線，再把曲線投影到主軸曲面上。在距離主軸25 mm的地方添加新的基準平面，在上面做草圖畫出另一條曲線，注意要與主軸曲面上的曲線成一定角度。畫出葉片大致形狀，完成草圖后拉伸形成一個與曲面相交的片面。使用“修剪體”命令切除曲面上多于片面的部分。隱藏片面，利用“加厚”命令使被截取后的曲面形成一個薄片，最后再繞主軸做陣列特征，即可完成風扇的建模。

低壓壓氣機：低壓壓氣機做法與風扇大致相當，但基準平面距離主軸的位置有所不同，另外由于是5級機組，要先

橫向做一次線性陣列特征，再繞主軸做圓形陣列特征。

高壓壓氣機：高壓壓氣機的做法與低壓壓氣機相類似，在此不多做贅述。

燃燒室：燃燒室是空氣與油料混合燃燒的地方，這部分的截面積應比其他部分要大，因此做在主軸上做挖槽處理即可，用回轉和布爾命令中的“減去”可以實現。

高壓渦輪：這部分內容與風扇的建模過程相類似，在此不多做贅述。

低壓渦輪：低壓渦輪的建模過程與之前的相類似，唯一不同的地方在于它是在一個錐形曲面上生成曲面。

合并、上色處理：最后對整個核心機進行上色處理，把不同部件合并為一個零件，之后進行隱藏圖層處理，即可完成核心機部分的建模。

核心機如圖1所示。

圖1 核心機示意圖

2.2 整流罩建模

2.2.1 內涵道與尾噴口建模

根據先前已經做好的核心機尺寸參數，可以確定內涵道的長度和局部截面半徑。尤其需要注意不能與低壓壓氣機葉片相重疊，其尺寸參數不容易控制。另外，為了把核心機固定在內涵道上，內涵道與核心機的高、低壓壓氣機葉片應剛好接觸，即內涵道在這個截面上的半徑與核心機一致，這樣才能使核心機既能被固定，同時也可以轉動。通過回轉功能可以實現上述要求，但畫草圖過程應十分嚴謹。完成內涵道建模之后應先與核心機進行一次組裝，以檢驗它們之間的配合程度，發現設計建模不合理的地方，及時修改。

2.2.2 外涵道建模

外涵道建模相對于內涵道較為簡單，唯一要注意的就是不能與風扇葉片重疊。在參考大量現實中發動機整流罩圖片后，可以基本確定外涵道的內外面分別由兩段圓弧組成，首尾以直線相連并倒圓角，以減小空氣阻力。

2.2.3 支架建模

為固定內、外涵道的相對位置，之間應有支架相連。現實中發動機工作過程中空氣從外涵道高速流過，支架一方面要有足夠的強度承受壓力，另一方面應盡量減少空氣阻力對它的影響。因此筆者將其截面設計為兩段圓弧相交形成的封閉圖形，中間厚，兩邊薄，這種形狀有利于支架承受正面氣流對它造成的壓力。支架分為前支架和后支架兩組，要注意選取內涵道外壁合適的位置做連接處。

2.2.4 整流罩剖開

將整流罩剖開120°，留下240°，方便觀察發動機的內部結構。利用拉伸命令和布爾“減去”可以實現上述要求。

總裝剖視如圖2所示。

圖2 總裝剖視圖

2.2.5 合并、上色處理

最后對整個整流罩進行上色處理，把不同部件合并為一個零件，之后進行隱藏圖層處理，即可完成整流罩部分的建模。完成整流罩后應把它與核心機再進行一次試裝配，以檢驗外涵道與風扇葉片配合情況。

2.3 底座建模

底座建模相對于前兩部分較為簡單。通過拉伸、拔模、倒圓角、布爾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徑不同，要先分析出整流罩上受支撐的截面，利用“分析”模塊中的“局部半徑”功能測量整流罩相應位置的局部半徑，使底座支架的圓弧半徑與之相等，這樣才能使底座的支架與整流罩外殼配合，使擺放穩固。最后對底座進行上色處理，把不同部件合并為一個零件，之后進行隱藏圖層處理，即可完成底座部分的建模。

3 裝配

完成對三個零件的建模后，即可對整個模型進行總裝。應注意在UG裝配環境下如果直接導入核心機部件會把先前隱藏的片體一同導入裝配，因此應先對核心機的片體進行隱藏處理，并創建新的引用集，在裝配中導入新的引用集，即可解決這個問題。依次導入核心機、整流罩和底座，由于建模時坐標不統一，導入底座時要對其位置進行調整，使之正好處于整流罩下方，支撐位置緊密接觸。完成裝配后可以得到效果圖，完成新型發動機簡易模型的設計。

［1］潘慕絢，陳強龍，周永權，等.渦扇發動機多動力學建模方法［J］.航空學報，2019（5）：99-110.

［2］陳建軍.渦扇發動機的工作原理及應用綜述［J］.時代汽車，2018（5）：115-116.

［3］錢德峰.大涵道比民用渦扇發動機部件級建模技術研究［D］.南京：南京航空航天大學，2010.

［4］韓流，劉振俠，呂亞國，等.基于虛擬現實技術的航空渦扇發動機仿真系統［J］.計算機仿真，2009，26（12）：57-61.

V235.13

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2020.14.052

2095－6835（2020）14－0126－02

〔編輯：王霞〕