基于Creo的汽車膨脹水箱設計方法

張 丹，劉帥帥

（陜西華臻車輛部件有限公司，西安 710200）

0 引言

膨脹水箱是汽車冷卻系統的重要部件，它的主要功能是為冷卻液提供膨脹空間，補給冷卻液損失，使冷卻系統成為一個密閉的空間，隔絕空氣進入，避免冷卻系統內部零件氧化腐蝕。同時，穩定系統內部壓力，提高水泵出水量。因此膨脹水箱對整個冷卻系統是否正常運轉至關重要。

膨脹水箱設計中，容積可根據冷卻系統需求計算，但外形受整車布置影響，產品造型多為不規則體；同時，膨脹水箱大部分是由半透明塑料PP制成，殼體通過注塑成型，內置十字擋板，通過熱板焊接工藝連接成一個整體，結構復雜。因此，在膨脹水箱三維設計中，模型容積無法直接測量，通常模型設計完成后，再填滿容積進行校對，需要反復修改，直至產品滿足設計容積，工作效率極低。

基于以上認識，為提高產品設計效率，減少重復性工作，確定以下設計思路：首先根據客戶需求計算膨脹水箱容積；其次根據邊界條件，通過三維設計軟件Creo的Top-Down設計建立產品外形輪廓骨架模型，并通過骨架模型傳遞設計信息，分別完成零件設計；最后，通過Creo行為建模模塊建立膨脹水箱容積與外形尺寸之間的關系，最終確定產品容積及最優尺寸。

1 基于Creo的膨脹水箱設計方法

1.1 確定膨脹水箱理論容積

國內卡車主機廠對現有膨脹水箱設計容積有明確的要求：包含膨脹容積，儲備容積，最低液位必備容積，其中“冷態滿”液位以上的膨脹容積必須介于冷卻系統總容積的6%到12%之間，膨脹容積過小，導致溢出浪費，容積過大，不利于冷卻系統內部壓力建立，導致冷卻液沸騰和水泵穴蝕；儲備容積約占冷卻系統總容積的10%左右；最低液位必備容積即防止空氣通過加注管進入冷卻系統的最低液位，一般根據經驗判斷[1，2]。箱體上需明顯標記“冷態滿”時的最高液位線MAX，以及防凍液最低液位線MIN。

1.2 通過Top-Down設計建立產品模型

現行注塑膨脹水箱分為上下殼體，內部分布加強筋，設計方法是先建立產品零件（不同的人來完成），再進行裝配，裝配干涉或設計變更，需對上/下殼體不斷進行重復修改，反復裝配驗證，保證配合一致，造成時間和人員的浪費，工作效率極低；Top-Down的設計思想（以Creo為例），通過定義頂層的設計意圖（骨架）并從產品結構的頂層向下傳遞信息到有效的子裝配或零件中。產品確定設計意圖后，可先進行結構及三維空間規劃，再通過共享設計信息建立零件，設計變更時只需要改動骨架，子裝配及零部件就會隨之變化；同時，骨架模型一般按照靜態安裝位置繪制，零件可在裝配模式下參考骨架模型建立，無需再進行裝配[3]。如圖1所示。

圖1 傳統設計流程與Top-Down設計流程

在膨脹水箱設計中的應用步驟是：

1）建立骨架模型，然后發布零件幾何；

2）在裝配模式下，分別創建零件，復制幾何傳遞設計信息；

3）分別完成上殼體，下殼體結構設計。

1.3 通過Creo行為建模進行模型分析優化

膨脹水箱設計中，產品結構確定后需通過最原始的方式，對產品模型容積反復測量，尺寸反復修改，最終達到設計目標容積，工作量極大，效率低。

Creo行為建模是新一代目標導向智能型模型分析工具，它能對模型進行多種分析，并將分析結果應用到模型中去，獲得最佳設計方案[4，5]。膨脹水箱設計中，以膨脹水箱容積為目標值，通過Creo行為建模容積分析可快速確定產品體積和外形尺寸；針對不規則產品，可將整個高度范圍內容積以高度-容積的圖形模式顯示，精準確定各高度處容積，方便確定各腔體體積[6]。

具體步驟是：

1）設定目標容積，通過Creo行為建模進行容積分析，確定產品外形尺寸最優組合；

2）使用UDA（用戶自定義）分析特征，得到容積沿高度變化的圖形函數，獲得某一高度尺寸處容積，快速確定各腔體容積（MIN/MAX線位置）。

2 基于Creo的膨脹水箱設計實例

2.1 膨脹水箱容積計算

對某款重型卡車膨脹水箱進行設計，冷卻系統總容積約為72.2L，膨脹水箱目標容積如下：

式(1)中，V1為膨脹容積；V2為儲備容積；V3為最低液位必備容積，估算約為3.5L；V為膨脹水箱總容積。

膨脹水箱分為上下兩個殼體，總容積為上、下殼體容積總和，參考邊界，下殼體設計高度86.5mm，容積目標值為7.15L，上殼體設計高度92.5mm，容積目標值8.55L。

2.2 建立骨架，零件設計

建立膨脹水箱總成骨架后，通過發布幾何約束可被零件參考的曲面、鏈、參考等，未發布的幾何不能被引用，從而使上殼體和下殼體建立時互相之間獨立，不會出現交互引用導致的錯誤。

2.2.1 建立骨架模型

發布幾何，如圖2所示。

圖2 膨脹水箱骨架及骨架模型樹

2.2.2 建立零件

復制幾何，如圖3、圖4所示。

圖3 膨脹水箱上殼體

圖4 膨脹水箱下殼體

2.2.3 零件結構設計

如圖5、圖6所示。

圖5 膨脹水箱上殼體

圖6 膨脹水箱下殼體

2.3 容積分析，尺寸優化

該案例中通過Creo行為建模分別對上殼體、下殼體進行容積分析，在設定目標體積的前提下，完成產品設計尺寸優化。

以下殼體設計為例：

2.3.1 容積優化

1）通過“分析”---“測量”—“體積”分別確定下殼體抽殼前后體積。

抽殼前體積：MEASURE_VOLUME_1

抽殼后體積：MEASURE_VOLUME_2

2）進入行為建模模塊，下殼體容積VOL通過“分析”命令里的“關系”約束。

VOL=ONE_SIDED_VOLUME：FID_MEASURE_VOLUME_1-ONE_SIDED_VOLUME：FID_MEASURE_VOLUME_2，即下殼體容積等于抽殼前體積減去抽殼后體積。

3）通過“分析”中的敏感度分析，可得到下殼體容積與設計高度，設計寬度的關系，優化設計尺寸。

如圖7所示，底部臺階高度H設計在59mm時，容積可達到預期的7.15L。

圖7 臺階高度敏感度分析結果

如圖8所示，底部臺階寬度W設計在65mm時，容積可達到預期的7.15L。

圖8 臺階寬度敏感度分析結果

4）通過“分析”中的可行性/優化分析，可確定目標體積下，多個外形尺寸的最優解。

設定下殼體目標體積為VOL，臺階高度尺寸H，寬度尺寸W為變量，參考步驟3）中的尺寸，對H，W尺寸進行范圍約定；

通過可行性優化分析，H=60.19mm，W=64.96mm時，VOL=7.15mm，如圖9所示。

圖9 體積與變量優化分析結果

通過上述可行性分析，可以準確定義產品尺寸和容積大小。

2.3.2 確定MIN線

使用UDA（用戶自定義）分析特征設定域點范圍為下殼體整個高度，測量過域點平面MIN以下容積，可以得到下殼體容積沿整個高度方向變化的圖形函數。該膨脹水箱最低液位容積為3.5L，從圖形中獲取MIN線在下殼體高度方向的0.3處，即距離下殼體底面向上86.5×0.3=25.95mm處，如圖10、圖11所示。

圖10 下殼體體積測量

圖11 沿高度變化的容積曲線

3 結語

在膨脹水箱設計過程中，使用Creo軟件，通過Top-Down設計建立骨架模型，約束零件之間的空間位置，避免設計干涉，同時傳遞設計信息，最大限度減少設計中出現的重復性修改。使用Creo行為建模模塊進行容積分析，以容積為目標，尺寸為變量，實現尺寸優化設計，通過UDA分析獲得容積沿整個高度方向變化的圖形函數，確定各腔體容積。利用該方法可提高設計師工作效率，減少設計工作量，大大縮短設計周期。