本文介紹了虛擬制造技術及其分類，探討了以設計為中心的虛擬制造技術在汽車零部件研發中的實踐，利用該技術，以柴油發動機VE型分配泵為研究對象，重點分析了傳動部件易斷裂問題，研究內容涉及產品全生命周期的各個階段，包括虛擬樣機設計、虛擬樣機運動學動力學仿真、虛擬裝配、有限元分析和零件虛擬加工仿真等，并對研究結果進行了實驗驗證，結合企業實際，給出了解決方案。
1 引言
VE型分配泵自20世紀70年代誕生于德國BOSCH公司以來，在國際上得到廣泛應用，已成為高速中小型柴油機噴油系統的首選。近年來，國內引進的一批柴油機均配裝VE型分配泵，如南汽的索菲姆系列、二汽的康明斯系列、北汽和江鈴的五十鈴系列等，伴隨這些柴油機的國產化，國內企業通過引進技術生產的VE型分配泵卻在國產化過程中遇到了困難：國產部件結構強度和可靠性方面達不到國際標準，集中表現為產品使用壽命達不到要求、產品質量不穩定等；最為嚴重的是傳動軸、十字塊、端面凸輪等零件在工作過程中發生斷裂，零部件的斷裂情形如圖1所示，國內對VE型分配泵研究起步較晚，大多處于理論階段。如果按照傳統的方法分析運動件斷裂的原因，并將改進的產品迅速投向生產，對企業來說是個難題。本文引入了近年來隨著制造業信息化進程而發展起來的虛擬制造技術，并探討虛擬制造技術在汽車零部件業的應用模式和解決方案。
(1)定義
虛擬制造是實際制造在計算機上的本質實現，即采用計算機建模與仿真技術，在高性能計算機及高速網絡的支持下，在計算機上群組協同工作，通過三維模型及動畫或虛擬現實，實理產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗，以及企業各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程，以增強裁造過程各級的決策與控制能力。
由此可見，虛擬制造是面向產品全生命周期的，它應用于從產品開發、生產、使用直至再制造的全過程，具有系統集成性、符合并行工程、高度的分布合作以及面向敏捷制造等特征，虛擬制造通過利用仿真技術、網絡技術等新技術為人們營造出一個與現實生活相似的虛擬的環境和將要生產出的產品相同功能的虛擬樣機，在這個虛擬的環境下，通過對虛擬樣機的控制可反映出將來真實的產品在現實的世界的各種狀態，以幫助科技人員、管理人員、生產人員乃至最終的消費者在未得到真實的產品之前就做出全局最優化的決策。
(2)分類
虛擬制造的研究涉及產品全生命周期中的各個方面，可以分為三個不同的類別：以設計為中心的虛擬制造、以生產為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。以設計為中心的虛擬制造是將虛擬制造應用于產品設計和工藝設計的過程，主要是為設計者提供產品設計的科學性和制造可行性的評估環境；以生產為中心的虛擬制造是將虛擬制造應用于生產組織過程中，目的是優化配置生產制造過程的資源和合理編排生產計劃；以控制為中心的虛擬制造是將虛擬制造應用于生產控制過程中，用以優化制造過程和車間控制。
本文主要研究以設計為中心的虛擬制造技術在VE型分配泵中的應用。以設計為中心的虛擬制造的主要核心技術包括特征造型、面向數學的模型設計及加工過程的仿真技術；主要應用領域包括造型設計、熱力學分析、運動學分析、動力學分析、容差分析和加工過程仿真等。
3 VE型分配泵的應用
本文的工作重點是研究將虛擬制造技術應用于汽車零部件業，解決企業在VE型分配泵國產化中所遇到的問題。適合企業實際的虛數制造系統體系結構和研究流程如圖2所示。具體的實施步驟如下：
Step1.進行產品的虛擬設計，三維建模為后續CAE、CAPP和CAM提供數據源。
Step2.進行運動機構的運動學和動力學分析，運動學分析可以優化產品傳動機構的運動配合關系，產生的運動學分析結果速度和加速度用于動力學分析；動力學分析產生的機構受力狀況用于有限元分析。
Step3.將上述結果輸入有限元分析中進行關鍵結構有限元分析。
Step4.依據有限元分析結果進行結構優化設計，并將優化結果重新進行各種分析。
Step5.進行產品的虛擬裝配、關鍵件的虛擬加工仿真等，并在分析與優化的各個階段進行各種實驗以驗證各項研究的正確性。
產品虛擬設計是虛擬制造技術的基礎工作，它的重點是三維幾何模型的建立，同時為后續分析、優化設計及各種設計仿真提供產品的數據源。在各類建模工具中，PTC公司的Pro/E軟件不僅建模功能十分強大，還能提供模型的質量、重心、轉動慣量等參數，而且與很多分析類的軟件有專用的接口程序，可以建立無縫鏈接，從而避免數據的丟失。
三維建模要完成的工作主要有建立各零件的三維幾何模型、按照各零件的裝配關系建立裝配體和傳遞模型數據建立各分析模型，VE型分配泵總裝圖如圖3所示，以有限元分析為例，Pro/E模型傳送方式有兩種：(1)由Pro/E建立幾何模型，然后完成網格劃分，最終以ANSYS文件格式.ans輸出模型，由ANSYS讀入該模型并完成后續分析；(2)Pro/E將模型以IGES格式傳輸給ANSYS識別讀取，或用專用接口程序使ANSYS軟件與Pro/E軟件建立無縫鏈接，ANSYS直接讀取Pro/E數據建立分析模型。第一種方法簡單易行，但是對于復雜的零件容易丟失信息并且無法對網格進行修改，本文研究將簡單零件（如傳動軸等）采用第一種方法，復雜零件和裝配體采用第二種方法。
3.2 運動部件的虛擬運動學和動力學仿真
對于產品運動機構的設計，虛擬運動仿真可以使設計的虛擬樣機按功能進行模擬運動，計算出指定構件或指定點的位移、速度和加速度圖形，從而檢查出機構運動的干涉情況，提前對可能出現的動作協調問題做出準確的預測和改進，并且可以將所分析的數據傳遞給有限元分析作為依據條件，因此，通過虛擬運動仿真技術可使運動機構的設計更加合理，做到各運動件的動作協調，避免運動過程發生干涉等問題，從而滿足性能要求。
為滿足現代高速輕型柴油機的發展要求，VE型分配泵的發展越來越高速化、輕型化、精密化。因此只分析其運動規律是不夠的，還必須進行動力學分析。動力學分析研究機械在力的作用下所產生的運動和運動中產生力的規律，動力學分析可分為兩類：運動學的反問題和動力學的正問題。正問題是已知機構的運動狀態和工作阻力，求解輸入扭矩和各運動副的約束反力及其變化規律（即已知運動求力）；而反問題是給定機器的輸入扭矩和工作阻力，求解機器的實際運動規律（即已知力求運動）。
我們采用MSC公司著名的運動學和動力學分析軟件ADAMS作為分析工具，首先，利用ADAMS軟件和Pro/E軟件的接口文件直接相連得到準確的CAD模型和準確的質量參數，即零件的質量、重心位置、慣性矩等，在ADAMS中建立分析模型和運動關系，進行運動仿真分析，得到速度、加速度和位移之間的關系；然后，根據運動學反問題的求解方法，在AVIEW模塊建立運動機構的動力學分析多體模型；最后，用ADAMS軟件的SOLVER模塊求解得出各個部件的位移、速度和加速度曲線及受力狀態，比較和分析各個部件之間的位移、速度和加速度關系，對產品的設計性能進行分析，驗證產品的設計指標是否得到滿足，并為有限元分析提供轉矩、反力等載荷邊界條件。盡管動力學分析能夠確定運動件的相互動力關系和作用力，但不能分析零件的應力，只能借助有限元分析軟件來完成。
3.3 有限元分析
有限元分析是虛擬制造技術的重要內容之一，通過有限元分析研究VE型分配泵傳動件斷裂的成因及其變化規律，才能找到解決措施，虛擬制造體系下的有限元分析過程如圖4所示，有限元分析從CAD系統獲得分析的幾何模型，從運動學、動力學分析系統中分別獲取分析的邊界條件和載荷，對產品進行結構靜力分析、動力學分析，以得到應力、應變的變化規律和振動的頻率特性等，具體步驟如下：
Step1.確定分析的類型，根據結構和斷裂的特點，按照非線性、接觸問題分析；
Step2.確定材料的屬性，在有限元分析前處理程序中選擇單元類型，并自適應地劃分網格，建立計算模型；
Step3.求解計算模型，進行靜力或動力分析計算，有限元分析后處理程序生成并顯示計算所得盼應力、應變和振型等。
在結構靜力分析以后，本文研究了傳動機構的有限元模態分析。因為在工作時分配泵諸多零部件相互接觸，承受著極為復雜的載荷，其動態特性對分配泵的整體性能影響尤為重要，對結構動態特性的研究主要有兩種基本方法：一種為有限元分析的方法，另一種為模態試驗分析方法。本文采用有限元數值計算和實驗測試相結合的方法，用模態試驗分析的結果驗證有限元分析的正確性，以得到含有結構參數的、精確的有限元模型。動力學有限元分析主要包括兩方面的內容：(1)分析結構的固有頻率和固有振型，從而判斷結構的固有頻率是否與外界激勵頻率接近，判斷固有振型對結構關鍵部位是否有不利影響；(2)計算結構對發動機振動激勵下的動態響應，判斷其是否超過設計要求。用有限元分析方法對設計結構進行動態特性預測，輔之必要的結構修改，并以實驗加以驗證，可以獲得較好的動態工作性能，圖5所示為有限元研究結果與實驗結果的對比分析，其中，X坐標表示實驗測試部位，Y坐標表示施加扭矩，Z坐標表示零件受應力值；15N·m，25N·m和35N·m為實驗數據，后兩個35N·m，90N·m為有限元分析數據。
虛擬裝配是虛擬制造技術的關鍵技術之一，它通過對產品裝配結果和裝配過程進行仿真分析，輔助設計人員、管理人員等對產品的可裝配性做出預測、評價和驗證，從而做出正確的工程決策。虛擬裝配包括裝配工藝規劃、裝配性能分析、裝配過程驗證等內容；其目的是在產品設計初期就考慮優化裝配結構、改善可裝配性的根本途徑，對降低裝配成本和產品總成本尤為重要。
我們采用法國達索集團DELMIA公司的DPM裝配過程仿真(DPM Assembly)作為虛擬裝配工工具。具體實施步驟如下：
Step1.利用企業標準工藝草擬一個裝配工藝；
Step2.利用DELMA與Pro/E的專用接口程序將產品的三維模型和工藝數據引入到每個裝配工序中；
Step3.對每道工序加仿真行為定義細化高層工藝；
Step4.選擇要仿真的工序和工藝仿真命令進行裝配工藝仿真；
Step5.仿真中加入碰撞檢查和裝配公差檢驗；
Step6.最優化裝配方案生成裝配工藝文檔。
在裝配仿真過程中配以數據手套、立體眼鏡、數據頭盔、位置跟蹤器和大視角投影系統等硬件就可以對裝配仿真的過程進行操作，有很強的沉浸感。
3.5 關鍵件的加工仿真
企業對虛擬加工技術的實際要求是必須減少加工編程人員的工作量，免去煩瑣的工藝計算，縮短在機床上的調試時間，在保證零件加工精度前提下提高工作效率和準確性，我們對VE型分配泵進行了虛擬加工的研究，利用虛擬產品模型，可以對產品的加工過程仿真和評價制造出的產品與設計產品之間的差別，并可根據毛坯切削的過程和結果來評價設計產品的可制造性問題，檢驗數控代碼指揮的數控機床可能產生的刀具與工件、刀具與夾具、刀具與加工工作臺之間的碰撞與干涉等問題。
我們選用商用軟件MASTERCAM 9.0作為加工仿真的工具。利用IGES格式轉換將Pro/E建立的CAD模型傳送到CAM中，在CAM中選擇加工方式確定粗加工精加工方案：確定刀具參數；選擇刀具種類；確定刀具的切削參數，生成刀具路徑及走刀次數；檢查刀具干涉情況；最后生成數控NC代碼輸出給機床，模擬加工過程生成加工過程仿真動畫。經過虛擬加工，可以檢測、驗證實際加工的可行性，通過選擇合適的環境、虛擬機床等手段，還可得到更逼真的虛擬效果。
4 實驗驗證
近年來，虛擬制造技術中的虛擬實驗技術發展很快，它可以大大地節省時間和實驗費用。但是現實中的實驗驗證還是必不可少的，因為有限元分析都是以離散化的思想模擬真實的情況，所以與實際情況存在著理論誤差，影響理論誤差大小的因素有分析類型、網格類型、網格數目和材料參數等，以實驗驗證這些參數的選擇的正確性，輔之必要的有限元的模型參數的修改，可以獲得較好的分析結果，提高有限元分析的置信度。
對于VE型分配泵這樣結構緊湊的部件，實驗驗證要測量它在高速旋轉中的應力、應變是很難實現的。為此，我們設計了兩種實驗：分配泵傳動軸、十字塊、端面凸輪等主要零部件多工況下的結構靜應力測試，分配泵傳動件及裝配體的模態測試。
4.1 結構靜力分析試驗
結構應力試驗主要測試傳動軸、十字塊、端面凸輪結構在連接部位所承受的靜應力。具體步驟如下：
Step1.固定試驗的部件；
Step2.確定試驗的載荷；
Step3.布置應變片的位置；
Step4.構建測試系統。
4.2 模態試驗
模態試驗是在有限元模態分析基礎上，對傳動件的固有振動特性進行分析，重點在于測試系統的固有頻率、固有振型等模態參數，固有頻率表示在哪個頻率區間下系統會產生共振，固有振型表示在相應頻率下系統的相對變形。只有實驗的結果與模態實驗值相吻合，才能證明有限元所建模型正確，且所得的數據為下一步對產品進行優化設計和分析奠定基礎。試驗模型在CRAS模態分析系統中建立，如圖7所示。
(1)通過對分配泵傳動系統模態試驗分析，我們得出構件的6階固有頻率和振型。由于試驗是用少數點響應的集中平均值來擬合機體的振動模態，因此有些局部模態可能反映不出來，但是有限元分析方法可以將所有的模態（整體與局部模態）全都計算出來，這是有限元方法比模態試驗分析得到模態階數多的原因。
(2)若有限元分析和模態試驗分析的相應振型的結果非常接近，說明模型正確，誤差在許可范圍內。
(3)用模態試驗分析與有限元分析技術對現有產品結構進行受迫響應模擬，獲得與實際工作時的振動特性相同的結果，為產品的故障診斷提供有力的理論根據。
5 改進方案與結論
根據上述理論分析、優化設計和實驗測試，我們可以得出傳動系統的受力變化規律：
(1)傳動軸受力最復雜，凸輪應力最大，傳動軸其次，十字塊最小。
(2)傳動軸、十字塊、凸輪的應力最大值均在尺寸突變的根部，顯示出這些部位出現應力集中現象。
(3)模態試驗表明，扭轉彎曲組合交變應力是傳動系統的主要受力狀態，零件的失效破壞形式為在彎扭復合作用下的應力集中部位的疲勞斷裂。
但是，產品的改進方案不僅要考慮理論分析優化計算的結果，還要結合企業實際技術、生產狀況，確保改進方案有良好的加工工藝性，針對受力變化規律，我們提出傳動軸、十字塊、端面凸輪的多種優化設計方案，并對這些優化方案重新進行對比理論分析計算，事實上，任何研究都是這種循環迭代的過程，最后得到較理想的方案如下：
(1)材料的改進。十字塊改為20CrMnTi；傳動軸改為25MnTiBRE；端面凸輪改為20Cr2N14。
(2)結構設計改進。應力集中部位采用雙圓角過渡，一個大圓角導向應力流，小圓角避免應力集中。
(3)加工工藝改進，改進導角的加工方法、熱處理方案和加工工藝順序。
本文解決了企業生產的傳動部件斷裂問題，提出了改進方案，改進樣機通過試車達到了國際標準，并將在江鈴汽車上應用，本文提出了一種VE型分配泵制造業的虛擬制造解決方案，該方案同樣適用于其他汽車零部件業。這些成果對于今后進一步研究以生產為中心的虛擬制造技術打下了堅實的基礎。
虛擬制造是多學科先進技術集成的一種全新的制造模式，本文結合當前虛擬制造研究和應用情況，研究了虛擬制造技術在汽車零部件業的工程應用方法，但是，這只是虛擬制造技術應用的小部分，如果將虛擬現實環境融如到虛擬樣機的分析檢測中將更能反映真實整界的實際情況，在可以預見的將來，隨著虛擬制造技術的發展，它必將給制造業帶來深刻的變革。
1 引言
VE型分配泵自20世紀70年代誕生于德國BOSCH公司以來，在國際上得到廣泛應用，已成為高速中小型柴油機噴油系統的首選。近年來，國內引進的一批柴油機均配裝VE型分配泵，如南汽的索菲姆系列、二汽的康明斯系列、北汽和江鈴的五十鈴系列等，伴隨這些柴油機的國產化，國內企業通過引進技術生產的VE型分配泵卻在國產化過程中遇到了困難：國產部件結構強度和可靠性方面達不到國際標準，集中表現為產品使用壽命達不到要求、產品質量不穩定等；最為嚴重的是傳動軸、十字塊、端面凸輪等零件在工作過程中發生斷裂，零部件的斷裂情形如圖1所示，國內對VE型分配泵研究起步較晚，大多處于理論階段。如果按照傳統的方法分析運動件斷裂的原因，并將改進的產品迅速投向生產，對企業來說是個難題。本文引入了近年來隨著制造業信息化進程而發展起來的虛擬制造技術，并探討虛擬制造技術在汽車零部件業的應用模式和解決方案。
圖1 零部件的三種斷裂情形
(1)定義
虛擬制造是實際制造在計算機上的本質實現，即采用計算機建模與仿真技術，在高性能計算機及高速網絡的支持下，在計算機上群組協同工作，通過三維模型及動畫或虛擬現實，實理產品的設計、工藝規劃、加工制造、性能分析、質量檢驗，以及企業各級過程的管理與控制等產品制造的本質過程，以增強裁造過程各級的決策與控制能力。
由此可見，虛擬制造是面向產品全生命周期的，它應用于從產品開發、生產、使用直至再制造的全過程，具有系統集成性、符合并行工程、高度的分布合作以及面向敏捷制造等特征，虛擬制造通過利用仿真技術、網絡技術等新技術為人們營造出一個與現實生活相似的虛擬的環境和將要生產出的產品相同功能的虛擬樣機，在這個虛擬的環境下，通過對虛擬樣機的控制可反映出將來真實的產品在現實的世界的各種狀態，以幫助科技人員、管理人員、生產人員乃至最終的消費者在未得到真實的產品之前就做出全局最優化的決策。
(2)分類
虛擬制造的研究涉及產品全生命周期中的各個方面，可以分為三個不同的類別：以設計為中心的虛擬制造、以生產為中心的虛擬制造和以控制為中心的虛擬制造。以設計為中心的虛擬制造是將虛擬制造應用于產品設計和工藝設計的過程，主要是為設計者提供產品設計的科學性和制造可行性的評估環境；以生產為中心的虛擬制造是將虛擬制造應用于生產組織過程中，目的是優化配置生產制造過程的資源和合理編排生產計劃；以控制為中心的虛擬制造是將虛擬制造應用于生產控制過程中，用以優化制造過程和車間控制。
本文主要研究以設計為中心的虛擬制造技術在VE型分配泵中的應用。以設計為中心的虛擬制造的主要核心技術包括特征造型、面向數學的模型設計及加工過程的仿真技術；主要應用領域包括造型設計、熱力學分析、運動學分析、動力學分析、容差分析和加工過程仿真等。
3 VE型分配泵的應用
本文的工作重點是研究將虛擬制造技術應用于汽車零部件業，解決企業在VE型分配泵國產化中所遇到的問題。適合企業實際的虛數制造系統體系結構和研究流程如圖2所示。具體的實施步驟如下：
Step1.進行產品的虛擬設計，三維建模為后續CAE、CAPP和CAM提供數據源。
Step2.進行運動機構的運動學和動力學分析，運動學分析可以優化產品傳動機構的運動配合關系，產生的運動學分析結果速度和加速度用于動力學分析；動力學分析產生的機構受力狀況用于有限元分析。
Step3.將上述結果輸入有限元分析中進行關鍵結構有限元分析。
Step4.依據有限元分析結果進行結構優化設計，并將優化結果重新進行各種分析。
Step5.進行產品的虛擬裝配、關鍵件的虛擬加工仿真等，并在分析與優化的各個階段進行各種實驗以驗證各項研究的正確性。
圖2 以設計為中心的VE型分配泵的虛擬制造系統
產品虛擬設計是虛擬制造技術的基礎工作，它的重點是三維幾何模型的建立，同時為后續分析、優化設計及各種設計仿真提供產品的數據源。在各類建模工具中，PTC公司的Pro/E軟件不僅建模功能十分強大，還能提供模型的質量、重心、轉動慣量等參數，而且與很多分析類的軟件有專用的接口程序，可以建立無縫鏈接，從而避免數據的丟失。
三維建模要完成的工作主要有建立各零件的三維幾何模型、按照各零件的裝配關系建立裝配體和傳遞模型數據建立各分析模型，VE型分配泵總裝圖如圖3所示，以有限元分析為例，Pro/E模型傳送方式有兩種：(1)由Pro/E建立幾何模型，然后完成網格劃分，最終以ANSYS文件格式.ans輸出模型，由ANSYS讀入該模型并完成后續分析；(2)Pro/E將模型以IGES格式傳輸給ANSYS識別讀取，或用專用接口程序使ANSYS軟件與Pro/E軟件建立無縫鏈接，ANSYS直接讀取Pro/E數據建立分析模型。第一種方法簡單易行，但是對于復雜的零件容易丟失信息并且無法對網格進行修改，本文研究將簡單零件（如傳動軸等）采用第一種方法，復雜零件和裝配體采用第二種方法。
圖3 VE型分配泵總裝圖
3.2 運動部件的虛擬運動學和動力學仿真
對于產品運動機構的設計，虛擬運動仿真可以使設計的虛擬樣機按功能進行模擬運動，計算出指定構件或指定點的位移、速度和加速度圖形，從而檢查出機構運動的干涉情況，提前對可能出現的動作協調問題做出準確的預測和改進，并且可以將所分析的數據傳遞給有限元分析作為依據條件，因此，通過虛擬運動仿真技術可使運動機構的設計更加合理，做到各運動件的動作協調，避免運動過程發生干涉等問題，從而滿足性能要求。
為滿足現代高速輕型柴油機的發展要求，VE型分配泵的發展越來越高速化、輕型化、精密化。因此只分析其運動規律是不夠的，還必須進行動力學分析。動力學分析研究機械在力的作用下所產生的運動和運動中產生力的規律，動力學分析可分為兩類：運動學的反問題和動力學的正問題。正問題是已知機構的運動狀態和工作阻力，求解輸入扭矩和各運動副的約束反力及其變化規律（即已知運動求力）；而反問題是給定機器的輸入扭矩和工作阻力，求解機器的實際運動規律（即已知力求運動）。
我們采用MSC公司著名的運動學和動力學分析軟件ADAMS作為分析工具，首先，利用ADAMS軟件和Pro/E軟件的接口文件直接相連得到準確的CAD模型和準確的質量參數，即零件的質量、重心位置、慣性矩等，在ADAMS中建立分析模型和運動關系，進行運動仿真分析，得到速度、加速度和位移之間的關系；然后，根據運動學反問題的求解方法，在AVIEW模塊建立運動機構的動力學分析多體模型；最后，用ADAMS軟件的SOLVER模塊求解得出各個部件的位移、速度和加速度曲線及受力狀態，比較和分析各個部件之間的位移、速度和加速度關系，對產品的設計性能進行分析，驗證產品的設計指標是否得到滿足，并為有限元分析提供轉矩、反力等載荷邊界條件。盡管動力學分析能夠確定運動件的相互動力關系和作用力，但不能分析零件的應力，只能借助有限元分析軟件來完成。
3.3 有限元分析
有限元分析是虛擬制造技術的重要內容之一，通過有限元分析研究VE型分配泵傳動件斷裂的成因及其變化規律，才能找到解決措施，虛擬制造體系下的有限元分析過程如圖4所示，有限元分析從CAD系統獲得分析的幾何模型，從運動學、動力學分析系統中分別獲取分析的邊界條件和載荷，對產品進行結構靜力分析、動力學分析，以得到應力、應變的變化規律和振動的頻率特性等，具體步驟如下：
Step1.確定分析的類型，根據結構和斷裂的特點，按照非線性、接觸問題分析；
Step2.確定材料的屬性，在有限元分析前處理程序中選擇單元類型，并自適應地劃分網格，建立計算模型；
Step3.求解計算模型，進行靜力或動力分析計算，有限元分析后處理程序生成并顯示計算所得盼應力、應變和振型等。
圖4 傳動系統（傳動主軸、十字塊、端面凸輪等）有限元分析結果
在結構靜力分析以后，本文研究了傳動機構的有限元模態分析。因為在工作時分配泵諸多零部件相互接觸，承受著極為復雜的載荷，其動態特性對分配泵的整體性能影響尤為重要，對結構動態特性的研究主要有兩種基本方法：一種為有限元分析的方法，另一種為模態試驗分析方法。本文采用有限元數值計算和實驗測試相結合的方法，用模態試驗分析的結果驗證有限元分析的正確性，以得到含有結構參數的、精確的有限元模型。動力學有限元分析主要包括兩方面的內容：(1)分析結構的固有頻率和固有振型，從而判斷結構的固有頻率是否與外界激勵頻率接近，判斷固有振型對結構關鍵部位是否有不利影響；(2)計算結構對發動機振動激勵下的動態響應，判斷其是否超過設計要求。用有限元分析方法對設計結構進行動態特性預測，輔之必要的結構修改，并以實驗加以驗證，可以獲得較好的動態工作性能，圖5所示為有限元研究結果與實驗結果的對比分析，其中，X坐標表示實驗測試部位，Y坐標表示施加扭矩，Z坐標表示零件受應力值；15N·m，25N·m和35N·m為實驗數據，后兩個35N·m，90N·m為有限元分析數據。
1-主軸中部；2-主軸根部；3-主軸撥叉表面；4-十字塊表面； 5-十字塊端面；6-端面凸輪撥叉表面；7-端面凸輪撥叉表面； 8-端面凸輪撥叉根部；9-端面凸輪撥叉根部
圖5 有限元分析與實驗測試對比
虛擬裝配是虛擬制造技術的關鍵技術之一，它通過對產品裝配結果和裝配過程進行仿真分析，輔助設計人員、管理人員等對產品的可裝配性做出預測、評價和驗證，從而做出正確的工程決策。虛擬裝配包括裝配工藝規劃、裝配性能分析、裝配過程驗證等內容；其目的是在產品設計初期就考慮優化裝配結構、改善可裝配性的根本途徑，對降低裝配成本和產品總成本尤為重要。
我們采用法國達索集團DELMIA公司的DPM裝配過程仿真(DPM Assembly)作為虛擬裝配工工具。具體實施步驟如下：
Step1.利用企業標準工藝草擬一個裝配工藝；
Step2.利用DELMA與Pro/E的專用接口程序將產品的三維模型和工藝數據引入到每個裝配工序中；
Step3.對每道工序加仿真行為定義細化高層工藝；
Step4.選擇要仿真的工序和工藝仿真命令進行裝配工藝仿真；
Step5.仿真中加入碰撞檢查和裝配公差檢驗；
Step6.最優化裝配方案生成裝配工藝文檔。
在裝配仿真過程中配以數據手套、立體眼鏡、數據頭盔、位置跟蹤器和大視角投影系統等硬件就可以對裝配仿真的過程進行操作，有很強的沉浸感。
3.5 關鍵件的加工仿真
企業對虛擬加工技術的實際要求是必須減少加工編程人員的工作量，免去煩瑣的工藝計算，縮短在機床上的調試時間，在保證零件加工精度前提下提高工作效率和準確性，我們對VE型分配泵進行了虛擬加工的研究，利用虛擬產品模型，可以對產品的加工過程仿真和評價制造出的產品與設計產品之間的差別，并可根據毛坯切削的過程和結果來評價設計產品的可制造性問題，檢驗數控代碼指揮的數控機床可能產生的刀具與工件、刀具與夾具、刀具與加工工作臺之間的碰撞與干涉等問題。
我們選用商用軟件MASTERCAM 9.0作為加工仿真的工具。利用IGES格式轉換將Pro/E建立的CAD模型傳送到CAM中，在CAM中選擇加工方式確定粗加工精加工方案：確定刀具參數；選擇刀具種類；確定刀具的切削參數，生成刀具路徑及走刀次數；檢查刀具干涉情況；最后生成數控NC代碼輸出給機床，模擬加工過程生成加工過程仿真動畫。經過虛擬加工，可以檢測、驗證實際加工的可行性，通過選擇合適的環境、虛擬機床等手段，還可得到更逼真的虛擬效果。
4 實驗驗證
近年來，虛擬制造技術中的虛擬實驗技術發展很快，它可以大大地節省時間和實驗費用。但是現實中的實驗驗證還是必不可少的，因為有限元分析都是以離散化的思想模擬真實的情況，所以與實際情況存在著理論誤差，影響理論誤差大小的因素有分析類型、網格類型、網格數目和材料參數等，以實驗驗證這些參數的選擇的正確性，輔之必要的有限元的模型參數的修改，可以獲得較好的分析結果，提高有限元分析的置信度。
對于VE型分配泵這樣結構緊湊的部件，實驗驗證要測量它在高速旋轉中的應力、應變是很難實現的。為此，我們設計了兩種實驗：分配泵傳動軸、十字塊、端面凸輪等主要零部件多工況下的結構靜應力測試，分配泵傳動件及裝配體的模態測試。
4.1 結構靜力分析試驗
結構應力試驗主要測試傳動軸、十字塊、端面凸輪結構在連接部位所承受的靜應力。具體步驟如下：
Step1.固定試驗的部件；
Step2.確定試驗的載荷；
Step3.布置應變片的位置；
Step4.構建測試系統。
4.2 模態試驗
模態試驗是在有限元模態分析基礎上，對傳動件的固有振動特性進行分析，重點在于測試系統的固有頻率、固有振型等模態參數，固有頻率表示在哪個頻率區間下系統會產生共振，固有振型表示在相應頻率下系統的相對變形。只有實驗的結果與模態實驗值相吻合，才能證明有限元所建模型正確，且所得的數據為下一步對產品進行優化設計和分析奠定基礎。試驗模型在CRAS模態分析系統中建立，如圖7所示。
圖7 模態試驗系統
圖8 模態試驗體系結構
(1)通過對分配泵傳動系統模態試驗分析，我們得出構件的6階固有頻率和振型。由于試驗是用少數點響應的集中平均值來擬合機體的振動模態，因此有些局部模態可能反映不出來，但是有限元分析方法可以將所有的模態（整體與局部模態）全都計算出來，這是有限元方法比模態試驗分析得到模態階數多的原因。
(2)若有限元分析和模態試驗分析的相應振型的結果非常接近，說明模型正確，誤差在許可范圍內。
(3)用模態試驗分析與有限元分析技術對現有產品結構進行受迫響應模擬，獲得與實際工作時的振動特性相同的結果，為產品的故障診斷提供有力的理論根據。
5 改進方案與結論
根據上述理論分析、優化設計和實驗測試，我們可以得出傳動系統的受力變化規律：
(1)傳動軸受力最復雜，凸輪應力最大，傳動軸其次，十字塊最小。
(2)傳動軸、十字塊、凸輪的應力最大值均在尺寸突變的根部，顯示出這些部位出現應力集中現象。
(3)模態試驗表明，扭轉彎曲組合交變應力是傳動系統的主要受力狀態，零件的失效破壞形式為在彎扭復合作用下的應力集中部位的疲勞斷裂。
但是，產品的改進方案不僅要考慮理論分析優化計算的結果，還要結合企業實際技術、生產狀況，確保改進方案有良好的加工工藝性，針對受力變化規律，我們提出傳動軸、十字塊、端面凸輪的多種優化設計方案，并對這些優化方案重新進行對比理論分析計算，事實上，任何研究都是這種循環迭代的過程，最后得到較理想的方案如下：
(1)材料的改進。十字塊改為20CrMnTi；傳動軸改為25MnTiBRE；端面凸輪改為20Cr2N14。
(2)結構設計改進。應力集中部位采用雙圓角過渡，一個大圓角導向應力流，小圓角避免應力集中。
(3)加工工藝改進，改進導角的加工方法、熱處理方案和加工工藝順序。
本文解決了企業生產的傳動部件斷裂問題，提出了改進方案，改進樣機通過試車達到了國際標準，并將在江鈴汽車上應用，本文提出了一種VE型分配泵制造業的虛擬制造解決方案，該方案同樣適用于其他汽車零部件業。這些成果對于今后進一步研究以生產為中心的虛擬制造技術打下了堅實的基礎。
虛擬制造是多學科先進技術集成的一種全新的制造模式，本文結合當前虛擬制造研究和應用情況，研究了虛擬制造技術在汽車零部件業的工程應用方法，但是，這只是虛擬制造技術應用的小部分，如果將虛擬現實環境融如到虛擬樣機的分析檢測中將更能反映真實整界的實際情況，在可以預見的將來，隨著虛擬制造技術的發展，它必將給制造業帶來深刻的變革。
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