CN110851993B - 一种自顶向下的动力传动辅助系统设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自顶向下的动力传动辅助系统设计方法，涉及装甲车辆动力传动辅助系统技术领域。本发明提供了一种自顶向下的动力传动辅助系统设计方法，从顶层规划，将动力传动辅助系统的结构和性能统一考虑，规划动力传动辅助系统总体方案，建立基于知识的动力传动辅助系统初步模型，对初步模型中子系统主要部件进行仿真，建立多学科动力传动辅助系统参数模型，分析动力传动辅助系统‑子系统‑部件之间的参数关系，针对参数模型进行系统及子系统等仿真、参数模型多维多域耦合仿真、系统方案动态优化分析，最终完成动力传动辅助系统三维模型，进行多学科协同设计。

Description

一种自顶向下的动力传动辅助系统设计方法

技术领域

本发明属于动力传动辅助系统技术领域，具体涉及一种多系统自顶向下的设计方法。

背景技术

随着装甲车辆的发展，对于动力舱内的布置要求越来越集成，重量也趋于轻量化的要求，并且对高原、高寒、热区等多地域的动力传动辅助系统匹配性能要求越来越高。

以往动力传动辅助系统设计没有系统设计尚缺乏自顶向下的动力传动辅助系统设计方法，现有的装甲车辆动力传动辅助系统设计方法单独或是子系统关键部件进行性能校核，然后由部件-子系统-系统-子系统这种自下而上多反复的设计，动力传动辅助系统的子系统均独立考虑，无论性能还是结构均没有对各子系统之间进行分析，也没有对多工况多地域的动力传动辅助系统进行性能分析和设计，从而导致动力舱内布置松散，重量无法有效控制，性能匹配设计也是过多的冗余设计。

发明内容

一、要解决的技术问题

本发明要解决现有的装甲车辆动力传动辅助系统的设计不足，提供一种多系统自顶向下的设计方法。

二、技术方案

本发明提供了一种自顶向下的动力传动辅助系统设计方法，包括以下步骤：

步骤1，在三维通用软件中，输入动力舱尺寸模型，并依据研制总要求分解动力传动辅助系统的设计输入参数及要求动力传动辅助系统达到的指标要求；

步骤2，基于发动机及传动装置的三维模型，确定在动力舱内发动机及传动装置的布置方式及位置，建立基于知识的动力传动辅助系统初步模型；

步骤3，进行动力传动辅助系统初步模型预定主要部件的仿真分析，包括：根据步骤2建立的动力传动辅助系统初步模型中预定主要部件，包括动力传动辅助系统各子系统中功能性部件，根据这些功能性部件的特点，选择仿真软件，进行性能计算，根据计算结果判断这些功能性部件是否能满足步骤1中分解出的指标要求；

步骤4，建立多学科动力传动辅助系统参数模型；

步骤5，根据步骤4建立的参数模型，进行动力传动辅助系统的系统级、子系统级以及部件级的仿真计算；

步骤6，进行基于一维和三维的多维多域仿真；

步骤7，进行动力传动辅助系统方案动态优化；

步骤8，进行动力传动辅助系统多学科协同设计，形成动力传动辅助系统骨架三维模型及文件，进行动力传动辅助系统的各个子系统的工程设计。

优选地，步骤2包括：

步骤2.1：根据装甲车动力输出轴的位置及动力舱空间确定发动机及传动装置的布置方式及位置；

步骤2.2：通过步骤1分解的动力传动辅助系统的设计输入参数及要求动力传动辅助系统达到的指标要求，依据步骤2.1的布置方式及位置，建立动力传动辅助系统初步模型，分析动力传动辅助系统初步模型中预定主要部件性能影响因素，并且确定动力传动辅助系统信息的参数管理和控制方式。

优选地，步骤4包括：

步骤4.1，依据动力传动辅助系统中各子系统的功能性部件组成，建立多学科的动力传动辅助系统完整参数模型；

步骤4.2，依据动力传动辅助系统中各子系统的功能性部件组成，确定动力传动辅助系统信息采集的参数及采集点的位置。

优选地，步骤6包括：步骤6.1，根据步骤5的参数模型，建立一维和三维联合的动力传动辅助系统参数模型；步骤6.2，将步骤1分解的动力传动辅助系统设计输入参数及步骤5的仿真计算结果，作为一维和三维联合的动力传动辅助系统参数模型仿真的约束边界数据；步骤6.3，进行多地域一维和三维耦合仿真计算。

优选地，步骤7包括：步骤7.1，利用步骤6的动力传动辅助系统参数模型，进行不同工况的仿真计算；步骤7.2，根据仿真结果，判断分析步骤6.2中哪些仿真计算使用的约束边界数据对性能匹配的仿真结果影响大于预设阈值，不断调节约束边界数据，优化动力传动辅助系统方案，直至使得动力传动辅助系统布局更加合理且满足预设指标要求；步骤7.3，依据步骤7.2中对仿真计算使用的约束边界数据的判断分析及仿真结果，确定动力传动辅助系统信息采集的参数控制策略。

优选地，步骤2.2.中，还根据以往不同装甲车辆动力传动辅助系统实验结果、子系统仿真结果这些信息构建的数据库知识，建立动力传动辅助系统初步模型；

优选地，步骤4.1中所述多学科动力传动辅助系统完整模型包括力学、流体、结构集成、采集信息多学科设计，各学科设计并不独立，而是从总体角度出发根据动力传动辅助系统功能融合设计。

优选地，步骤3中进行性能计算时，使用Adams、workbench软件仿真软件，进行流体、震动的计算，通过计算得出弹性元件是否满足振动幅值的要求，散热元件阻力及热效率、进气阻力这些性能值。

优选地，步骤6.3中利用GT和workbench等三维CAE仿真软件进行以热流为牵引的散热、加温、润滑、进气这些多地域一维和三维耦合仿真，确定动力传动辅助系统的性能是否满足平原、高热、高寒及高原这些多域多维的性能要求。

优选地，步骤8中，使用协同设计软件PDM，进行动力传动辅助系统多学科协同设计。

三、有益效果

与现有的动力传动辅助系统设计方法相比，本发明切实可行的提出了一种顶向下的顶层规划的系统论设计思想，将动力传动辅助系统的结构和性能统一考虑，规划动力传动辅助系统总体方案，分析动力传动辅助系统-子系统-部件之间的参数关系，根据动力传动辅助系统的能量转换、传递机制，合理进行系统总体方案设计，形成系统参数化模型，通过开展包含的总体集成结构、多域多维性能仿真、多学科协同设计的自顶向下动力传动辅助系统总体设计，最终完成满足需求的动力传动辅助系统。

附图说明

图1是本发明的实施所使用设计方法的流程图；

图2是根据本发明的实施例的动力总成与动力传动辅助系统及动力传动辅助系统子系统关系图；

图3是根据本发明的实施例的动力舱三维模型示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

图1为本实施例中的自顶向下的动力传动辅助系统设计方法的流程图，如图1所示，通过对研制总要求分解动力传动辅助系统及动力传动辅助系统的子系统的技术指标，利用三维工程设计软件从顶层规划，建立动力传动辅助系统的参数模型，利用多维多域耦合仿真技术、动态优化分析，形成合理集成的动力传动辅助系统，使用协同设计软件，进行动力传动辅助系统结构、力学及流体等多学科协同设计，最终完成工程设计。

为更好地理解本发明提供的技术方案，下面以某装甲车辆动力传动辅助系统设计为例，具体描述自顶向下的动力传动辅助系统设计方法，以下实施例仅用于描述本发明，不用于对本发明的限制。

图2所示为根据本发明实施例的动力传动辅助系统及动力传动辅助系统子系统关系图，如图所示，该实施例的动力总成是由发动机、传动装置、动力传动辅助系统等组成，动力总成作为一个整体布置在动力舱中，而动力传动辅助系统是由5个子系统组成。

图3所示为本发明实施例的动力舱和发动机传动装置三维模型，为了保护发动机及传动装置设计，图片上作了马赛克处理。

根据本发明实施例的自顶向下的动力传动辅助系统设计方法，包括以下步骤。

步骤1，根据研制总要求确定出动力传动辅助系统设计输入参数及技术指标，设计参数包含高平原时散热量、冷却介质流量、进气量、振动幅值、冷启动所需要加温功率、不同工况下发动机性能和传动装置散热量等等，技术指标包含动力传动辅助系统总质量、进排气阻力、流阻等等，这些指标用于判断设计过程动力传动辅助系统是否满足研制要求；与协作单位确定动力舱三维，协调时已经确定了动力舱输出轴的位置。

步骤2，基于发动机及传动装置的三维模型，确定在动力舱内发动机及传动装置的布置方式及位置，建立基于知识的动力传动辅助系统初步方案，包括：

步骤2.1：根据装甲车动力输出轴的位置,该输出轴位置需要与发动机及传动装置的输出轴重合，进而根据动力舱空间确定发动机及传动装置时纵置还是横置，然后根据动力舱空间及动力舱开口形状与尺寸，考虑在发动机及传动装置、动力传动辅助系统如果组成动力总成时，从动力舱开口处进行吊落舱时不得干涉等等因素，进而发动机及传动装置位置，本发明实施例中发动机及传动装置采用纵置，中心位置基本与动力舱中心位置重合；

步骤2.2：通过分解的动力传动辅助系统的设计输入参数及要求动力传动辅助系统达到的指标要求，依据以往数据库知识，在步骤2.1的基础上，建立动力传动辅助系统初步方案模型，设计时考虑结构布局紧凑集成，运用结构多功能化，建立发动机及传动装置支撑及减震所需的弹性元件及支架(考虑空气滤总成等结构件及减震需求，进行集成设计)、进排气系统的空气滤总成及排烟管走向、冷却系统中散热元件、风扇选型及加温系统的加温器等，这些元件为动力传动辅助系统的子系统主要部件；考虑到散热元件性能与冷却系统的冷却介质温度有关，也与风扇转速有关，加温器加热到一定温度后效率提升变化不再明显，进排气系统气道走向对阻力影响很大等等方面，确定动力传动辅助系统信息采集空气滤总成后端气体阻力、冷却系统及加温系统监控温度等等参数，对这些参数进行采集管理和确定控制方式。

步骤3，进行动力传动辅助系统主要部件的仿真分析，主要包括：

根据步骤2建立的弹性元件及支架、进排气系统的空气滤总成及排烟管走向、冷却系统中散热元件、风扇选型及加温系统的加温器等，根据这些主要部件的特点，使用Adams、workbench软件仿真软件，进行流体、震动的计算，通过计算得出弹性元件是否满足振动幅值的要求，散热元件阻力及热效率、进气阻力等性能值，根据计算结果判断这些主要部件是否能满足步骤1中分解出的技术指标。

步骤4，建立多学科动力传动辅助系统参数模型；包括：

步骤4.1，依据实施例中五子系统的功能及零部件组成，建立有关结构力学(支架、减震等设计)、流体(冷却系涉及冷却液及气体换热，加温系涉及液体与固体，液体与液体的换热，进排气涉及气体流场阻力)、信息采集等多学科的动力传动辅助系统完整参数模型；

步骤4.2，依据各子系统的功能及零部件组成，确定动力传动辅助系统信息采集的温度及阻力等参数的采集点位置；

步骤5，根据步骤4建立的参数模型，进行动力传动辅助系统的系统级、子系统级以及部件级的三维或者一维的仿真计算；

步骤6，基于一维和三维的多维多域仿真，包括：

步骤6.1，根据步骤5的参数模型，建立一维和三维联合的动力传动辅助系统参数模型；

步骤6.2，步骤1分解的动力传动辅助系统设计参数及步骤5的仿真计算结果等参数，作为步骤6.1中参数模型仿真的约束边界数据；

步骤6.3，利用GT和workbench等三维CAE仿真软件进行以热流为牵引的散热、加温、润滑、进气等多地域一维和三维耦合仿真，确定动力传动辅助系统的性能是否满足平原、高热、高寒及高原等多域多维的性能要求；

步骤7，进行动力传动辅助系统方案动态优化，包括：

步骤7.1，利用步骤6的动力传动辅助系统参数模型及仿真结果，进行动力传动辅助系统在车辆加速、减速等不同工况下的性能是否满足性能要求，性能匹配是否最优，并通过调整数值模型的温度、流量、散热元件的阻力等参数进行优化设计，最后依据计算的不同地区不同工况下散热量、减震效果、流场阻力等结果判断是否满足技术指标的全部要求，如不能满足，重复步骤1，再次分析研制总要求，判断技术指标和设计输入参数是否合理，然后修正，依据修正后的设计输入参数和技术指标重复步骤2至步骤7的内容，直至满足要求；

步骤7.2，根据仿真结果，判断分析步骤6.2中哪些仿真计算使用的约束边界数据对性能匹配的仿真结果影响较大，不断调节边界数据，优化动力传动辅助系统方案，直至使得动力传动辅助系统布局更加集成紧凑且满足指标要求；

步骤7.3，依据步骤7.2中对仿真计算使用的约束边界数据的判断分析及仿真结果，确定动力传动辅助系统信息采集的阻力和温度等参数通过程序编辑，使得空气滤总成阻力值达到一定值后进行警示，通过检测冷却系的温度，驱动风扇转速变化，进而带走所需要的热量等一系列控制策略，使动力传动辅助系统满足不同工况多地域的性能要求；

步骤8，使用协同设计软件PDM，该软件可以异地并行协同设计，进行动力传动辅助系统多学科协同设计，形成动力传动辅助系统骨架三维模型及文件等，进行动力传动辅助系统的各个子系统的工程设计。

根据本发明实施例的自定向下的动力传动辅助系统设计方法具有以下优点：

通过顶层规划，将动力传动辅助系统的结构和性能统一考虑,对动力传动辅助系统多维的耦合仿真，进行动力传动辅助系统方案动态方案优化，从系统的角度分析是否满足平原、高热、高寒及高原等多域的指标要求，满足不同工况下的指标要求，从而提升动力传动辅助系统的性能匹配及集成化设计，也大大减少反复协调的时间，提升设计效率。

上述实施例为本发明以某装甲车辆为原型的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质以及方法所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种自顶向下的动力传动辅助系统设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，在三维通用软件中，输入动力舱尺寸模型，并依据研制总要求分解动力传动辅助系统的设计输入参数及要求动力传动辅助系统达到的指标要求；

步骤2，基于发动机及传动装置的三维模型，确定在动力舱内发动机及传动装置的布置方式及位置，建立基于知识的动力传动辅助系统初步模型；

步骤3，进行动力传动辅助系统初步模型预定主要部件的仿真分析，包括：根据步骤2建立的动力传动辅助系统初步模型中预定主要部件，包括动力传动辅助系统各子系统中功能性部件，根据这些功能性部件的特点，选择仿真软件，进行性能计算，根据计算结果判断这些功能性部件是否能满足步骤1中分解出的指标要求；

步骤4，建立多学科动力传动辅助系统参数模型；

步骤5，根据步骤4建立的参数模型，进行动力传动辅助系统的系统级、子系统级以及部件级的仿真计算；

步骤6，进行基于一维和三维的多维多域仿真；

步骤7，进行动力传动辅助系统方案动态优化；

步骤8，进行动力传动辅助系统多学科协同设计，形成动力传动辅助系统骨架三维模型及文件，进行动力传动辅助系统的各个子系统的工程设计；

步骤2包括：

步骤2.1：根据装甲车动力输出轴的位置及动力舱空间确定发动机及传动装置的布置方式及位置；

步骤2.2：通过步骤1分解的动力传动辅助系统的设计输入参数及要求动力传动辅助系统达到的指标要求，依据步骤2.1的布置方式及位置，建立动力传动辅助系统初步模型，分析动力传动辅助系统初步模型中预定主要部件性能影响因素，并且确定动力传动辅助系统信息的参数管理和控制方式；

步骤4包括：

步骤4.1，依据动力传动辅助系统中各子系统的功能性部件组成，建立多学科的动力传动辅助系统完整参数模型；

步骤4.2，依据动力传动辅助系统中各子系统的功能性部件组成，确定动力传动辅助系统信息采集的参数及采集点的位置；

步骤6包括：步骤6.1，根据步骤5的参数模型，建立一维和三维联合的动力传动辅助系统参数模型；步骤6.2，将步骤1分解的动力传动辅助系统设计输入参数及步骤5的仿真计算结果，作为一维和三维联合的动力传动辅助系统参数模型仿真的约束边界数据；步骤6.3，进行多地域一维和三维耦合仿真计算；

步骤7包括：步骤7.1，利用步骤6的动力传动辅助系统参数模型，进行不同工况的仿真计算；步骤7.2，根据仿真结果，判断分析步骤6.2中哪些仿真计算使用的约束边界数据对性能匹配的仿真结果影响大于预设阈值，不断调节约束边界数据，优化动力传动辅助系统方案，直至使得动力传动辅助系统布局更加合理且满足预设指标要求；步骤7.3，依据步骤7.2中对仿真计算使用的约束边界数据的判断分析及仿真结果，确定动力传动辅助系统信息采集的参数控制策略。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2.2.中，还根据以往不同装甲车辆动力传动辅助系统实验结果、子系统仿真结果这些信息构建的数据库知识，建立动力传动辅助系统初步模型。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤4.1中所述多学科动力传动辅助系统完整模型包括力学、流体、结构集成、采集信息多学科设计，各学科设计并不独立，而是从总体角度出发根据动力传动辅助系统功能融合设计。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤3中进行性能计算时，使用Adams、workbench软件仿真软件，进行流体、震动的计算，通过计算得出弹性元件是否满足振动幅值的要求，散热元件阻力及热效率、进气阻力这些性能值。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤6.3中利用GT和workbench这两个三维CAE仿真软件进行以热流为牵引的散热、加温、润滑、进气这些多地域一维和三维耦合仿真，确定动力传动辅助系统的性能是否满足平原、高热、高寒及高原这些多域多维的性能要求。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤8中，使用协同设计软件PDM，进行动力传动辅助系统多学科协同设计。

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