摩托车发动机设计及仿真建模【三维CATIA】【含CAD图纸+PDF图】
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毕业设计(论文)任务书学生姓名齐旺明系部汽车工程系专业、班级车辆工程0893111指导教师姓名孙凤霞职称讲师从事专业交通运输是否外聘是否题目名称摩托车发动机设计及仿真建模一、设计(论文)目的、意义 目的:综合运用所学知识分析、解决问题,在做毕业设计过程中,培养自己的动手能力和独立解决问题的能力。意义:摩托车,亦译作“摩头”,英语motor的译音。近10年来,我国摩托车工业发展速度更快。从产品产量上看,年产从1980年的4.9万辆发展到1990年的97万辆,直至今天的一千多万辆,我国一跃成为了世界摩托车生产量最大的国家,摩托车已成为我国国民经济支柱产业汽车工业中的重要组成部分。而发动机是摩托车的心脏,发动机品质的好坏直接带动着摩托车市场的发展,各种不同用途的摩托车,由于使用性能不同,在其结构形式上也各有不同特点,所配备的发动机也不同。目前的摩托车发动机为二冲程或四冲程汽油机,采用风冷冷却,有自然风冷与强制风冷两种。发动机的转速高,一般在5000转/分以上。升功率(每升发动机排量所发出的有效功率)大,一般在60千瓦/升左右。气缸布置有卧式和立式两种,配气传动机构按凸轮所在位置又可分为上置式和下置式二种。摩托车发动机的强化程度高,外形尺寸小,结构紧凑。研究发展方向:综上,我以太子125的发动机为模型设计一款单缸四冲程摩托车的发动机,采用依靠行驶中空气吹过气缸盖、气缸套上散热片带走热量的自然风冷冷却方式,配气机构采用摇臂+顶杆的凸轮轴下置式的摩托车发动机。并用CATIA软件建模并做装配和运动仿真视频。二、设计(论文)内容、技术要求(研究方法)1、选择发动机型号,制定总体设计方案,对主要零部件用CATIA建模,包括曲轴连杆机构的主要组成部分:活塞、活塞环、活塞销、连杆、曲柄;配气机构的主要组成部分:凸轮轴、气门、气门弹、正时齿轮、气门顶杆、摇臂、摇臂轴等等,气门顶置式。以及发动机总体壳体。2、整体设计完成后用CATIA做运动仿真以及装配过程的视频展示。3、完成装配图纸1张,撰写说明书不低于一万字;4、有一定的英文翻译资料;5、参考文献不低于10篇,其中外文文献1篇;三、设计(论文)完成后应提交的成果(一)计算说明部分 对发动机进行热力学计算、动力分析、以及主要零部件的强度校核。 (二)图纸部分 装配图A0图纸1张(3) 建模部分 发动机建模源文件 发动机的运动仿真以及装配过程视频动画 四、设计(论文)进度安排1、2011年10月9、10日指导教师与学生见面,确定好毕业设计(题目)。2、2011年10月11日下达任务书。3、2011年10月21日系主任及指导教师进行学生开题答辩。完成开题报告。4、2011年11月18日指导教师组织毕业设计中期自检工作。5、2011年11月25日系主任及指导教师对全系毕业设计进行中期检查。6、2011年12月9日系主任及指导教师进行结题检查,结题时要求正式图纸完成并签字,论文草稿完成。7、2011年12月19日上午11点前,学生上交毕业设计论文全部材料。9、2011年12月29、30日 所有指导教师参加毕业设计答辩,评定毕业设计成绩,签字。五、主要参考资料1 杨连生.内燃机设计.北京:中国农业机械出版社,19812 江苏工学院编.内燃机构造.北京: 中国农业机械出版社, 19813 蒋德明.内燃机原理.北京: 中国农业出版社, 19814 叶盛炎.摩托车发动机设计.北京: 人民邮电出版社, 19965 杨光兴主编.摩托车发动机原理.北京: 人民邮电出版社, 19966 吴建华.汽车发动机原理论.机械工业出版社,20107 于丽颖.汽车机械基础.化学工业出版社,20098 郑启福,内燃机动力学.北京:国防工业出版社,1988.9 张则槽,胡德浦.摩托车构造(第三版) .人民交通出版社,2003.8.10 史绍熙.柴油机设计手册.中国农业机械出版社,198411 杨光兴.摩托车发动机原理与设计.武汉测绘科技大学出版社,199312 中国汽车工业联合会编.摩托车质量检查评定办法.198913 徐灏编.机械设计手册.第一卷.机械工业出版社,199114 西安交大内燃机教研室编.内燃机原理.中国农业机械出版社,198115 Diesel Engine Reference Book.Edited by Bernard Challen Rodica Baranescu,1984六、备注指导教师签字:年 月 日教研室主任签字: 年 月 日哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 I 摘 要近 10年 来 , 我 国 摩 托 车 工 业 发 展 速 度 更 快 , 一 跃 成 为 了 世 界 摩 托 车 生 产 量 最 大 的 国 家 。 而 发 动 机 是 摩 托 车 的 心 脏 , 发 动 机 品 质 的好 坏 直 接 带 动 着 摩 托 车 市 场 的 发 展 。 目 前 的 摩 托 车 发 动 机 为 二 冲 程 或 四 冲 程 汽 油 机 , 采 用 风 冷 冷 却 , 有 自 然 风 冷 与 强 制 风 冷 两 种 。 发动 机 的 转 速 高 , 升 功 率 大 。 气 缸 布 置 有 卧 式 和 立 式 两 种 , 配 气 传 动 机 构 按 凸 轮 所 在 位 置 又 可 分 为 上 置 式 和 下 置 式 二 种 。 综 上 , 我 以 宝 雕 太 子 125摩 托 车 发 动 机 为 模 型 设 计 一 款 单 缸 四 冲 程 摩 托 车 的 发 动 机 , 采 用 自 然 风 冷 的 冷 却 方 式 , 配 气 机 构 采 用 摇臂 加 顶 杆 的 凸 轮 轴 下 置 式 的 摩 托 车 发 动 机 , 用 CATIA软 件 建 模 做 装 配 和 运 动 仿 真 。 关 键 词 : 发 动 机 建 模 、 热 计 算 、 动 力 分 析 、 强 度 校 核 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 II AbstractCom e nearly 10 years, developm ent of industry of our country autocycle faster, to becom e the world s largest national m otorcycleproduction. Engine is the heart of m otorcycle, engine qualitydirectly drives am otorcycle m arket developm ent. Them otorcycle engineistwostrokeor four stroke gasoline engine, adoptingair cooling, natural air coolingandforcedair coolingtwo. Enginehighspeed, highpower perliter. Cylinder arrangem ent has twokinds of horizontal andvertical, withgas transm ission m echanism bythe cam locationcanbe dividedintoupper andlower set two. Therefore, I toPrince125m otorcycle engineas am odel todesigna single cylinder four stroke m otorcycle engine, adoptingnatural air coolingm ethod, air distributionm echanism of thearm rodof cam shafttype m otorcycle engine, and used the CATIAsoftware m odeling assem bly andm ovem ent sim ulation. Keywords: the establishm ent of engine m odel ; heat calculation;dynam ic analysis; strengthchecking 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 III 目 录摘 要 .I Abstract.II第 1章 绪 论 .1 1.1 发 动 机 发 展 概 况 .11.2 本 文 主 要 研 究 内 容 .1 第 2章 发 动 机 的 建 模 .32.1 发 动 机 设 计 流 程 .3 2.2 发 动 机 典 型 零 部 件 的 设 计 演 示 . 32.2.1 活 塞 的 设 计 .3 2.2.2 气 门 弹 簧 的 设 计 . 42.2.3 正 时 齿 轮 的 设 计 . 5 2.2.3 发 动 机 壳 体 的 设 计 .52.3 发 动 机 的 装 配 演 示 及 材 质 的 添 加 .6 2.4 发 动 机 的 仿 真 运 动 演 示 .72.5 发 动 机 的 装 配 模 拟 制 作 .8 2.6 发 动 机 模 型 的 后 期 制 作 .8第 3章 发 动 机 热 计 算 . 10 3.1 换 气 过 程 计 算 .103.2 化 学 计 算 .10 3.3 压 缩 过 程 计 算 .113.4 燃 烧 过 程 计 算 .12 3.5 膨 胀 过 程 计 算 .123.6 技 术 指 标 计 算 .13 第 4章 发 动 机 动 力 计 算 .144.1 活 塞 的 位 移 、 速 度 、 加 速 度 .14 4.2 曲 柄 连 杆 机 构 的 质 量 换 算 .154.3 曲 柄 连 杆 机 构 运 动 的 惯 性 力 .15 4.4 气 体 作 用 力 与 往 复 惯 性 力 的 合 成 分 析 .164.5 曲 轴 、 连 杆 轴 颈 、 主 轴 颈 的 受 力 分 析 .16 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 IV 第 5章 发 动 机 主 要 零 部 件 强 度 校 核 .185.1 曲 轴 的 强 度 校 核 .18 5.1.1起 动 瞬 时 .195.1.2 额 定 工 况 下 , 曲 拐 受 最 大 切 向 力 时 . 20 5.1.3 额 定 工 况 下 , 曲 拐 受 最 大 法 向 力 时 . 225.1.4 额 定 工 况 下 , 曲 拐 受 最 小 法 向 力 时 . 24 5.2 连 杆 强 度 计 算 .255.2.1 连 杆 小 头 .25 5.2.2 连 杆 杆 身 .285.3 活 塞 顶 强 度 计 算 .31 5.3.1顶 部 周 缘 的 应 力 .315.3.2顶 部 中 心 应 力 .32 5.3.3环 槽 截 面 X X的 应 力 计 算 .325.3.4第 一 道 活 塞 环 带 的 强 度 计 算 .32 5.3.5活 塞 销 孔 的 最 大 比 压 .335.3.6 活 塞 裙 部 单 位 侧 压 力 .33 5.4 活 塞 销 强 度 计 算 .335.4.1活 塞 销 的 比 压 .33 5.4.2 活 塞 销 弯 曲 应 力 及 剪 应 力 .345.4.3 活 塞 销 的 最 大 失 圆 度 .34 5.5 气 缸 头 螺 栓 强 度 计 算 .355.5.1 缸 头 螺 栓 的 受 力 .35 5.5.2 缸 头 螺 栓 的 应 力 及 安 全 系 数 .365.5.3 预 紧 力 矩 的 验 算 .37 结 论 . 38致 谢 . 39 参 考 文 献 .40 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 1 第 1章 绪 论1.1发 动 机 发 展 概 况 发 动 机 最 早 诞 生 在 英 国 , 所 以 , 发 动 机 的 概 念 也 源 于 英 语 , 它的 本 义 是 指 那 种 “ 产 生 动 力 的 机 械 装 置 ” 。 随 着 科 技 的 进 步 , 人 们 不 断 地 研 制 出 不 同 用 途 多 种 类 型 的 发 动 机 , 但 是 , 不 管 哪 种 发 动 机 ,它 的 基 本 前 提 都 是 要 以 某 种 燃 料 燃 烧 来 产 生 动 力 。 所 以 , 以 电 为 能 量 来 源 的 电 动 机 , 不 属 于 发 动 机 的 范 畴 。 回 顾 发 动 机 产 生 和 发 展 的历 史 , 它 经 历 了 外 燃 机 和 内 燃 机 两 个 发 展 阶 段 。 所 谓 外 燃 机 , 就 是 说 它 的 燃 料 在 发 动 机 的 外 部 燃 烧 , 发 动 机 将这 种 燃 烧 产 生 的 热 能 转 化 成 动 能 , 瓦 特 改 良 的 蒸 汽 机 就 是 一 种 典 型 的 外 燃 机 , 当 大 量 的 煤 燃 烧 产 生 热 能 把 水 加 热 成 大 量 的 水 蒸 汽 时 ,高 压 便 产 生 了 , 然 后 这 种 高 压 又 推 动 机 械 做 功 , 从 而 完 成 了 热 能 向 动 能 的 转 变 。 明 白 了 什 么 是 外 燃 机 , 也 就 知 道 了 什 么 是 内 燃 机 。 这 一 类 型 的 发 动 机 与 外 燃 机 的 最 大 不 同 在 于 它 的 燃 料 在 其 内 部 燃 烧 。 内 燃 机 的种 类 十 分 繁 多 , 我 们 常 见 的 汽 油 机 、 柴 油 机 是 典 型 的 内 燃 机 。 我 们 不 常 见 的 火 箭 发 动 机 和 飞 机 上 装 配 的 喷 气 式 发 动 机 也 属 于 内 燃 机 。不 过 , 由 于 动 力 输 出 方 式 不 同 , 前 两 者 和 后 两 者 又 存 在 着 巨 大 的 差 异 。 一 般 地 , 在 地 面 上 使 用 的 多 是 前 者 , 在 空 中 使 用 的 多 是 后 者 。当 然 有 些 汽 车 制 造 者 出 于 创 造 世 界 汽 车 车 速 新 纪 录 的 目 的 , 也 在 汽 车 上 装 用 过 喷 气 式 发 动 机 , 但 这 总 是 很 特 殊 的 例 子 , 并 不 存 在 批 量生 产 的 适 用 性 。 此 外 还 有 燃 气 轮 机 , 这 种 发 动 机 的 工 作 特 点 是 燃 烧 产 生 高 压 燃气 , 利 用 燃 气 的 高 压 推 动 燃 气 轮 机 的 叶 片 旋 转 , 从 而 输 出 动 力 。 燃 气 轮 机 使 用 范 围 很 广 , 但 由 于 很 难 精 细 地 调 节 输 出 的 功 率 , 所 以 汽车 和 摩 托 车 很 少 使 用 燃 气 轮 机 , 只 有 部 分 赛 车 装 用 过 燃 气 轮 机 。 人 类 的 智 慧 是 无 穷 无 尽 的 , 各 种 新 型 的 发 动 机 不 断 地 被 研 制 出来 , 但 是 , 出 于 安 全 操 控 的 需 要 , 到 目 前 为 止 , 我 们 可 爱 的 摩 托 车 还 只 有 一 种 选 择 往 复 式 发 动 机 。1.2本 文 主 要 研 究 内 容 1.以 太 子 125发 动 机 为 模 型 , 制 定 总 体 设 计 方 案 , 用 CATIA软件 建 模 , 包 括 曲 轴 连 杆 机 构 的 主 要 组 成 部 分 : 活 塞 、 活 塞 环 、 活 塞 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 2 销 、 连 杆 和 曲 柄 ; 配 气 机 构 的 主 要 组 成 部 分 : 凸 轮 轴 、 气 门 、 气 门弹 簧 、 正 时 齿 轮 、 气 门 顶 杆 、 摇 臂 、 摇 臂 轴 等 等 ; 以 及 最 后 发 动 机 总 体 壳 体 的 设 计 , 做 运 动 仿 真 以 及 装 配 过 程 的 视 频 展 示 (见 附 件 光盘 )。 2.整 体 设 计 完 成 后 用 对 其 进 行 热 计 算 、 动 力 分 析 、 以 及 主 要 零部 件 的 强 度 校 核 。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 3 第 2章 发 动 机 的 建 模2.1发 动 机 设 计 流 程 摩 托 车 发 动 机 的 建 模 用 CATIA软 件 , 主 要 采 用 以 活 塞 为 中 心 , 自上 而 下 、 自 内 向 外 的 建 模 方 法 , 依 次 进 行 曲 柄 连 杆 组 、 配 气 机 构 以 及 最 后 壳 体 的 设 计 。 设 计 是 在 CATIA的 装 配 件 设 计 这 个 大 的 模 块 中进 行 , 再 依 次 插 入 新 建 零 部 件 进 行 每 个 零 部 件 的 设 计 , 整 个 过 程 是 一 边 设 计 一 边 装 配 的 , 这 样 可 以 让 各 个 零 部 件 更 好 的 匹 配 , 以 满 足整 个 发 动 机 的 整 体 协 调 性 和 最 后 在 DMU模 块 中 更 好 的 做 装 配 动 画 和 运 动 仿 真 。 设 计 思 路 如 图 2-1所 示 : 2.2发 动 机 典 型 零 部 件 的 设 计 演 示2.2.1活 塞 的 设 计 活 塞 的 形 状 大 体 上 是 圆 形 , 形 状 规 则 , 可 先 通 过 旋 转 体 命 令 ( 如图 2-2) , 旋 转 草 图 生 成 , 再 通 过 凹 槽 命 令 去 掉 多 余 的 部 分 生 成 大 概 形 状 。 难 度 较 大 的 是 活 塞 顶 端 两 个 不 规 则 凹 坑 , 通 过 创 成 式 外 形 设计 模 块 中 , 创 建 凹 坑 的 曲 面 外 形 ( 如 图 2-3) , 再 通 过 分 割 命 令 来 去 除 活 塞 顶 端 多 余 的 部 分 , 形 成 一 个 凹 坑 后 , 另 一 个 可 通 过 对 称 曲 面外 形 ( 如 图 2-4) , 继 续 分 割 而 成 。 生 成 实 体 后 , 倒 角 ( 如 图 2-5) 。 活 塞 组 设 计 连 杆 组 设 计 曲 轴 设 计 曲 柄 连 杆 组 设 计 装 配 气 门 组 设 计 气 门 摇 臂 组 正 时 从 动 部 件 装 配 配 气 机 构 设 计 DMU运动 仿 真 装 配 发 动 机 整 体 壳 体 装 配 动 画 的 制 作 图 2-1 设 计 流 程 图 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 4 2.2.2气 门 弹 簧 的 设 计气 门 弹 簧 主 要 是 在 创 成 式 外 形 设 计 这 个 模 块 进 行 , 先 作 出 弹 簧 的 螺 旋 线 ( 如 图 2-6) , 在 螺 旋 线 上 创 建 点 和 面 , 在 面 上 画 草 图 和 要 求的 弹 簧 的 粗 细 , 再 在 零 件 设 计 模 块 中 用 肋 的 命 令 生 成 ( 如 图 2-7) , 之 后 分 割 去 除 弹 簧 两 端 多 余 的 部 分 ( 如 图 2-8) 。 图 2-2 旋 转 图 2-3 分 割 图 2-4 镜 像 图 2-5 油 孔 图 2-6螺 旋 线 图 2-7 肋 生 成 实 体 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 5 2.2.3正 时 齿 轮 的 设 计齿 轮 的 设 计 主 要 是 利 用 参 数 化 建 模 , 参 数 化 建 模 更 有 利 于 齿 轮 的 修 改 , 改 变 一 个 参 数 后 , 零 部 件 也 会 发 生 改 变 。 使 设 计 更 加 方 便 快捷 , 便 于 修 改 。 首 先 定 义 参 数 ( 如 图 2-8) , 添 加 公 式 ( 如 图 2-9) , 定 义 参 数 之 间 的 关 系 及 关 联 性 , 进 入 创 成 式 外 形 设 计 和 零 件 设 计 两个 模 块 配 合 使 用 , 绘 制 草 图 时 利 用 已 经 定 义 的 参 数 绘 制 草 图 , 通 过 提 取 、 外 插 、 结 合 , 凸 台 生 成 一 个 齿 ( 如 图 2-10) , 通 过 圆 形 阵 列 生成 一 个 完 整 的 齿 轮 ( 如 图 2-11) 。 2.2.3发 动 机 壳 体 的 设 计发 动 机 的 下 壳 体 的 形 状 复 杂 , 简 单 的 零 部 件 设 计 模 块 是 满 足 不 了 的 , 所 以 要 运 用 创 成 式 外 形 设 计 和 自 由 曲 面 模 块 结 合 使 用 ( 如 图2-12) , 做 出 壳 体 的 外 形 曲 面 之 后 , 通 过 加 厚 命 令 来 生 成 实 体 ( 如 图 2-13) 。 最 后 , 还 要 对 实 体 进 行 修 剪 和 倒 角 , 让 它 看 起 来 更 加 美 观 。 图 2-8 定 义 参 数 图 2-9 添 加 公 式 图 2-10 生 成 一 个 齿 图 2-11 阵 列 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 6 2.3发 动 机 的 装 配 演 示 及 材 质 的 添 加完 成 全 部 零 部 件 后 对 其 进 行 装 配 , 在 装 配 模 块 中 对 于 活 塞 、 活 塞 环 活 塞 销 等 进 行 装 配 成 活 塞 组 ( 如 图 2-14) , 保 存 为 活 塞 组 产 品 ;同 理 可 把 两 个 曲 柄 装 配 成 为 曲 轴 组 产 品 ( 如 图 2-15) 。 再 在 装 配 模 块 中 , 导 入 活 塞 组 和 曲 轴 产 品 进 行 装 配 , 再 导 入 剩 下 的 那 些 需 要 装 配的 零 部 件 ( 如 图 2-16) 。 图 2-12 壳 体 曲 面 的 创 建 图 2-13 加 厚 图 2-14 活 塞 组 的 装 配 图 2-15 曲 轴 的 装 配 图 2-16 整 体 的 装 配 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 7 装 配 时 , 主 要 用 到 约 束 是 相 合 约 束 、 接 触 约 束 、 偏 移 约 束 以 及角 度 约 束 等 , 有 需 要 的 螺 钉 、 螺 母 等 标 准 件 可 以 直 接 调 用 库 文 件 ( 如 图 2-17) , 方 便 使 用 。 每 进 行 约 束 之 后 通 过 更 新 按 钮 , 随 时 更 新 零 部件 的 相 对 位 置 。 装 配 完 成 之 后 , 可 以 通 过 应 用 材 质 按 钮 对 零 部 件 进 行 添 加 材 质( 如 图 2-18) , 最 后 也 可 以 通 过 渲 染 按 钮 进 行 简 单 渲 染 。 2.4发 动 机 的 仿 真 运 动 演 示分 析 发 动 机 的 工 作 过 程 后 , 进 入 数 位 模 型 机 构 运 动 分 析 ( DMU) 模 块 中 , 建 立 新 机 构 后 , 通 过 运 动 接 头 来 约 束 每 处 有 相 对 运 动 的 地方 的 接 头 , 按 照 动 力 传 动 路 线 依 次 进 行 机 构 接 头 的 建 立 。 用 到 的 接 头 有 : 齿 轮 接 头 、 圆 柱 接 头 、 点 线 接 头 、 旋 转 接 头 、 平 面 接 头 、 球接 头 等 , 对 于 有 一 起 运 动 相 对 静 止 的 可 用 刚 性 接 头 ( 如 图 2-18) 。 最 后 , 一 定 要 有 固 定 元 件 ( 壳 体 ) , 驱 动 元 件 ( 活 塞 的 运 动 ) 以 及 参 数编 辑 驱 动 元 件 的 运 功 公 式 ( 如 图 2-19) , 最 终 用 laws来 进 行 模 拟 仿 真 运 动 ( 如 图 2-20) 。 图 2-17 标 准 件 库 的 使 用 图 2-18 添 加 材 质 图 2-18 定 义 运 动 接 头 图 2-19 编 辑 运 动 公 式 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 8 2.5发 动 机 的 装 配 模 拟 制 作分 析 发 动 机 零 部 件 的 装 配 顺 序 后 , 进 入 数 位 模 型 装 配 模 拟 模 块 中 , 点 击 跟 踪 按 钮 , 点 击 所 要 移 动 的 零 件 , 移 动 到 合 适 的 位 置 后 记录 , 在 对 话 框 中 输 入 所 需 要 的 速 度 后 确 定 ( 如 图 2-20) 。 把 每 个 零 部 件 的 轨 迹 指 定 后 , 点 击 编 辑 序 列 按 钮 , 编 辑 轨 迹 的 运 动 顺 序 ( 如 图2-21) 。 最 后 完 成 后 可 用 模 拟 播 放 器 播 放 顺 序 , 来 观 察 每 个 零 部 件 的 装 配 运 动 过 程 , 以 达 到 装 配 的 目 的 。 2.6发 动 机 模 型 的 后 期 制 作用 CATIA工 具 栏 中 的 图 像 下 拉 菜 单 中 的 视 频 录 录 制 器 可 以 对 发 动 机 的 运 动 仿 真 和 装 配 过 程 进 行 录 制 ( 如 图 2-22) 。 录 制 完 成 后 , 可用 视 频 制 作 软 件 对 视 频 进 行 拼 接 和 删 减 , 以 及 一 些 文 字 的 添 加 , 最 终 达 到 视 频 的 完 美 制 作 。 建 模 完 成 之 后 , 用 keyshot软 件 做 整 体 效 图 2-19laws模 拟 运 动 图 2-20 定 义 运 动 轨 迹 图 2-21 编 辑 轨 迹 顺 序 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 9 果 图 的 渲 染 , 以 达 到 更 加 逼 真 的 效 果 美 图 ( 如 图 2-23) 。 图 2-23 整 体 渲 染 效 果 图 图 2-22 视 频 录 制 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 10 m 第 3章 发 动 机 热 计 算本 章 首 先 对 发 动 机 换 气 过 程 的 进 气 终 点 的 压 力 和 温 度 以 及 充 气 效 率 进 行 计 算 , 再 对 发 动 机 内 部 燃 料 的 化 学 计 算 、 以 至 对 其 压 缩 过程 、 燃 烧 过 程 、 膨 胀 过 程 的 压 力 、 温 度 等 进 行 计 算 。 最 后 确 定 发 动 机 的 性 能 指 标 。1已 知 条 件 如 下 : 气 缸 直 径 : D=56.5mm 活 塞 行 程 : s=47mm气 缸 数 : i=1 排 量 : 压 缩 比 : 1:9= 曲 轴 半 径 与 连 杆 长 度 比 : R/L=23.5/106最 大 转 速 :n=8500r/min 最 大 功 率 : kwN e 0.9=最 大 扭 矩 : mNM = 8.8 m ax 最 大 转 矩 对 应 转 速 : m in/7500m ax rn =标 准 大 气 压 : KpaP 100 0 = KT 2980 =燃 料 平 均 重 量 成 分 :C=0.855 H=0.145 115= m燃 料 低 热 值 : )(/44100 燃料KgKJH h =2 额 定 工 况 计 算 用 系 数 及 参 数 的 选 择 过 量 空 气 系 数 :a=0.73 进 气 温 升 :T=4残 余 废 气 系 数 :r=0.04 残 余 废 气 温 度 :Tr= 930K 压 缩 多 变 指 数 : =1.32 膨 胀 多 变 指 数 : =1.23示 功 图 丰 满 系 数 : =0.94 热 量 利 用 系 :z=0.90 传 动 效 率 : =0.92 机 械 效 率 : =0.803.1换 气 过 程 计 算 1进 气 终 点 压 力 KPaPPa 8585.0 0 =2进 气 终 点 温 度 K2.32604.01 93004.042981 =+ +=+= r rTTTT roa 3充 气 效 率 840.0 04.01 13264298100851-99r11TTPP1 aooa =+=+=3.2化 学 计 算 1燃 烧 lKg燃 料 所 需 的 理 论 空 气 量 ( ) ( )燃料空气 kg/512.0 4145.012855.021.013241221.01 kmolOHCLo = += += 2n f1 n f mlVh 124= 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 11 )(/)(828.1496.28 00 燃料空气 kgkgLL =式 中 28.96为 空 气 的 平 均 分 子 量 2燃 烧 前 工 质 的 摩 尔 数 )(/Km ol3825.0 1151512.073.011 燃料kgmaLM o =+=+= 3燃 烧 后 工 质 的 摩 尔 数 )(/439.0512.073.079.02145.01285.079.02122 燃料kgkmolaLHCM o =+=+= 4理 论 分 子 变 更 系 数 1478.1 3825.0493.012 =MMo5实 际 分 子 变 更 系 数 42.104.01 04.01478.11 =+=+=r ro 6汽 油 机 每 小 时 吸 气 量在 标 准 大 气 状 态 下 空 气 的 比 重 为 : 35 /kg169.18.291.28710 0 00 mRTP = 故 吸 气 量 为 : hKgnrVG nVh /05.3110850030169.1124.084.030 30 = 7过 量 空 气 系 数 设 比 油 耗 hkggge = /325则 汽 油 机 的 耗 油 量 为 hkggNG eer /86.2325.08.8 =故 过 量 空 气 系 数 接近)(与所选 a73.0828.1485.2 05.31oLa =GrGh3.3压 缩 过 程 计 算 1压 缩 过 程 中 任 意 点 x的 压 力 为 : )xV( VV85)( cx32.1 点的气缸容积为式中)( cxaxcaex VVPaP =2压 缩 终 点 压 力 KPa1545985 32.1 = nPaPc 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 12 3压 缩 终 点 温 度 : K9.65892.326 32.01 = nTaTc 9.385273=Tctc 3.4燃 烧 过 程 计 算1因 不 完 全 燃 烧 而 损 失 的 热 量 为 : Hu= 58000(1- a)=58000 0.10=5800KJ/Kg燃 料2汽 油 机 的 燃 烧 方 程 为 : zvcvuu tCutCuMr HHz =+ 1)1( )(式 中 tc=385.9 = KmolKmolKcalCv /KJ2.24/754.5 故 molKJtC zv /6019242.1 9.3852.2442.13825.004.1 )1044044100(9.0 =+ = 根 据 燃 烧 产 物 平 均 定 压 摩 尔 比 热 表 , 可 得 = kmolkJCv /30014 zt =23240 Tz=2097K3压 力 升 高 比 52.49.658209742.1 = czTTu 4最 高 爆 发 压 力 KPa2.6982154552.4 = cz PP 3.5膨 胀 过 程 计 算 1膨 胀 过 程 中 任 意 点 x的 压 力 为 : 32.12.6982)( 2 )( VbxVzVVPP nbxzzbx = 式 中 cxV X点 的 气 缸 容 积2膨 胀 终 点 压 力 KPaPP nzb 4689 2.698223.12 = 3 膨 胀 终 点 温 度 KTT nzb 1.12659209723.012 = 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 13 3.6技 术 指 标 计 算1理 论 平 均 指 示 压 力 Knn PcP nni 9.1200)911(32.01)911(23.052.481545 )11(11)11(11 32.023.0 1112 12 = = = 2实 际 平 均 指 示 压 力 Kpa8.112894.09.1200 = iii PP 3指 示 功 率 kwnViPN nii 9.91200 5.8124.08.11281200 = 4指 示 热 效 率 997.27 9885.0441002838.11283825.0314.8314.8 1 = = svu sit PH TPM( 式 中 Ps= 98KPa, Ts=283K为 进 气 管 内 充 量 压 力 及 温 度 ) 5指 示 比 油 耗 hkw Hg iui = /g6.29127997.044100 106.3106.3 666平 均 有 效 压 力 KPa9038.08.1128 = mie pp 7有 效 热 效 率 39.228.027997.0 = mie 8有 效 功 率 Kw92.78.09.9 = mie NN 9有 效 比 油 耗 hkwggg mie = /5.3648.0 6.291 可 见 , 计 算 有 效 比 油 耗 与 计 算 过 量 空 气 系 数 时 假 设 的 比 油 耗 值较 为 接 近 。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 14 第 4章 发 动 机 动 力 计 算本 章 依 据 上 一 章 节 中 的 热 计 算 的 主 要 数 据 , 首 先 对 活 塞 的 运 动 情 况 进 行 分 析 , 对 曲 柄 连 杆 机 构 的 质 量 进 行 换 算 及 其 在 运 动 过 程 中的 惯 性 力 进 行 分 析 , 气 体 作 用 力 与 往 复 惯 性 力 的 合 成 分 析 , 最 后 确 定 曲 轴 转 矩 、 连 杆 轴 颈 和 主 轴 颈 的 受 力 情 况 , 以 便 下 一 章 节 发 动 机主 要 零 部 件 的 强 度 校 核 。 已 知 参 数 如 下 : 气 缸 直 : D=54.7mm 活 塞 行 程 : S=47mm气 缸 数 :i=1 压 缩 比 :=9 曲 柄 半 径 与 连 杆 长 度 比 :R/L=23.5/106 最 大 功 率 : Ne=19Kw最 大 转 速 : n=8500r min 4.1活 塞 的 位 移 、 速 度 、 加 速 度1活 塞 的 位 移 : 如 图 4-1, 设 活 塞 处 于 上 止 点 时 , 活 塞 销 中 心 处 于 x坐 标 原 点 , 则)cosacos()( LRRLX += 式 中 )sinarcsin( LR= 简 化 后 可 得 : += )2cos1(4)cos1( RX 式 中 2217.01065.23 =LR 2活 塞 运 动 的 速 度 式 中 活 塞 的 平 均 速 度 snsCm /m025.1430 8500105.4930 3- =活 塞 的 最 大 速 度 sRwV /m41.212217.011067.8895.231 23-2m ax =+=+= 图 4-1活 塞 位 移 简 图 1-s67.88930850030n = w )2sin2(sin += RwXV 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 15 3活 塞 的 加 速 度 )2cos(cos2 += RwXva 式 中 222 /m5.1860067.8895.23 sRw =当 a=0 时 , 最 大 加 速 度 为 : 22m ax /m3.227242217.015.18600)1( sRwa =+=+= )(4.2曲 柄 连 杆 机 构 的 质 量 换 算 用 双 质 量 替 代 系 统 对 连 杆 组 的 质 量 进 行 换 算 , 即 用 两 个 假 想 的 集中 于 连 杆 大 小 头 中 心 的 质 量 代 替 连 杆 组 实 际 的 分 布 质 量 , 根 据 实 测 , 可 得 出 如 下 结 果 :1连 杆 总 质 量 : Gc=215g 其 中 分 配 在 小 头 上 作 往 复 运 动 的 质 量 : Gcp=40g其 中 分 配 在 大 头 上 作 旋 转 运 动 的 质 量 : Gcc=175g 2连 杆 大 头 轴 瓦 质 量 : Gn=20g作 往 复 运 动 的 活 塞 组 总 质 : Gp=170g 曲 轴 旋 转 质 量 换 算 : Mrb=-566.5g往 复 运 动 质 量 : gGGm pcpj 21040170 =+=+=做 旋 转 运 动 的 总 质 量 : gm r 5.176-mm2 rBrA =+=连 杆 组 大 共 的 质 量 : gCGm nccrA 19517520 =+=+=4.3曲 柄 连 杆 机 构 运 动 的 惯 性 力 1往 复 惯 性 力 jp活 塞 面 积 23-6-22 m1035.2107.5444 = DFp 故 aKPa77.83-1035.2 210 3- = aFamp pjj 2离 心 惯 性 力 :连 杆 组 大 头 质 量 产 生 的 离 心 惯 性 力 Pra: KPaFRwmp paAra 59.28931035.2 1067.8895.23195.02 3 622 = = 曲 拐 不 平 衡 质 量 产 生 的 离 心 惯 性 力 : KPa FRwmp prBrB 1.420310507.2 1067.8895.23105.566 3 6232 = = 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 16 离 心 惯 性 力 之 和 Pr: KPappp rBrar 52.13091.420358.2893 =+= 4.4气 体 作 用 力 与 往 复 惯 性 力 的合 成 分 析 1沿 气 缸 中 心 线 作 用 的 合 力 P:如 图 3 2, 沿 气 缸 中 心 线 方 向 作 用 在 活 塞 上 的 合 力 为 : 0pppp jg +=式 中 Pg 气 缸 内 气 体 的 作 用 力 Pj 活 塞 运 动 时 的 往 复 惯 性 力P0 曲 轴 箱 内 气 体 作 用 在 活 塞 下 方 的 力 : KPapo 1000=2P的 传 递 与 分 解 在 力 的 传 递 过 程 中 , P可 分 解 成 沿 连杆 中 心 线 的 作 用 力 Pcr和 垂 直 于 气 缸 中 心 线 的 侧 压 力 Pn, 即 ncr ppp +=从 几 何 关 系 可 得 tanpp n = cosppcr =3 crp 的 传 递 与 分 解Pcr作 用 在 曲 轴 销 上 , 可 进 一 步 分 解 为 曲 柄 切 向 力 Pt和 曲 柄 法 向 力 Pra 其 中 : cos/)sin()sin( +=+= Ppp crt cos/)cos()cos( +=+= ppp crra4.5曲 轴 、 连 杆 轴 颈 、 主 轴 颈 的 受 力 分 析 1曲 轴 扭 矩 计 算曲 轴 在 切 向 力 Pt的 作 用 下 旋 转 , 故 主 轴 颈 承 受 的 扭 矩 为 : )(05891.01010507.2 33 mNPPRFPM ttptt = 2连 杆 轴 颈 受 力 分 析 作 用 于 连 杆 轴 颈 的 合 力 为 : rAratrAcrc PPPPPR +=+= cR的 大 小 为 : KPaPPPR rAratc 22 )( += )sin(sin1 = 图 4-2往 复 惯 性 力 分 析 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 17 3主 轴 颈 的 负 荷 轴 颈 受 力 情 况 如 图 3 3: (1)切 向 力 tPT 211 = (2)法 向 力 raPZ 211 = (3)离 心 惯 性 力 0211 = rPQ 故 轴 颈 受 力 为 111 QZTRs += 21121 )( QZTRs += 以 上 计 算 中 , 符 号 规 定 如 下 : Pg, Pj 朝 向 曲 轴 旋 转 中 心 为 正 Pcr 压 缩 连 杆 为 正 NP 对 曲 轴 旋 转 中 心 产 生 的 力 矩 方 向 与 曲 轴 旋 转 方 向相 反 时 为 正 Pt 顺 着 曲 轴 转 向 为 正Pra 指 向 曲 轴 旋 转 中 心 时 为 正 Mt 与 曲 釉 旋 转 方 向 相 同 时 为 正 图 4-3轴 颈 受 力 分 析 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 18 第 5章 发 动 机 主 要 零 部 件 强 度 校 核本 章 依 据 前 两 章 内 容 , 曲 轴 是 发 动 机 承 受 力 最 复 发 的 零 部 件 , 首 先 对 曲 轴 在 不 同 工 况 下 的 的 进 行 强 度 校 核 、 再 对 连 杆 、 活 塞 、 活塞 销 、 气 缸 头 螺 栓 等 进 行 详 细 的 强 度 校 核 。 5.1曲 轴 的 强 度 校 核1曲 轴 的 静 力 强 度 计 算 : 计 算 假 定 :( 1) 曲 轴 轴 瓦 的 支 反 力 按 不 连 续 粱 考 虑 , 即 按 二 点 支 承 力 计 算 ; ( 2)气 缸 最 大 爆 发 压 力 发 生 在 上 死 点 10 CA;( 3) 由 连 杆 传 来 的 合 力 作 用 在 曲 柄 销 中 点 ; ( 4) 轴 瓦 的 反 作 用 力 集 中 在 轴 颈 中 点 ;( 5) 最 大 弯 曲 力 矩 和 最 大 扭 转 力 矩 同 时 发 生 。 计 算 工 况 确 定 :( 1) 起 动 瞬 时 ; ( 2) 额 定 工 况 下 , 曲 拐 受 最 大 切 向 力 时 ;( 3) 额 定 工 况 下 , 曲 拐 受 最 大 法 向 力 时 ; ( 4) 额 定 工 况 下 , 曲 拐 受 最 小 法 向 力 时 ;曲 轴 已 知 数 据 如 图 5-1所 示 , 对 曲 轴 各 部 分 进 行 受 力 分 析 如 图 5-2所 示 图 5-2中 , Kb为 各 曲 柄 不 平 衡 重 的 离 心 力 , 其 值 为 : NRwmK bb 2.66965.18600360222 = 图 5-1曲 轴 简 图 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 19 NRwmK bb 2.65105.18600350211 =Cm为 曲 柄 销 离 心 力 合 力 : NC M 4.511515.18600274 =以 下 对 各 计 算 工 况 进 行 计 算 : 5.1.1起 动 瞬 时曲 拐 在 上 止 点 时 , T=O, Kb=0, Cm=0。 曲 拐 承 受 的 压 力 为 标 定 工 况 下 的 燃 气 最 大 爆 发 压 力 : NFPP pZF 9.1249210474108.7200 623 = 1曲 柄 销 在 曲 柄 销 中 点 截 面 i i上 所 受 的 弯 曲 应 力 : 13.473032 2045.624632 2045.62462405.0 33 = dwPFb 2曲 臂 最 大 弯 曲 力 矩 产 生 于 曲 柄 臂 的 中 央 部 位 , 即 下 图 的 截 面 所 示 于 是 可 计 算 各 曲 臂 的 弯 应 力 及 压 缩 应 力 。 MPalb lZb 18.37612112 1645.62466 22101 11 = = MPalbzc 65.412112 45.624601 1 = MPacb 83.4165.418.37 =+=+= 图 5-2曲 轴 受 力 分 析 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 20 由 于 40Cr的 MPab 8070= 故 安 全 。3主 轴 颈 主 轴 颈 的 危 险 断 面 在 轴 颈 与 曲 柄 臂 的 交 界 处 , 各 断 面 的 弯 曲 应力 为 MPadlzb 935.104032 1145.624632 33 2 91 = = 由 于 40Cr的 MPab 8070= 故 各 曲 轴 安 全 。5.1.2额 定 工 况 下 , 曲 拐 受 最 大 切 向 力 时 由 动 力 计 算 可 知 , 曲 拐 受 到 的 最 大 切 向 力 为 :当 a=380 时 , Pt=2740KPa.即 Npt 2.7747106042740 32 = NPra 7340= NPTT t 6.387374 372.77471211821 = 曲 柄 销 圆 角 处 的 支 反 力 为 : N l lCPFF Mra 2.18163720 37)101387340(20 )( 18 1821 =+ =+ = Nl lPKK t 9.50282037 372.77472018 1821 =+=+= 1曲 柄 销 1F引 起 的 弯 曲 应 力 : MPa dFtb 7.133032 202.18163220 3311 = 1K引 起 的 弯 曲 应 力 MPadKb 94.373032 209.502832 20 33 1 12 = 1T引 起 的 扭 转 应 力 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 21 MPadrT 93.423020 5.232.774720 33 1 1 = 合 成 应 力 MPabb 9.5893.4294.377.13 222222210 =+=+= 由 于 40Cr的 0 =80 lOOMPa, 故 安 全 。2曲 柄 臂 由 1Z及 1bK, 引 起 的 拉 伸 应 力 : MPa hb KZ bc 734.140114 2.6510139811 11 =由 1Z引 起 的 弯 曲 应 力 : MPa hb lZb 735.040114 61613986 2211 111 = = 由 1T和 扭 矩 1kM引 起 的 弯 曲 应 力 MPabh rPrT tb 094.4611440 5.232.7347162.77476 221112 = += += 由 1T在 - 两 点 产 生 的 扭 转 应 力 MPa hbq lT 24.240114303.0 162.774722111 11 = = =由 正 在 - 两 点 产 生 的 扭 转 应 力 MPaq 664.124.2742.0122 = 由 于 40Cr的 0 =80 lOOMPa, 故 安 全 。3主 轴 颈 主 轴 颈 的 危 险 断 面 在 轴 颈 与 曲 臂 的 交 界 处 。由 1Z引 起 的 弯 曲 应 力 MPa dlZb 43.24032 118.139032 332911 = = 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 22 由 1T引 起 的 弯 曲 应 力 MPadlTb 5.134032 112.774732 33 2 911 = 由 klM引 起 的 扭 转 应 力 MPadMklb 49.144016 5.232.774716 33 21 = 由 于 40Cr的 MPa80700 = , 故 安 全 。5.1.3额 定 工 况 下 , 曲 拐 受 最 大 法 向 力 时 由 动 力 计 算 可 知 , 曲 拐 受 到 的 最 大 法 向 力 为当 =360 时 , KPaP ra 5850= 即 NPra 5.16538106045850 32 = NPt 5.3170=( ) Nl lCPZZ mra 320074 37)101385.16538(21 1821 = Nl lPTT t 158574373170211821 = 曲 柄 销 圆 角 度 处 的 支 反 力 为 : ( ) N l lCPFF mra 4.41542037 37)101385.16538(2018 1821 =+ =+ = Nl lPKK t 20582037 3731702017 1821 =+=+= 1曲 柄 销 由 tF引 起 的 弯 曲 应 力 : MPaWFtb 34.313032 204.415420 31 = 由 1K引 起 的 弯 曲 应 力 : MPaWKtb 53.153032 20205820 31 = 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 23 由 1T引 起 的 扭 转 应 力 : MPadrT 56.173020 5.23317020 33 1 1 = 合 成 应 力 : MPabb 6.4956.17453.1534.314 222222210 =+=+= 由 于 rC40 的 MPa80700 = , 故 安 全 。2曲 柄 臂 由 1Z及 1bK引 起 的 拉 伸 应 力 : MPa hb KZ bc 38.1401149511320011 11 =由 1Z引 起 的 弯 曲 应 力 : MPa hb lZb 68.140114 61632006 2211 111 = = 由 1T和 扭 矩 1kM引 起 的 弯 曲 应 力 MPahb rPrT tb 289.1611440 5.235.31705.2315856 212112 = +=+= 由 1T在 - 两 点 产 生 的 扭 转 应 力 MPa hbq lT 459.040114303.0 161585 22111 111 =由 1T在 - 两 点 产 生 的 扭 转 应 力 MPaq 34.0459.0742.0 122 = 由 于 rC40的 MPa80700 = , 故 安 全 。3主 轴 颈 主 轴 颈 的 危 险 断 面 在 轴 颈 与 曲 臂 的 交 界 处 。由 1Z引 起 的 弯 曲 应 力 MPadlZb 6.54032 11320032 33 2 911 = 由 1T引 起 的 弯 曲 应 力 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 24 MPadlTb 77.24032 11158532 33 2 911 = 由 1kM引 起 的 扭 转 应 力 MPadMkb 96.24016 5.23158516 33 2 11 = 合 应 力 为 MPabb 61.896.2477.26.54 222222210 =+=+= 5.1.4额 定 工 况 下 , 曲 拐 受 最 小 法 向 力 时 由 动 力 计 算 可 知 , 曲 拐 受 到 的 最 小 法 向 力 为当 =495 时 , Pra=2670.2KPa, 即 NPra 2.7549106042670 32 = 002.0 = KPaPt( ) Nl lCPZZ mra 6.88433737 37)101382.7549(21 1821 =+ = ( ) Nl lCPFF mra 2.114812037 37)101382.7549(2018 1821 =+ =+ = 1曲 柄 销 MPawFb 49.323032 202.1148120 3 = = 由 于 rC40 的 MPa80700 = , 故 安 全 。2曲 柄 臂 由 1Z及 1bK引 起 的 拉 伸 应 力 : MPahb KZ bc 025.44011495116.884311 11 = 由 1Z引 起 的 弯 曲 应 力 : 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 25 MPahb lZb 65.440114 6166.88436 2211 111 = = 由 于 rC40 的 MPa80700 = , 故 安 全 。5.2连 杆 强 度 计 算 5.2.1连 杆 小 头1.由 惯 性 力 拉 伸 引 起 的 小 头 应 力 连 杆 小 头 简 化 后 如 图 4-3所 示其 中 mmr 5.7 1 = mmr 75.102 = , mmp 25= , mmH 5.14=mmrrr 125.9 221 =+= 小 头 壁 厚 mmh 25.3= 小 头 宽 度 mmb 19=活 塞 组 的 最 大 惯 性 力 NRwGpj 1863)1065.231(5.18600170)1(2m ax =+=+= 2小 头 中 心 截 面 上 的 弯 矩 mN rPM cj = = = 31.0 10)029.04.11600033.0(125.93863 )0297.000033.0( 3m ax0 图 5-3连 杆 小 头 简 图 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 26 小 头 中 心 截 面 上 的 法 向 力 N PM cj 9.1849 )4.1160008.04.116572.0(3863 )0008.0572.0(m ax0 = = = 小 头 固 定 截 面 上 的 弯 矩 mN rPrNMM ccjc = += += 072.1 )4.116cos4.116(sin10125.938635.0 )4.116cos1(10125.99.184931.0 )cos(sin5.0)cos1( 3 3 m ax002 小 头 固 定 截 面 上 的 法 向 力 N PNN ccjc
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格式:ZIP
上传时间:2021-02-25
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三维CATIA
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