數(shù)字化三維CAD在上海國產(chǎn)化A型地鐵列車項目中的運用

呂元穎1上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 (200233)2同濟大學(xué) (201804)

呂元穎（1984年~），男，本科，工程師，主要從事鐵道與城市軌道交通研究。

0 三維計算機輔助設(shè)計概述

自20世紀(jì)80年代以來，計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)已得到了廣泛應(yīng)用，并且在產(chǎn)品設(shè)計、制造過程中顯現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性。進入21世紀(jì)，隨著計算機性能的提高、信息處理的智能化，計算機輔助設(shè)計（CAD）技術(shù)也進入了新階段，產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計手段正從二維CAD向三維CAD過渡。目前，一些工業(yè)發(fā)達國家的企業(yè)已完成了CAD技術(shù)上的跳躍，而我國大部分企業(yè)尚停留在二維設(shè)計的水平，二維CAD仍是行業(yè)中最普遍使用的設(shè)計工具。然而，隨著工業(yè)的飛速發(fā)展，對產(chǎn)品設(shè)計和生產(chǎn)的要求也日益增高，傳統(tǒng)的二維CAD已無法解決設(shè)計中一些困難問題:復(fù)雜的投影線及曲面生成、檢測結(jié)構(gòu)件干涉情況、機構(gòu)運動關(guān)系分析、產(chǎn)品設(shè)計更改與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等。

為了避免由研發(fā)設(shè)計失誤而造成的經(jīng)濟損失，上海國產(chǎn)化A型地鐵列車項目完全采用三維CAD設(shè)計，并探索出一條基于城軌車輛研制的數(shù)字化三維CAD設(shè)計集成平臺。該平臺不僅保證了A型地鐵列車研發(fā)設(shè)計、工藝、采購、生產(chǎn)和組裝的成功實施，而且為車輛仿真分析和優(yōu)化設(shè)計提供了數(shù)據(jù)模型。目前，A型地鐵列車已在上海地鐵9號線載客運營10萬km，并通過了項目驗收。

1 A型地鐵列車項目三維CAD設(shè)計平臺和流程簡介

A型地鐵列車項目設(shè)計完全基于城軌車輛研制的數(shù)字化三維CAD設(shè)計集成平臺，該平臺保證了項目設(shè)計的順利實施。

該平臺的三維CAD系統(tǒng)采用了法國達索CATIA軟件，PDM系統(tǒng)采用Smarteam軟件。三維CAD應(yīng)用貫穿于A型地鐵列車項目的各個設(shè)計階段，以CATIA骨架模型為基礎(chǔ)進行整車及零部件的三維建模和裝配；通過CATIA工程圖模塊完成車輛施工圖樣設(shè)計；并采用Smarteam系統(tǒng)管理所有三維CAD數(shù)據(jù)和施工圖樣。

上海國產(chǎn)化A型地鐵列車項目三維CAD設(shè)計流程可以按照以下6個步驟進行，如圖1所示。

圖1 設(shè)計流程

(1) 從合同或技術(shù)規(guī)格書中得到該產(chǎn)品的總體技術(shù)指標(biāo)。

(2) 按照技術(shù)指標(biāo)進行總體規(guī)劃，并參照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)及借鑒以往成熟產(chǎn)品進行車輛總骨架設(shè)計，如果借用以往產(chǎn)品中的設(shè)計信息，必須斷掉參數(shù)。

(3) 各個大部件設(shè)計以車輛總骨架文件為基準(zhǔn)，進行大部件子骨架的設(shè)計。

(4) 進行具體零件的設(shè)計，僅允許與該系統(tǒng)大部件子骨架保持外部關(guān)聯(lián)，其余來源的參考元素可以使用，但是必須斷掉參數(shù)。

(5) 將設(shè)計完成的零件調(diào)入到裝配設(shè)計，并進行分析檢查工作，進一步完善設(shè)計。

(6) 按照三維零件與裝配件投影二維工程圖，并標(biāo)注尺寸，添加標(biāo)題欄、生成明細欄及文字注釋等，完成施工圖樣的設(shè)計。

2 A型地鐵列車項目的三維CAD設(shè)計方法

2.1 A型地鐵列車項目的三維CAD設(shè)計模板

為了滿足A型地鐵列車項目產(chǎn)品研發(fā)的需求，在設(shè)計初始階段共開發(fā)了6種三維CAD模板：骨架設(shè)計模板、零件設(shè)計模板、復(fù)合材料設(shè)計模板、曲面零件設(shè)計模板、外來部件模板和裝配設(shè)計模板。上述6種模板基本能滿足不同種類零部件設(shè)計和裝配設(shè)計的需要，并使設(shè)計結(jié)果更為準(zhǔn)確，設(shè)計過程更加方便，更具效率。

2.2 骨架設(shè)計

骨架是CATIA三維設(shè)計的源頭，它控制著整車或整個系統(tǒng)的布局，其本身并不是一個單獨零部件，而是掌控所有零部件大小與定位尺寸的特殊文件。骨架文件的重要性不言而喻，骨架按其作用范圍分為兩類，總骨架和子骨架。對于A型地鐵列車項目來說，一列編組車輛共有三種車型，帶司機室的拖車（A車）、帶受電弓的動車（B車）、動車（C車）。每種車型各自擁有一個總骨架文件，而其下屬的大部件則擁有子骨架文件。車輛總骨架文件的內(nèi)容來自于車輛總體設(shè)計所確認(rèn)的引用標(biāo)準(zhǔn)、車輛主要技術(shù)規(guī)格、車輛總體布置、基本技術(shù)條件等信息。而部件子骨架文件的內(nèi)容則來自于車輛總骨架文件發(fā)布的信息，由設(shè)計師根據(jù)大部件設(shè)計內(nèi)容添加所需要的信息。

無論是車輛裝配的總骨架文件還是其下屬大部件裝配的子骨架文件，其設(shè)計方法都是相同的。 例如，車體鋁結(jié)構(gòu)骨架文件是控制鋁合金車體所有零部件的源頭，它確立了其下級所有零部件的大小與定位尺寸。

首先，車體鋁結(jié)構(gòu)骨架文件需要獲取設(shè)計信息，這些信息通常由總設(shè)計師完成，并在車輛總骨架文件中發(fā)布。信息內(nèi)容包括：軌面、車輛定距中心面、車輛縱向中心面、車體輪廓線、車輛限界、枕梁中心面、車體外端面、空調(diào)平臺面、地板布平面、車門和車窗中心面等。具體操作就是將外部參考信息由車輛總骨架文件復(fù)制到車體鋁結(jié)構(gòu)骨架文件中，而這些信息在設(shè)計過程中始終關(guān)聯(lián)于總骨架文件。骨架文件可以參考歷史車型的信息，但一般需要斷掉相關(guān)參數(shù)。

其次，設(shè)計師根據(jù)引用信息來設(shè)計車體鋁結(jié)構(gòu)的基本信息。A型地鐵列車項目車體結(jié)構(gòu)采用大斷面鋁合金擠壓型材的整體焊接承載結(jié)構(gòu)。車體輪廓為梯形，帶受電弓的動車（B車）和動車（C車）車體主要由底架、側(cè)墻、端墻、車頂組成，帶司機室的拖車（A車）額外增加一個司機室結(jié)構(gòu)。就車體鋁結(jié)構(gòu)骨架文件而言，需要設(shè)計的信息就是車體外輪廓型材斷面及一些結(jié)構(gòu)件的大小及定位尺寸，便于下級底架、側(cè)墻、端墻、車頂、司機室結(jié)構(gòu)部件設(shè)計的實施。車體型材斷面一般采用草圖工具設(shè)計，其定位面采用車輛定距中心面。

最后將這些信息歸類并發(fā)布，如圖2、圖3所示。

2.3 零件設(shè)計

由于車輛研發(fā)設(shè)計是一個龐大的工程，需要多個專業(yè)組協(xié)同研發(fā)設(shè)計，所以零件種類繁多，甚至有些零件結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。為了提高設(shè)計效率，采用不同的方法來實現(xiàn)零部件設(shè)計。一般來說，應(yīng)盡可能地采用最簡單的基本特征來建模，以加快設(shè)計速度，減少存儲空間，提高裝配速度，方便設(shè)計修改。

A型地鐵列車項目將零件設(shè)計歸結(jié)為8類。

2.3.1 簡單零件的設(shè)計

對于比較簡單的零件，如墊圈、套筒、薄板類零件、加強結(jié)構(gòu)等，由于這類零件結(jié)構(gòu)相對簡單，所以建模步驟很少。這些零件設(shè)計都采用零件設(shè)計模板，一般先采用草圖設(shè)計創(chuàng)建生成特征的輪廓線，然后利用特征命令，生成三維實體，如圖4所示。

圖4 簡單小零件

又如車體鋁結(jié)構(gòu)側(cè)墻型材零件，首先，從車體鋁結(jié)構(gòu)骨架文件獲取已發(fā)布的型材斷面信息；然后，通過主特征基準(zhǔn)，將型材斷面進行拉伸，并采用添加或切除特征命令對鋁結(jié)構(gòu)側(cè)墻型材零件模型進行加工，使之達到最終設(shè)計要求，如圖5所示。

圖5 鋁型材零件

2.3.2 鑄件的設(shè)計

鑄件結(jié)構(gòu)一般比較復(fù)雜，難點在于如何清晰準(zhǔn)確地拆分零件的結(jié)構(gòu)，以方便模型的設(shè)計與修改。鑄件設(shè)計同樣采用零件設(shè)計模板。

例如轉(zhuǎn)向架軸箱設(shè)計，首先，定義設(shè)計對象的基本形狀與位置，將其分成幾個獨立的部分，并分別建模，如圖6所示；其次，用合適的結(jié)構(gòu)將幾個獨立部分連起來，并采用布爾加減運算，形成一個整體三維模型；最后，進行開孔、倒圓、拔模等特征操作，完成最終模型，如圖7所示。

圖6 軸箱主體部分

圖7 軸箱最終實體

2.3.3 對稱件的設(shè)計

對于對稱件而言，規(guī)定一般采用先設(shè)計右件，對稱左件的方法。對稱件又可以分為兩類，一種是完全對稱的，還有一種則是基本對稱。

例如側(cè)墻左右門立柱零件，可以先按普通零件設(shè)計方法完成側(cè)墻右門立柱零件；然后，將右件模型結(jié)果發(fā)布；最后將其發(fā)布結(jié)果帶關(guān)聯(lián)地復(fù)制到側(cè)墻左門立柱零件設(shè)計文件中，完成左件設(shè)計。如果左件需要作設(shè)計修改，那么可以直接在其最終實體上進行特征操作。倘若右件設(shè)計更改，那么左件也會相應(yīng)自動調(diào)整，如圖8、圖9所示。

圖8 側(cè)墻門立柱右件

圖9 側(cè)墻門立柱左件

2.3.4 復(fù)合材料件的設(shè)計

復(fù)合材料件的結(jié)構(gòu)相對簡單，但在多種材料綜合運用時，系統(tǒng)難以統(tǒng)計其重量、重心等數(shù)據(jù)。為了解決這一問題，引入復(fù)合材料件設(shè)計模板。

以司機室外罩為例，司機室外罩材料主要以玻璃鋼為主，為了滿足安裝需要，在玻璃鋼件中預(yù)埋了許多鋁型材吊掛槽和鋁板，所以司機室外罩構(gòu)成了一個復(fù)合材料零件。首先，將司機室外罩零件所有材料進行分類，按照復(fù)合材料編號與相關(guān)材料屬性一一對應(yīng)；然后，按照材料分類分別進行三維實體建模，其建模方法與普通零件設(shè)計方法相同，如圖10、圖11所示。

圖10 司機室玻璃鋼

圖11 預(yù)埋零件

2.3.5 曲面零件的設(shè)計

曲面零件的形狀比較復(fù)雜，大部分的工作量都集中在曲面設(shè)計中，其采用曲面零件設(shè)計模板。

以座椅零件為例，座椅零件表面采用易于成形的玻璃鋼材料。首先，座椅零件文件從客室布置骨架文件獲取發(fā)布的輪廓和定位信息，這些信息在設(shè)計過程中始終關(guān)聯(lián)于客室布置骨架文件；其次，在參考信息創(chuàng)建內(nèi)部參考面和線等信息的基礎(chǔ)上，生成多條座椅表面斷面曲線，如圖12所示；然后，采用曲面放樣命令生成座椅曲面；最后，采用曲面增厚命令將座椅表面生成為三維實體模型，并對實體模型進行修改，最終達到設(shè)計要求，如圖13所示。

2.3.6 空氣管路設(shè)計

運用CATIA管路設(shè)計模塊對地鐵車輛進行空氣管路設(shè)計，其特點是：方便、簡單、快捷；主要目的是：得到軟管或硬管在空間走向和尺寸。優(yōu)點：使空氣管路在整車布置的更合理，尺寸準(zhǔn)確，更縮短了開發(fā)周期。其主要步驟如下：

(1) 在Tubing Design模塊中給機械屬性的零件附加管路屬性。

(2) 在“庫編輯”模塊中把定義成管路屬性的零件如：管接頭、 附件等做成庫文件。

(3) 在管路設(shè)計模塊Tubing Design中進行制動或氣動零件放置。

(4) 在管路設(shè)計模塊Tubing Design中進行元件的軟管或硬管連接。

(5) 在管路設(shè)計模塊Tubing Design中給管路增加管接頭或其他附件。

設(shè)計效果如圖14所示。

圖14 空氣管路的設(shè)計

2.3.7 電氣布線設(shè)計

運用CATIA電氣設(shè)計模塊對地鐵車輛進行電路布線設(shè)計，其特點是：方便、簡單、快捷；主要目的是：得到線束在空間走向和尺寸。優(yōu)點：使線束在整車中布置的更合理，尺寸準(zhǔn)確，更縮短了開發(fā)周期。其主要步驟如下：

(1) 在Electrical Part Design模塊中給機械屬性的零件附加電器屬性。

(2) 在“庫編輯”模塊中把定義成電器屬性的零件如：連接器、扎帶、橡膠件等做成庫文件。

(3) 在線束裝配模塊Electrical Harness Assembly中進行電器零件放置。

(4) 在線束裝配模塊Electrical Harness Assembly中進行元件的連線。

(5)在線束裝配模塊Electrical Harness Assembly中給線束增加保護覆蓋物。

設(shè)計效果如圖15所示。

圖15 電氣布線設(shè)計

2.3.8 外來零部件的管理

外來零部件是指由供應(yīng)商提供的三維模型。這些模型需要導(dǎo)入A型地鐵列車項目數(shù)據(jù)庫，校驗其裝配尺寸，并統(tǒng)計整車重量、計算整車重心。這些外來件通常是一些設(shè)備，例如門機構(gòu)、空調(diào)系統(tǒng)、受電弓機構(gòu)、貫通道、車鉤等，而這些模型采用的數(shù)據(jù)通常與A型地鐵列車三維CAD設(shè)計平臺不同。為了規(guī)范外來零部件的管理，將外來部件模型導(dǎo)入外來部件模板，并在相關(guān)信息欄中填入由供應(yīng)商提供的重量及其重心坐標(biāo)等信息，以方便數(shù)據(jù)運用和管理，如圖16所示。

圖16 外來部件

3 裝配設(shè)計

裝配設(shè)計是整個產(chǎn)品完整呈現(xiàn)的必要步驟，也是零部件設(shè)計的進一步完善和深化。以A型地鐵列車項 目總裝配為例，列車為六輛編組，車種分為帶司機室的拖車(A車)、帶受電弓的動車(B車)和動車(C車)，車輛編組形式為-A*B*C=C*B*A-，如圖17所示。在CATIA三維裝配設(shè)計中，A型地鐵列車總裝配用結(jié)構(gòu)樹目錄來表示，如圖18所示。

圖7 上海國產(chǎn)化A型地鐵列車結(jié)構(gòu)樹目錄

對于城軌車輛來說，需要多個專業(yè)組協(xié)同研發(fā)設(shè)計，部件種類非常多，這就需要裝配設(shè)計先期統(tǒng)籌規(guī)劃。以帶受電弓的動車(B車)為例，其總裝配下屬子部件有19個，裝配圖結(jié)構(gòu)樹如圖8所示。

圖8 帶受電弓的動車（B車）結(jié)構(gòu)樹目錄

車體鋁結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向架是A型地鐵列車項目的關(guān)鍵部件。這些大部件三維模型由數(shù)量龐大的零部件、標(biāo)準(zhǔn)件等組成，如圖19、圖20所示。

4 工程圖生成

利用三維CAD設(shè)計完成產(chǎn)品設(shè)計后，就可以高效、直觀的方式進行產(chǎn)品二維工程圖紙設(shè)計，用于產(chǎn)品的生產(chǎn)。A型地鐵列車項目設(shè)計采用CATIA二維繪圖模塊生成工程圖樣。這樣可以從已完成的三維零部件模型中，準(zhǔn)確、快速地生成相關(guān)聯(lián)的工程圖樣，包括各方向視圖、剖面圖、剖視圖、局部放大圖、軸側(cè)圖；可自動標(biāo)注或手動標(biāo)注；剖面線的填充；生成企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的圖樣；生成部件裝配圖的材料明細欄等，并且可以生成DXF和DWG等其他格式的文件，如圖21所示。

圖21 工程圖樣

5 三維CAD設(shè)計運用在A型地鐵列車項目中的優(yōu)點

通過A型地鐵列車項目的研制開發(fā)驗證了一套基于城軌車輛研制的數(shù)字化三維CAD設(shè)計集成平臺。該平臺比傳統(tǒng)的二維CAD設(shè)計平臺更具優(yōu)勢。

5.1 骨架設(shè)計駕馭整車設(shè)計

運用骨架設(shè)計控制整車或整個部件的布局，理清產(chǎn)品設(shè)計思路，規(guī)劃總體設(shè)計方案。為后續(xù)施工設(shè)計工作提供了信息和依據(jù)，確立了其下級所有零部件的大小與定位尺寸。如果方案設(shè)計需要修改，可直接調(diào)整車輛總骨架文件或部件子骨架文件，其修改信息會自動延續(xù)到下級零部件。

5.2 零件設(shè)計操作更加靈活

在設(shè)計初始階段，開發(fā)了普通零件、復(fù)合材料、曲面零件、外來零部件等設(shè)計模板。這些模板滿足了不同種類零件的設(shè)計需求，使設(shè)計過程更加靈活便捷。

使用三維CAD設(shè)計，可以在裝配環(huán)境中根據(jù)骨架文件信息直接創(chuàng)建新零件，也可以利用相鄰零件的位置及形狀來設(shè)計新零件，既靈活又快捷，避免了單獨設(shè)計零件導(dǎo)致裝配失敗。資源查找器中的零件回放功能可以清晰地演示零件設(shè)計的整個過程。

5.3 裝配設(shè)計組裝更具效率

通過運用裝配設(shè)計模板使零部件裝配更具效率。

在裝配過程中，資源查找器中的裝配路徑記錄了零部件之間的裝配關(guān)系，若裝配不正確即予以顯示。另外，當(dāng)隱藏了部分零件的時候，可清晰地瀏覽車輛內(nèi)部的裝配結(jié)構(gòu)。整個車輛部件裝配模型完成后還能進行各種運動演示。對于有一定行程要求的運動機構(gòu)，可檢驗行程是否達到要求；也可采用爆炸運動模擬，檢驗零部件裝配可行性。如有干涉，及時對設(shè)計進行更改，避免生產(chǎn)過程中發(fā)生過多修改或報廢。

5.4 二維圖樣生成更加方便

利用三維CAD設(shè)計完成產(chǎn)品研發(fā)設(shè)計后，就可以高效、直觀的方式進行零部件二維工程圖樣生成。雖然利用三維模型生成二維工程圖樣過程略顯繁瑣復(fù)雜，但這種方法仍為出圖帶來許多好處。其可以通過三維模型自動生成各方向視圖、完成基本標(biāo)注、生成部件裝配圖的材料明細欄等，并且可以根據(jù)三維模型設(shè)計修改，自動更新二維工程圖樣內(nèi)容。為了兼容傳統(tǒng)二維CAD設(shè)計軟件，二維工程圖樣模塊可以很方便地生成DXF和DWG等其他格式的文件。

5.5 縮短產(chǎn)品設(shè)計周期

采用三維CAD技術(shù)，縮短了車輛研發(fā)設(shè)計時間，大幅度地提高了設(shè)計和生產(chǎn)效率。在運用三維CAD系統(tǒng)進行新車輛研發(fā)設(shè)計時，只需對其中部分零部件進行重新設(shè)計，而大部分零部件的設(shè)計都將繼承以往項目的信息，提高了車輛研發(fā)設(shè)計效率。

5.6 兼容其他計算機輔助工具

三維CAD技術(shù)能有效地兼容CAE、CAPP、CAM等計算機輔助工具。三維CAD技術(shù)可為CAE技術(shù)提供數(shù)據(jù)模型，為有限元模型提供依據(jù)，配合完成車體結(jié)構(gòu)強度、模態(tài)、穩(wěn)定性、碰撞安全性等計算分析，保證了車輛設(shè)計要求。同時，三維CAD技術(shù)又能配合CAPP和CAM技術(shù)，完成零部件數(shù)控加工，保證了車輛產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量。

5.7 集成PDM系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理

三維CAD設(shè)計文件運用PDM系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)管理。運用PDM系統(tǒng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)編輯功能，可建立車輛產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模型，對產(chǎn)品的三維模型、二維工程圖樣、明細欄進行有序、可控的管理，并建立了車輛產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)了明細表、標(biāo)準(zhǔn)件、外購件和原材料匯總表等自動生成功能。

6 結(jié)語

采用數(shù)字化三維CAD設(shè)計平臺，保證了A型地鐵列車項目研發(fā)設(shè)計和試制的成功。車輛性能和各項試驗數(shù)據(jù)均滿足設(shè)計指標(biāo)的要求；車輛布局更加科學(xué)合理，符合人機工程學(xué)；有效地縮短了車輛研發(fā)周期，提高了設(shè)計效率，降低了生產(chǎn)成本，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。

上海國產(chǎn)化A型地鐵列車項目研發(fā)設(shè)計探索出了一套基于城軌車輛研制的數(shù)字化三維CAD設(shè)計流程，開發(fā)了一個既滿足現(xiàn)有應(yīng)用需要，又可擴充、可發(fā)展的開放設(shè)計平臺，提升了我國軌道交通車輛的研發(fā)水平，為后續(xù)車型的研發(fā)設(shè)計打下了良好的基礎(chǔ)。

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