基于SolidWorks二次開發(fā)的動(dòng)車組彈簧參數(shù)化設(shè)計(jì)

李振華+商躍進(jìn)++王紅

摘要： 為改進(jìn)彈簧類零件的原始建模方法，提高設(shè)計(jì)效率，采用VB為二次開發(fā)工具，研究在SolidWorks環(huán)境下動(dòng)車組軸箱彈簧參數(shù)化建模的方法.以CRH 2軸箱彈簧為例，完成其CAD自動(dòng)建模和CAE自動(dòng)分析.結(jié)果表明：該方法建模準(zhǔn)確且快速，且計(jì)算分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致.

關(guān)鍵詞：

CRH 2； 軸箱彈簧； 參數(shù)化建模； 二次開發(fā)； CAE

中圖分類號(hào)： U272.041文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

0引言

彈簧是工業(yè)中最常用的零件之一，具有夾緊、減振、復(fù)位和調(diào)節(jié)等多種功能，其中圓柱螺旋彈簧是最為常見的一種，其對(duì)鐵路車輛運(yùn)行的平穩(wěn)性、曲線通過能力以及保證車輛安全運(yùn)行起重要作用.

1參數(shù)化設(shè)計(jì)

1.1參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念

參數(shù)化設(shè)計(jì)即通過參數(shù)、關(guān)系和參照元素的方法把部件設(shè)計(jì)意圖融入到模型里，以約束造型為核心，以尺寸驅(qū)動(dòng)為特征，允許設(shè)計(jì)人員進(jìn)行草圖設(shè)計(jì)，勾畫出設(shè)計(jì)輪廓，然后輸入精確尺寸值完成最終的設(shè)計(jì).參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)使得設(shè)計(jì)者可以通過設(shè)計(jì)參數(shù)來驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品零件的幾何模型.

1.2機(jī)車車輛零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)專家學(xué)者對(duì)機(jī)車車輛零部件的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行一些研究，如陳德強(qiáng)等提出鐵路貨車彈簧組的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研發(fā)，陳建等提出機(jī)車車軸參數(shù)化設(shè)計(jì)研究等.研究人員主要采用三維模型與程序控制相結(jié)合的方式，建立零件的參數(shù)化模型庫供用戶調(diào)用，利用VB和C++等編程語言以及可視化界面技術(shù)，設(shè)計(jì)方便的人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)機(jī)械零件的參數(shù)化CAD系統(tǒng).

上述方法建立的模型庫并不能滿足不同用戶對(duì)不同模型的要求，并且其建立的參數(shù)化系統(tǒng)大多是對(duì)零件進(jìn)行CAD建模，或是自動(dòng)生成工程圖，而對(duì)參數(shù)化建模后零件的CAE分析沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化.本文針對(duì)這一問題，在SolidWorks平臺(tái)中，利用VB進(jìn)行二次開發(fā)，建立動(dòng)車組彈簧的參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠根據(jù)用戶輸入的參數(shù)驅(qū)動(dòng)模型重新建模，不僅實(shí)現(xiàn)零件的參數(shù)化建模，而且完成零件的CAE自動(dòng)分析，顯著提高設(shè)計(jì)效率.

1.3VB開發(fā)Solidworks的方法和流程

通過編寫VB程序?qū)olidWorks軟件進(jìn)行二次開發(fā)，流程圖見圖1.首先在SolidWorks中實(shí)現(xiàn)對(duì)模版零件的CAD造型和CAE分析；然后使用VB編制應(yīng)用程序界面；最后編譯程序并生成可執(zhí)行程序供SolidWorks程序調(diào)用.當(dāng)進(jìn)行零件設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)者通過應(yīng)用程序界面錄入初始參數(shù)，使用SolidWorks的API函數(shù)完成參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模型的CAD建模與CAE分析.

2動(dòng)車組彈簧參數(shù)化設(shè)計(jì)

2.1確定基本參數(shù)

圓柱螺旋彈簧的結(jié)構(gòu)見圖2，主要參數(shù)之間的關(guān)系如下.

螺旋線的節(jié)距t=πDtan α（1）

螺旋線的曲率半徑ρ=D2cos2α（2）

彈簧的剛度Kv=Gd8nm3=Gd48nD3（3）

彈簧的撓度fv=8Pvm3nGd=PvKv（4）

彈簧的應(yīng)力τmax=8PmaxDCπd3≤[τ] （5）

彈簧全壓縮高度Hmin=（n+1）d （6）

式中：α為彈簧的螺旋角；D為彈簧中徑，即彈簧內(nèi)外徑的平均值；d為簧條直徑；G為剪切彈性模數(shù)；Pv為作用于彈簧上的垂向靜載荷；m為彈簧指數(shù)，m=D/d；C為應(yīng)力修正系數(shù)；Pmax為作用于彈簧上的最大垂向載荷；Hmin為彈簧圈全壓縮高度，即彈簧在全壓死狀態(tài)下的高；n為彈簧有效圈數(shù).

由以上各式可以看出，彈簧中徑D，簧條直徑d，自由高度H0和有效圈數(shù)n決定彈簧的幾何結(jié)構(gòu)與性能，這4個(gè)關(guān)鍵參數(shù)可以確定彈簧的基本結(jié)構(gòu)，而其他參數(shù)均由關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算得到，為導(dǎo)出參數(shù).因此，將D，d，H0和n定為參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本參數(shù).

2.2動(dòng)車組彈簧CAD建模和CAE分析

采用三段直線法完成彈簧的CAD建模，其造型過程為：先繪制3條首尾相連的螺旋線，并將其組合為一條螺旋線，再繪制簧條圓，然后利用掃描特征創(chuàng)建彈簧基體，最后利用拉伸切除特征創(chuàng)建支撐圈.

模版彈簧的CAD建模完成后，利用SolidWorks軟件中的Simulation模塊對(duì)生成的彈簧進(jìn)行剛度計(jì)算，將彈簧的下支撐圈固定，在上支撐圈施加單位位移，所得固定端支反力即為彈簧剛度.

2.3動(dòng)車組彈簧參數(shù)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)

通過編寫VB程序?qū)olidWorks軟件進(jìn)行二次開發(fā)，其關(guān)鍵步驟如下.

1）在SolidWorks中實(shí)現(xiàn)對(duì)模版零件（本文以CRH 2外簧為模版）的造型，以特定的文件名（如后綴為SLDPRT，SLDDRW和SWP）保存到指定文件夾.

2）用SolidWorks中的宏命令，把建模的全過程錄制成宏文件，找出宏文件中與模型生成有關(guān)的關(guān)鍵函數(shù)，即模型的基本參數(shù).弄清基本參數(shù)的變化對(duì)實(shí)體建模的影響，將模型的基本參數(shù)用變量代替，建立SolidWorks中的動(dòng)車組彈簧參數(shù)化模型.

3）使用VB編制應(yīng)用程序界面，編譯程序并生成可執(zhí)行程序供SolidWorks程序調(diào)用.

4）完成可執(zhí)行應(yīng)用程序后，使用SolidWorks API函數(shù)完成參數(shù)化驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)模型的建立.

3參數(shù)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)開發(fā)

3.1設(shè)計(jì)界面

在繪制窗體前首先修改圓柱螺旋彈簧零件模型的特征尺寸，SolidWorks會(huì)自動(dòng)為標(biāo)注的尺寸命名，并且不同特征的尺寸名稱可以重復(fù)，如

D1，D2，D3等，但是這種名稱極不規(guī)則，沒有明確的意義，并且可以被多個(gè)特征尺寸共用，容易混亂.由于這些特征尺寸是定義變量參數(shù)，為在編寫程序文件時(shí)方便，應(yīng)該按照一定的規(guī)則為變量參數(shù)重新命名，并且名稱應(yīng)盡量接近國標(biāo)中規(guī)定的尺寸名稱，如d，D和n等.

彈簧參數(shù)化設(shè)計(jì)的VB界面見圖3，在窗體上繪制標(biāo)簽和文本框等對(duì)象，并進(jìn)行賦值或調(diào)用模型中對(duì)應(yīng)的參數(shù).

3.2編寫VB程序代碼

設(shè)置窗體及控件的屬性之后編寫如下代碼.

Private Sub CmdOK_Click（）

MDiameterValue = Val（TxtMD.Text） / 1000

TDiameterValue = Val（TxtTd.Text） / 1000

nValue = Val（Txtn.Text）

HValue= Val（Txtfmax.Text） / 1000

Call ParameterSub（MDiameterValue， TDiameterValue， nValue， HValue）‘調(diào)用更新函數(shù)

End Sub

4設(shè)計(jì)實(shí)例

本系統(tǒng)模版模型采用CRH 2軸箱彈簧外簧，其主要參數(shù)見表1.在圖3的設(shè)計(jì)界面中輸入相應(yīng)數(shù)據(jù)，單擊圖3窗體界面的“實(shí)體建模”按鈕通過驅(qū)動(dòng)程序生成所需的彈簧模型，并單擊Simulation模塊下的剛度算例的運(yùn)行按鈕，自動(dòng)進(jìn)行CAE分析，返回給用戶.運(yùn)行程序得到的實(shí)體模型和計(jì)算結(jié)果見圖4，剛度計(jì)算結(jié)果見表2.自動(dòng)分析出的結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)、計(jì)算數(shù)據(jù)均相接近.

5結(jié)束語

利用VB對(duì)SolidWorks軟件進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)車組軸箱彈簧三維幾何模型的參數(shù)化設(shè)計(jì).參數(shù)化建模完成后，當(dāng)再設(shè)計(jì)彈簧時(shí)，可直接調(diào)用已有的彈簧設(shè)計(jì)宏程序，修改相應(yīng)參數(shù)即可快速準(zhǔn)確地繪制彈簧并自動(dòng)計(jì)算其剛度.為螺旋類零件的三維實(shí)體參數(shù)化建模提供一種有效的方法，在企業(yè)生產(chǎn)中具有較大的推廣價(jià)值.

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（編輯武曉英）