基于CATIA CAA軟件平臺的高速列車轉(zhuǎn)向架三維骨架設(shè)計*

王 倩 郭 璇 王 建 崔艾嘉

(1.中車長春軌道客車股份有限公司質(zhì)量保證部,130062,長春;2.中車長春軌道客車股份有限公司轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，130062，長春；3.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，610031，成都//第一作者，高級工程師)

當(dāng)前,高速列車的需求正呈現(xiàn)出多樣化和個性化的特點。轉(zhuǎn)向架作為高速列車的核心模塊，要不斷的調(diào)整結(jié)構(gòu)以適應(yīng)新的需求。轉(zhuǎn)向架各個子模塊零部件之間存在著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對其中某一個模塊的參數(shù)變更，會影響到其它模塊的變化甚至影響整體產(chǎn)品結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)根據(jù)頂層的需求做設(shè)計參數(shù)變更時，如何實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架參數(shù)變更在各個模塊零部件之間有效傳遞成為一個主要問題。

自頂向下設(shè)計是一種能夠?qū)崿F(xiàn)設(shè)計信息從頂層到底層傳遞的設(shè)計過程方法[1]，主要包括需求分析、概念設(shè)計和詳細設(shè)計階段。三維骨架設(shè)計模型是實現(xiàn)自頂向下設(shè)計過程的一個有效工具。三維骨架涵蓋了關(guān)鍵的產(chǎn)品集成設(shè)計信息并且能有效表達設(shè)計者的意圖。在自頂向下設(shè)計和三維骨架設(shè)計方面，文獻[2]在Solidworks軟件平臺中實現(xiàn)自頂向下的裝配設(shè)計；文獻[3]在Pro/E軟件平臺中實現(xiàn)頂層基本骨架設(shè)計；文獻[4]在CATIA三維建模軟件平臺中采用頂層骨架建模方法支持自頂向下設(shè)計。

本文引入自頂向下的設(shè)計思想，在高速列車轉(zhuǎn)向架功能模塊變更分析的基礎(chǔ)上，基于CATIA CAA軟件二次開發(fā)技術(shù)，提出以頂層基本骨架(TBS)為設(shè)計核心的三維骨架設(shè)計方法，并描述基于CAA平臺的三維骨架模型設(shè)計流程，建立高速列車轉(zhuǎn)向架三維參數(shù)化骨架模型。

1 高速列車轉(zhuǎn)向架功能模塊變更分析

轉(zhuǎn)向架的三維骨架設(shè)計模型是以高速列車轉(zhuǎn)向架的模塊組成及裝配關(guān)系為基礎(chǔ)的整個產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)功能模塊的抽象表達，主要描述模塊及其零部件的布局、基準(zhǔn)和幾何屬性，體現(xiàn)轉(zhuǎn)向架的拓?fù)浜脱b配約束關(guān)系[5]。根據(jù)現(xiàn)有高速列車轉(zhuǎn)向架的功能和結(jié)構(gòu)特點，劃分為6個一級模塊：構(gòu)架模塊、輪對模塊、一系懸掛模塊、二系懸掛模塊、驅(qū)動裝置模塊、基礎(chǔ)制動裝置模塊[6]，再將6個一級模塊分解為二級模塊及零部件，如圖1所示。

首先,分析出對轉(zhuǎn)向架結(jié)構(gòu)形式和性能有影響的參數(shù)。現(xiàn)有轉(zhuǎn)向架設(shè)計中子模塊零部件分為外購模塊、必選模塊、可選模塊、標(biāo)準(zhǔn)模塊等[7]。通過對現(xiàn)有高速列車不同型式的轉(zhuǎn)向架的子模塊及零部件之間的比較，得到高速列車轉(zhuǎn)向架模塊需變更參數(shù)的部分結(jié)果，如表1所示。

表1 高速列車轉(zhuǎn)向架模塊變更分析

2 高速列車轉(zhuǎn)向架三維骨架設(shè)計

以頂層基本骨架為設(shè)計核心，對高速列車轉(zhuǎn)向架的三維骨架進行設(shè)計。頂層基本骨架的設(shè)計通常做法是在裝配的環(huán)境下建立布局草圖，并將該草圖作為整個裝配體上頂層的零部件。然后以TBS為基礎(chǔ)進行拷貝、編輯、細化、優(yōu)化完善實現(xiàn)整個設(shè)計過程[8]。而傳統(tǒng)的骨架建立方法對于零部件的信息表達并不完整，不能滿足對三維草圖的描述。尤其是現(xiàn)在越來越強調(diào)頂層基本骨架需最大限度的表達設(shè)計者的設(shè)計意圖背景下，單純的二維布局和只有參考基準(zhǔn)的骨架已不能滿足要求。

傳統(tǒng)CAD(計算機輔助設(shè)計)軟件中，任意一個零件特征都可以在草圖的基礎(chǔ)上經(jīng)過特征化操作生成，如旋轉(zhuǎn)特征、拉伸特征等。基于CATIA CAA軟件平臺上實現(xiàn)高速列車轉(zhuǎn)向架自頂向下設(shè)計的主要問題在于骨架信息的發(fā)布，頂層基本骨架中的關(guān)鍵設(shè)計信息要實現(xiàn)傳遞和共享，就需要將這些信息進行發(fā)布。利用CATIA軟件的發(fā)布功能，設(shè)計者可以將零件的基礎(chǔ)草圖進行發(fā)布，以便其它設(shè)計者重用或者變更傳遞。設(shè)計者不僅可以發(fā)布參考點、線、面等，還可以發(fā)布草圖、特征等元素，并且能夠以三維草圖的形式構(gòu)建頂層基本骨架，以便直觀的體現(xiàn)其設(shè)計意圖。因此,將高速列車轉(zhuǎn)向架的頂層基本骨架分解為確定子模塊空間布局的結(jié)構(gòu)布局骨架、確定零件特征的參考基準(zhǔn)骨架(參考點、線、面)以及確定零件大概外形的草圖骨架，通過結(jié)構(gòu)布局骨架、參考基準(zhǔn)骨架和草圖骨架的聚合就構(gòu)成了頂層基本骨架。基于CAA平臺的三維骨架模型建立流程如圖2所示。

轉(zhuǎn)向架每個子模塊以同樣的方式建立子骨架(Sub-TBS)，子模塊根據(jù)子骨架的約束進行細節(jié)設(shè)計，子骨架與頂層基本骨架通過接口關(guān)系進行組裝，頂層基本骨架通過修改與子骨架之間的裝配接口關(guān)系來調(diào)整子模塊在轉(zhuǎn)向架中的布局。對于頂層基本骨架來說，布局骨架主要確定子零部件的空間位置，如圖3所示。對于子骨架來說，布局骨架不但要確定子零部件的空間位置還要確定出與頂層基本骨架裝配的接口。參考基準(zhǔn)骨架主要由零部件特征決定，比如拉伸體對應(yīng)拉伸到平面(拉伸和凹槽等特征在骨架設(shè)計時，盡量延伸到平面來限定其長度，這樣便于二次開發(fā)參數(shù)化)，如圖4所示。旋轉(zhuǎn)體對應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸線，如圖5所示。草圖骨架也由零部件特征決定，而草圖骨架需放置到參考基準(zhǔn)骨架(主要是參考平面)上才能體現(xiàn)意義，而參考基準(zhǔn)骨架的位置由布局骨架決定。

圖2 基于CAA平臺的三維骨架模型建立流程

圖3 布局骨架的確定

圖4 零部件的拉伸(直到平面)

圖5 零部件的旋轉(zhuǎn)(旋轉(zhuǎn)軸線)

轉(zhuǎn)向架三維骨架設(shè)計的模塊基準(zhǔn)點和局部坐標(biāo)系確定子模塊的空間位置。對TBS模型中模塊基準(zhǔn)空間位置以及Sub-TBS進行參數(shù)化設(shè)計，然后根據(jù)客戶需求修改設(shè)計參數(shù)，通過層級關(guān)系傳遞到相應(yīng)子模塊零部件的Sub-TBS中。在創(chuàng)建最終的轉(zhuǎn)向架三維骨架模型之前，需要對轉(zhuǎn)向架的裝配層級進行分析，根據(jù)圖1轉(zhuǎn)向架功能模塊劃分圖，基于自頂向下設(shè)計思想得到轉(zhuǎn)向架三維骨架設(shè)計的層級流程如圖6所示。

圖6 高速列車轉(zhuǎn)向架三維骨架設(shè)計層級流程

按照圖6的流程，最終得到高速列車三維骨架模型如圖7所示。

在轉(zhuǎn)向架三維骨架模型建立完成后，對于設(shè)計變更的傳遞，便轉(zhuǎn)移到草圖尺寸的改變、基準(zhǔn)和布局的空間位置移動來實現(xiàn)。通過將頂層骨架中的所有元素進行發(fā)布，并在二次開發(fā)程序中設(shè)定關(guān)鍵元素的變化方程，用戶可在提供的交互界面上修改相應(yīng)的設(shè)計參數(shù)來生成新的三維模型來適應(yīng)需求。

圖7 高速列車轉(zhuǎn)向架三維骨架模型

3 實例驗證

以某軸箱彈簧的三維骨架設(shè)計為例，首先對軸箱彈簧的結(jié)構(gòu)特征進行分析，基于CATIA CAA軟件平臺的二次開發(fā)技術(shù)對軸箱彈簧的頂層骨架進行參數(shù)化建模，并開發(fā)軸箱彈簧參數(shù)化設(shè)計模塊，以驗證三維骨架設(shè)計方法的可行性以及骨架模型的正確性。

3.1 軸箱彈簧特征分解

該軸箱彈簧由上蓋板、下蓋板、內(nèi)外彈簧和墊圈組成，其各部分特征分析如圖8所示。

3.2 軸箱彈簧頂層骨架建立

首先確定軸箱彈簧空間布局的布局骨架，即軸箱彈簧相對于轉(zhuǎn)向架中心的相對坐標(biāo)系；然后確定軸箱彈簧特征的參考基準(zhǔn)骨架，即軸箱彈簧建模參考的點、線、面，以及確定軸箱彈簧的大概外形的草圖骨架；最后通過軸箱彈簧的空間布局骨架、參考基準(zhǔn)骨架和草圖骨架的3種骨架的聚合構(gòu)成了軸箱彈簧的頂層基本骨架如圖9所示。

圖8 軸箱彈簧特征分解

圖9 軸箱彈簧頂層基本骨架構(gòu)建流程

3.3 軸箱彈簧參數(shù)化設(shè)計驗證

雙圈軸箱彈簧參數(shù)化設(shè)計模塊的主要功能是建立了軸箱彈簧子骨架，并發(fā)布關(guān)鍵參考基準(zhǔn)，以便控制輪對的空間位置和結(jié)構(gòu)尺寸；橡膠墊和雙圈彈簧的參數(shù)化建模；軸箱彈簧子骨架裝配，包括橡膠墊與雙圈彈簧同軸箱彈簧子骨架的裝配，最后將軸箱彈簧子骨架與轉(zhuǎn)向架頂層基本骨架進行裝配。

根據(jù)該子模塊的功能要求，雙圈軸箱彈簧參數(shù)化設(shè)計模塊的設(shè)計思路如下：首先對根目錄是否為空進行判斷，通過這個判斷來確定是修改模型還是新生成模型。如果是新生成模型，首先需要建立軸箱彈簧的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)樹；然后使用設(shè)計界面上的參數(shù)驅(qū)動生成軸箱彈簧的子骨架和零部件的參數(shù)化模型；最后再進行軸箱彈簧的裝配。軸箱彈簧的裝配包括兩個方面：一個方面是組成軸箱彈簧的零部件與軸箱彈簧子骨架的裝配，通過這個裝配來生成完整的軸箱彈簧；另外一個方面是軸箱彈簧與轉(zhuǎn)向架的頂層基本骨架的裝配，通過這個裝配來確定軸箱彈簧在整個轉(zhuǎn)向架中的具體位置。如果是修改模型，就只需要讀取設(shè)計界面上的參數(shù)，使用這些參數(shù)重新驅(qū)動生成模型即可。輸出項為軸箱彈簧子骨架和軸箱彈簧，如圖10所示，結(jié)果表明轉(zhuǎn)向架三維骨架設(shè)計方法是可行的，骨架模型是正確的。

a) 彈簧參數(shù)

4 結(jié)語

高速列車轉(zhuǎn)向架涉及零部件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，并且多數(shù)零部件重用度高，對一些結(jié)構(gòu)外形大致相同的零部件采用基于CATIA CAA軟件平臺的三維骨架設(shè)計方式，可以大大減輕設(shè)計工作量，設(shè)計出一族產(chǎn)品。以頂層基本骨架(TBS)為設(shè)計核心的三維骨架設(shè)計方法，建立了轉(zhuǎn)向架三維骨架模型。隨著需求的改變，三維骨架設(shè)計對實現(xiàn)轉(zhuǎn)向架設(shè)計參數(shù)變更在各個模塊零件之間的有效的傳遞具有重要的意義。