（机械工程专业论文）高速客车三维参数化cad系统研究.pdf

硕士学位论文高速客车三维参数化c a d 系统研究 摘要 随着i 维图形技术和计算机技术的发展，二维设计已经成为c a d 技术应用的必 然趋势”。目前，i 维c a d 技术在高速客车设计方面的应用主要集中在高速客车产品 赍勺三维实体造型、产晶的有限元分析、标准件库的建立等方面，面对整车的比较全 面的三维设计尚处于探索阶段。本论文开发了高速客车车体钢结构的三维参数化 c a d 系统，不仅可以提高设计效率和设计质量，而且对产品的有限元分析具有一定 的实用价值和参考意义，例时也符合了现代技术的发展要求。 本论文是征w i n d o w s2 0 0 0 的微机操作平台卜- ，存v c + + 6 0 的编译环境中利用 p r o t 0 0 1 k 上t 对p r o e n ( ；i n e e r 进行二次开发，建立的一个客车车体钢结构的三维参 数化c a d 系统。本论文对系统总体进行了分析和设计，将系统的参数设计模块划分 为总体设计模块、部件设计模块和零件设计模块，每个模块下面又有各自的子模块； 利用面向对象技术，对设计对象、设计参数和模型进行分类；通过对车体钢结构的 i 维参数化设计方法的研究，提出了实现参数化的两个途径，分别是建立参数化模 型库和模型的参数化装配：利用p r o e n g i n e e r 参数化特性建立了系统参数化零件模 型库和装配关系模型库；在p r o t o o l k i t 应片j 程序中实现了模型的参数化装配；对 p r o e n g i n e e r 的二次开发技术进行了研究，并建立了扩展功能函数库；建立了系统 的数据管理库；以v c + + 6 0 为丌发工具，开发了系统友好的用户界面。 关键词：高速客车；c a d ；参数化设计：二次丌发 硕上学位论文高速客车三维参数化c a d 系统研究 a bs t r a c t w i t ht h e d e v e l o p m e n t o ft h r e e - d i m e n s i o n a l g r a p h i ct e c h n i q u e a n d c o m p u t e r t e c h n i q u e ，t h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g n h a sb e e n a l r e a d y i n e v i t a b l e t e n d e n c y o fc a d a p p l i c a t i o n a tp r e s e n t ，t h ea p p l i c a t i o no f t h r e e d e m e n s i o n a lc a dt e c h n i q u eo np a s s e n g e r t r a i nd e s i g nm a i n l yf o c u s e so nt h r e e - d e m e n s o n a ls o l i dm o d e l i n g 、f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 、 b u i l d i n gs t a n d a r d i z e dc o m p o n e n tl i b r a r y ，a n ds oo n o v e r a l lt h r e e - d e m e n s i o n a ld e s i g no n t h ew h o l e p a s s e n g e r t r a i ni sa tt h e s t a g e o f s e a r c h i n g t h i s t h e s i s d e v e l o p s t h r e e d e m e n s i o n a lp a r a m e t r i cc a d s y s t e m o nt h es t e e ls t r u c t u r eo f p a s s e n g e r t r a i nb o d y i t n o to n l yi m p r o v e sd e s i g ne f f i c i e n c ya n dd e s i g nq u a l i t y , b u ta l s oh a sc e r t a i np r a c t i c a lv a l u e a n dr e f e r e n c e ds i g n f i c a n c ef o rt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f p r o d u c t s t h i sa l s of i t si nw i t h d e v e l o p m e n tr e q u i r eo f m o d e r n t e c h n i q u e t h i st h e s i si st h r e e d i m e n s i o n a l p a r a m e t r i cc a ds y s t e mo nt h es t e e l s t r u c t u r eo f p a s s e n g e rt r a i nb o d y , w h i c hi sd e v e l o p e d a n dr u n so nw i n d o w s2 0 0 0p l a t f o r m i ti s s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt op r o e n g i n e e rb yu s i n gp r o t o o l k i t ，a n dv c + + 6 0i s u s e d a sac o m p i l e r t h i st h e s i sa n a l y s e st h es y s t e m ，a n dd i v i d e sp a r a m e t e rd e s i g nm o d u l a rt o t h r e es u b m o d u l a r s ，w h i c ha r eo v e r a l ld e s i g nm o d u l a r 、c o m p o n e n td e s i g nm o d u l a ra n dp a r t d e s i g nm o d u l a r e a c hm o d u l a rh a so w ns u b m o d u l a r s d e s i g no b j e c t s 、d e s i g np a r a m e t e r s a n dm o d e l sa r ec l a s s f i e db yu s i n go b j e c t - o r i e n t e dt e c h n i q u e t h et h e s i sp u t sf o r w a r dt w o w a y s t or e a l i z e p a r a m e t r i cd e s i g n ，w h i c h a r e b u i l d i n gp a r a m e t r i c m o d e l l i b r a r y a n d p a r a m e t r i ca s s e m b l i n g m o d e l s i tb u i l d s p a r a m e t r i cp a r t m o d e l l i b r a r y a n d a s s e m b l y r e l a t i o nm o d e ll i b r a r yb yu s i n gp r o e n g i n e e r ，a n dr e a l i z e sp a r a m e t r i ca s s e m b l i n gm o d e l i nt h ep r o t o o l k i t a p p l i c a t i o np r o g r a m s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt e c h n i q u e o n p r o e n g i n e e ri ss t u d i e d ，a n de x t e n d e df u n c t i o n a lf u n c t i o nl i b r a r yi sb u i l t au s e r - f r i e n d i n t e r f a c ei sd e v e l o p e db yu s i n gv c + + 6 0a sd e v e l o p i n gt 0 0 1 k e yw o r d s ：p a s s e n g e r t r a i n ；c a d ；p a r a m e t r i cd e s i g n ：s e c o n d a r yd e v e l p m e n t y 6 8 3 3 4i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致i 9 的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：咖铲年j ，月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：壹! 塑兰护铲年，口刖目 硕j 二学位论文高速客车三维参数化c a d 系统研究 1 绪论 1 1c a d 技术概述 1 1 1c a d 技术基本概念 c a d ( 计算机辅助殴计，c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是指工程技术人员以计算机为 工其，用各a 的专业知识，对产品进行总体设计、绘图、分析和编写技术文档等 活动的总称”。它将训算机高速而精确的计算能力、大容量存储和数据处理能力 与设计者的综合分析和逻辑判断能力以及创造性思维结合起来，从而大大加快设 汁进程，缩短没计周期，提高设汁质量，为无图纸生产提供了前提和基础。由于 产品的设计、制造、分析计算是一个完整的过程，只有根据设计进而制造出产品 或完成个工程，4 能取得完整的经济效益，因此c a d 存在着与c a m ( 计算机辅 助制造) 、c a e ( 计算机辅助工程) 集成的问题，c a d c a e c a m 往往结合在一起进 行丌发和应用“”。 c a d 技术本身是一项综合性的、技术复杂的系统工程，涉及许多学科领域， 如计算机科学和工程、计算数学、几何造型、计算机图形显示、数据结构和数据 库、仿真、数控、机器人和人1 2 智能学科和技术以及与产品设计和制造有关的专 、世知识等。c a d 技术可以承担产品设计中的零件设计、装配设计、模具设计、机 构设计与分析、有限元分析、数控加工与仿真等环节的关键工作，与传统的设计 内容和方式相比产生了根本性的变革”。 如今，c a d 技术已广泛应用于航空航天、电子、机械、建筑、轻纺、化工、交 通、影视、教育等各个领域，并取得了明显的经济效益和社会效益。据资料统 计，采用c a d 技术后，大规模集成电路的设计效率平均提高了1 8 倍，机械产品的 设计效率平均提高了5 倍，建筑设计的效率平均提高5 倍，编辑出版的效率乎均 提高4 4 倍。众多行业的实践经验表明，采用c a d 技术可以显著地缩短设计间期， 提高设计质量和劳动生产率，是加速产品更新换代的有效手段。是改造传统生产 过程的必由之路，也是衡量一个国家工业水平的重要标志。 1 1 2c a d 技术发展概况 1 围际c a d 投术发展概况 c a d 技术起步于5 0 年代后期，在发展初期，c a d 的含义仅仅是c o m p u t e ra i d e d o r a w i n g ( o yd r a f t i n g ) ，而非现在我们经常讨论的c a d 所包含的全部内容。6 0 年 代，随着计算机软硬件技术的发展，在计算机屏幕上绘图变为可行，c a d 丌始迅 硕士学位论文高速客车三维参数化c a d 系统研究 速发展”。人们希望借助此项技术米摆脱烦琐、费时、精度低的传统手工绘图。 此时c a d 技术的出发点是用传统的三视图来表达零件，以图纸为媒介进行技术交 流，这就是二绝计算秽e 绘剧技术。6 0 年代是以简单的二、j 维线框造型系统为主， 这种初期的线框造型系统只能表达基本的几何信息，不能有效表达几何数据问的 拓扑关系。由于缺乏形体的表丽信息，c a e 及c a m 均无法实现。 第一次c a d 技术发展一“贵族化”的自山曲面造型系统。进入7 0 年代，飞 机和汽1 午 业飞速发展，遇到了大量的自由曲面问题，此时，法国人提出了叭塞 尔算法，同时也使得法固达索飞机制造公司的丌发者们，能在二维绘图系统c a d a m 的基础上，丌发出以表面模型为特点的自由曲面建模方法，推出了三维曲面造型 系统c a t i a 。它的出现，标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿工程图纸的三视 图模式中解放出来，旨次实现以计算机完整描述产品零件的主要信息，同时也使 得c a m 技术的开发有了现实的基础，改变了以往只能借助油泥模型来近似表达益 丽的落后的工作方式，为人类带来了第一次c a d 技术革命。 第二次技术发展一实体造型技术。7 0 年代术到8 0 年代处初，由于计算机技 术的大跨步前进，c a e 、c a m 技术也开始有了较大发展。有了表面模型，c a m 的问 题可以基本解决。但由于表面模型技术只能表达形体的表面信息，难以准确表达 零件的其它特性，如质量、重心、惯性矩等，对c a e 十分不利。1 9 7 9 年s d r c 公 司发布了世界上第一个完全基于实体造型技术的大型c a d c a e 软件卜d e a s 。 山于实体造型技术能够精确表达零件的全部属性，在理论上有助于统一c a d 、c a e 、 c a m 的模型表达，给设计者带来了惊人的方便性。它代表这未来c a d 技术的发展 方向。实体造型技术的普及及应用标志着c a d 发展史上的第二次技术革命。 第三次技术发展一参数化技术。2 0 世纪8 0 年代中期，c v 公司提出了一种比 无约束白山造型更新颖、更好的算法一参数化实体造型方法，该方法主要有以 下特点：基 特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动没计修改。但由于投资 及丌发 一作量较大，c v 公司否决了参数化技术方案，策划参数化技术的人因此成 立了一个参数技术公司( p a r a m e t r i ct e c h n o l o g yc o r p p t c ) ，开始研制 p r o e n g i n e e r 的参数化软件。到2 0 世纪8 0 年代末，随着c a d 技术的广泛应用， p t c 公司获得了巨大的成功。目前，p t c 在c a d 市场份额排名上已名列前矛。可以 认为，参数化技术的应用主导了c a d 发展史上的第三次技术革命。 第四次技术发展一变量化技术。参数化技术的应用成功，使得它在2 0 世纪 9 0 年代前后几乎成为c a d 业界的标准，但是技术理论上的认可并非意昧着实践上 的可行性。s ) r c 公司的歼发人员发现了参数化技术的“全尺寸约束”这一硬性的 规定干扰和制约着设计者创造力及想象力的发挥。他们以参数化技术为蓝本，提 出了变量化技术，并于1 9 9 3 年推出了全新体系结构的卜d e a sm a s t e rs e r i e s 软 硕士学位论文高速客车三维参数化c a d 系统研究 仆，解决了在欠约束情况下方程联立求解的数学处i 单和软件的实现。变量化技术 既保持了参数化技术的原有优点，同时又克服了它的不足之处，它的成功应用为 c a d 技术的发展提供了更大的空间和机遇。无疑，变量化技术驱动了c a d 发展的 第叫次技术革命”。 总结约4 0 年的c a d 技术的发展历史，各阶段的主要投术特点为： 2 0 世纪6 0 年代一二：维、三维线框造型； 2 0 世纪7 0 年代一自由曲面造型； 2 0 世纪8 0 年代中期至今一基于约束的实体造型。 目前流行的c a d 技术基础理论主要是咀p r o e n g i n e e r 为代表的参数化造型理 论和以s d r c 卜d e a s 为代表的变量化造型理沧两大流派，它们都属于基于约束的 实体造型技术。只有这两种理论是在近1 0 多年产生并且赢得了广泛的认同的。在 这两种理论之前，基本上是属于表面及线框造型技术为代表的无约束自由造型技 术。j 基于约束造型理论同期并存的技术流派还有：起源于英国的基于图表的造 型a p p l i c o n 的自由度分析造型，基于a 1 的约束满意算法造型等。由于这些技术 流派未能在造型效率、实用性及商业化上取得突破，因此一直未能在业界得到实 质性的应用，4 i 能算作主流技术。 2 因内c t d 技术的发展概况 我国的c a d 技术是从“六血”开始起步的，当时的计算机软、硬件条件均落后， 较多的是采用计算机进行些分析计算。我国在c a d 技术方面的研究始于7 0 年代 初期，当时，主要的研究内容是计算机辅助几何设计和计算机辅助绘图，主要研 究单位是高校。“七五”期间，国家在机械c a d c a m 方面有较大的投资，我国工程 设计丌始引进了整套的c a d c a e c a m 系统，首先在船舶、大型军工企业、航空航 天领域丌始应用，其系统以大型计算机和大型软件为主。功能很强，但价格昂贵， 如c a t t a 、c a d a m 软件，难于在我国推广普及。在8 ( ) 年代中后期，我国的c a d c a m 技术有了较大的发展，而且c a d c a m 技术的优点被越来越多的人所注意。我国又 引进了大量的国外软件，如i d e a s 、p r o g n g jn e e r 、u g i i 、c a d d s 5 等，硬件主要 以工程站为主，成套的价格相对于“七五”期间的大系统要低得多，且性能有了 很大的提高。这一期间，国内高等院校和科研单位在c a d 技术的基础理论、软件 环境及应用软件等方面的研究已取得了较好的成果。例如，在优化设计方面，华 中理工大学的优化程序库o p b 及机械零部件的优化设计程序在工矿企业中得到了 推广：在二维交互绘图系统方面，不少自主版权的软件，如清华大学和华中理工 大学共同开发的高华c a d ，中科远软件工程研制中心的p i c a d ，北京大凯凯达电脑 公司研究所的b c a d 等，在国内行业中推广使用。进入9 0 年代以后，随着实体造 型技术的发展，在三维造型和几何设计方面，北京航空航天大学的p a n d a 、金银 硕士学位论文高速客车三维参数化c a d 系统研究 花系统，清华大学和华中理丁大学共同研制的c a d m i s 等都实现了参数化特征造 型、曲面造型、数控加工和有限元分析的集成，但商品化程度还较低；在有限元 分析前后处理系统g h l ? m 实现了集成；在数控编程方面，南京航空航天大学的超 人c a d c a m 、华中理工大学的g i i n c 均可实现复杂曲面的造型和数控代码的自动生 成和加1 仿真；在1 程数据库方l 面，浙江大学的( s c a r 、华中理_ t 大学的 g h e d b m s d e n g 在国内处于领先水平。另外，在应用领域，如通用机械零件设计、 冲压和注射模具设计和制造、汽车外形设讨、汽轮机叶片设计分析等方面我国均 研制出了实用的c a d 软件。 随着c a d 技术的不断研究、开发与广泛应用，对c a d 技术提出越来越高的要 求，因此c a d 从本身技术的发展来看，其发展趋势是集成化、智能化、并行工程、 网络化、虚拟设计和标准化。这里不一一叙述。 1 。2 铁道车辆制造业c a d 技术应用、发展及趋势 1 2 1c a d 技术在铁道车辆制造业中的发展及应用 中国铁路c a d 技术的应用研究工作始于7 0 年代中期，是从结构有限元分析开 始的。1 9 7 8 年，中国铁道学会首次举办了车辆有限元法会议，使结构分析在车 辆设计中得到了应用。但由于受计算机硬件条件限制，应用范围较小，应用水平 和二次 发能力也较差，有限元程序多以科研院所为主应用o “。 进入8 0 年代，随着计算机技术的发展和c a d 软件的完善，特别是微型计算机 的普及，c a d 技术在中幽铁路机车车辆工业总公司得到了广泛的应用，铁路主要 制造厂已经部分甩掉图板，采用计算机辅助绘图。到8 0 年代末期，几个车辆制造 厂根据产品设计的实际，以a u t o c a d 或c a d k r y 作为图形支撑平台，升发了以辅助 绘图为主的专用c a d 系统，有的还带有结构分析模块。这些系统大大地提高了设 计效率，较好地满足了车辆设计的需要。 进入9 0 年代未期，随着专用工作站性能价格比的提高及c a d 集成软件的发展， 特别是基于c a d 图形工作站的大型c a d 软件所具有的三维实体造型、装置、机构 设计以及功能强大的工稃分析等功能，为c a d 专用工作站在机车车辆设计中进一 步应用，提供了更广泛的前景。各车辆制造厂在进步扩大微机应用范围的同时， 也加大了对c a d ：i ：作站及集成软件的投资力度，尤其是由于中国铁路高速、重载 的发展和国际市场竞争的需要，普及应用开发c a d 技术是机车车辆设计发展的必 然趋势。低成本、高效益的企业目标也迫切需要c a d 技术。其开发应用的广度和 深度已战为企业技术水平的重要标志之一。为此，中车公司于1 9 9 2 年在大连召玎 了首次c a d c a m 技术交流现场演示会，总结了c a d c a m 开发应用经验，交流了应 用成果和技术，掀起了c a d 技术应用推广热潮。至9 0 年代中期，铁路主要车辆制 4 硕上学位论文高速客车三维参数化c a d 系统研究 造，一计算机辅助 罔率已接近1 0 0 ，其它工厂也基本甩掉了图板。车辆产品的主 要制造厂已经建成了c a dl ：c ) 9 络，软、硬件配置已彤成规模，具备了较强的二次丌 发能力，与科研院所共同努力，在高速及准高速客车、长大货物车、敞车、漏斗 车等产品及零部件的结构设计、有限元分析、优化设计、模态分析、微机辅助绘 图等方面已有了很多的应用与丌发。车辆修理厂及其他工厂在c a t ) 应用与开发方 面人多都是在9 0 年代之后开始起步的，已存计算机辅助绘图、工程分析和c a p p 等方面取得了较好的效果。 由于各工厂、院所的投资环境和技术力量发展不平衡，c a d 软件开发能力也各 不相同。机车车辆产品主要制造厂因新产品丌发和市场竞争的需要，在绘图软件 的开发上作了大量工作，根据工厂产品设计的实际需要，建立了产晶设计图库， 发出相应的管理系统，大大提高了产品设计中绘图的工作效率。有的与结构分 析模块有数据接口，可以较方便地完成结构分析。科研院所充分发挥实验手段先 进、丌发能力强的优势，结合试验研究的成果，在对大型软件进行二次升发和专 崩软件”发方而作了大量的工作i ”1 。对车辆设计标准和规范实行统一管理，其中 t b 件、货车通用件、客车通用件图库的建立，受到了：l ：厂的欢迎。其车辆专用软 件的开发，可以提高产品的性能和车辆设计技术的含量，更好地满足车辆运用的 需要。 由于车辆主要制造厂以产品设计为主，其绘图工作占很大份额，二次开发多 是基于微机绘图软件a u t o c a d 、c a d k e y 进行的，并建立了产品设计图库。随着车 辆产品种类的增加，其图库也在不断地丰富。 齐齐哈尔车辆厂对a u 。f o c a d 进行了二次刀。发，并根据货车设计特点，建立了 产品二维方案设 卜与工作图设计的“铁路货车微机c a d 系统”。其专用货车 c a d s h e l l 系统，提供了货车产品设计中常用的型钢断面、t b 件、货通件等。该厂 c a d 工作站硬件平台为d e c s t a t i o n 5 0 0 0 系列l ：作站，软件为i d e a s 软件和大型 结构分析软件a n s y s ，还引进了美国货车动力学分析软件n u c a r s 。该，一产品c a d _ 上作成绩显著，在维绘图、三维实体造型、有限元分析等方面取得了很多应用， 利用c a d 技术已完成了博茨瓦纳漏斗车、新d ：。型钳夹车、大容积棚车等产品的设 计。 长春客车厂与铁道学院合作，丌发了客车参数化c a d 系统。该系统以a u t o c a d 为支撑软件，它可对叫个品种客车的侧墙底架、车顶、总体进行参数化交互设计， 可使钢结构设计效率提高4 0 。该厂c a d 工作站为s c i 工作站，软件为id e a s 。 在三维实体造型方面，已运用i d e a s 软件完成了c c k 6 4 车的底架、侧墙、车顶、 端墙各大部件的装配，生成了装配总图。对c c k 5 8 车2 0 9 型焊接转向架结构进行 了有限元分析，以分析模型为基础，进行了有限元分析，以分析模型为基础，进 硕十学位论文高速客车三维参数化c a d 系统研究 行j ，结构优化计算。对美工造型系统进行开发，建立了材质库，为客车的内外装 潢设计提供了强有力的漫计手段。 大连机车车辆厂，在美网m v 2 0 0 0 计算机系统中安装了麦道公司的d 1 3 5 型c a d t 作站、u n i g r a p i t i c si i 软件，t e k 4 2 3 5 型有限元分析丁作站和p a f e c 软件，并对 i i 系统进行r 二次丌发。在机车总体方案前i 置、关键零件设计和柴油机专要部 件图形库的建立方面，已有y ：多应用开发。 2 0 0 0 年，铁道部分别以t d e a s 、u k i g r a p t l l c s 儿、u n i g r a p f i i c s l i 为丌发平 台，组织多家科研院所进行标准件库的二次开发，也是为将来铁路机车车辆产品 的三维设计做莳期性的准备工作。 1 2 3 我国铁路车辆c a d 技术发展趋势 由于讨算机技术和电子技术的发展，我国铁道车辆c a d 技术的发展将有如下 特点： 1 以c a d 工作站为提高型、微机为普及型的c a d 网络将成为主流。制造以 产品设计为主，用微机完成二维设计图，以提高设计效益。用c a d 工作站进行三 维造型设计、结构分析、编构优化、装配干涉检查、动力学分析等，以提高产品 设计水平。微机和工作站形成网络，三维图形信息可以向二维绘图信息转换。由 - 丁关系型工程数据库的发展，这种三维向：维的转变会越来越方便、快捷。 2 车辆c a d c a m 集成系统的发展以及与m i s 联网，形成车辆设计信息共事系 统，将成为车辆c a d 技术发展的主要趋势。c a d c a m c a e 计算机工程辅助系统以 概念设计为基础，以三维实体造型为起点，它的基本功能包括草图构图、参数化 造型、尺寸驱动和编辑等，具有统一的车辆工程数据库，即专家设计共享信息库。 以后，我国车辆将向c a d 、c a m 、g t ( 成组技术) 、f m s ( 柔性制造系统) 和机器人 技术集成方丽发展。通过网络标准化和统的 程设计数据库结成一个c i m s ( 计 算机集成制造系统) 。 3 。概念技计突破了传统的车辅c a d 技术，是车辆c a d 系统的发展方向。这种 新的设计造型技术，灵活方便，又能纳入设计经验，从而大大提高了产品设计过 程中的效率和质量。 4 人才将成为开发车辆c a d 技术的关键。车辆c a d 技术汇集了力学、车辆、 数学、计算机图形学、结构分析与优化等多门学科的专业知识。在计算机软、硬 件基础上，c a d 技术的发展关键在于技术人才，使用软、硬件的人才培养是最根 本的。 6 硕士学位沦文高速客车 _ _ 三维参数化c a d 系统研究 1 。3 论文主要工作 1 3 1 选题目的及意义 随着_ ：二维图形技术和计算机技术的发展，在计算机内部建立相应的三维实体 模型能够更直观、更全面地反映设计意图。并且，在三维模型的基础上可以进行 零件装配、1 二涉检查、有限元分析、运动分析等高级的计算机辅助设计1 ：作。建 立三维实体模型以后，还可以根据需要由该模型方便地生成传统加工过程所用的 r 程图。 机械产品的设计从产品构思、概念表达、结构设计、性能分析到最终的产品 加f ：是一个非常复杂的过程，这种设计过程的复杂性、多样性和灵活性就要求设 计自动化必须走参数化的道路，从而提高机械设计的效率，这也是机械设计师梦 想的事情。高速客车的设计，重复率相当高，随着车辆用途和生产工艺条件的不 同，各种型号客车的结构不完全相同导致其钢结构不会完全相同，但其外形尺寸 和结构形式则基本致，不会有太大的变化，便于进行参数化设计。另外，构成 钢结构年体的钢骨架主要是由各种断面的型钢焊接而成的，如槽形钢、角形钢等， 便于建立参数化模型库。总的来讲，为高速客车车体钢结构设计建立一个专用的 参数化c a d 系统是司行的，也是非常有实际意义的。 铁道学院丌发了客车的参数化c a d 系统，但当时受软硬件的限制，是用 a u t o l i s p 语言丌发，在d o s 环境下运行，虽然当时为工厂的实际生产和发展起到 了很大的作用，但已经不适应现代技术的发展和工，一的实际需求。但在三维c a d 技术f 【益发展的今天，也已不符合时代发展的趋势和要求。 目前，三维c a d 技术在高速客车设计方面的应用主要集中在以下几个方面： 高速客车产品的三维实体造型、产品的有限元分析、标准件库的建立等，而对整 车的比较全面的三维参数化设计目前尚处于探索阶段。本论文通过利用 p r o t o o l k i t 对p r o e n g i n e e r 进行二次开发来进行高速客车车体钢结构的三维参 数化设计，不仅可以提高设计效率，缩短产品的开发周期，解放设计人员，提高 设计质量，而且对产品的有限元分析具有一定的实用价值和参考意义，同时也符合 现代技术的发展要求。 本论文课题柬源于铁道部专项资助项目。 1 3 。2 论文主要工作 本论文的主要工作有： 1 确定丌发方案 根据高速客车设计的内容和要求，确定系统的开发方法，选择系统开发的软 硬件环境。 硕士学位论文高速客车二维参数化c a d 系统研究 2 确定系统的总体结构 对系统进行任务分解，确定系统总体结构，进行合理的模块划分。 3 村车体钢结构= 三维参数化设计的实现方法进行研究。 4 利用p r o e 建立参数化的模型库。 j 时p r ) e n g i n e e r 的二次开发技术进行研究，并建立扩展功能函数库。 6 设计+ 个友好的用户交互界面。 7 建立系统的数据管理库。 硕士学位论文高速客车三维参数化c a d 系统研究 2 系统总体设计 2 1 车体钢结构概述 高速客车车体钢结构是客车车体的重要组成部分，它除了要承受或传递作用于车 体本身的各种载荷外，还要承担整个客车各大部件的生根、连接作用。车体钢结构的 设计在保证强度和刚度的前提下，应该向轻量化的方向发展。以2 j 型客车和2 2 型客 车的钢结构为例，2 2 型客车钢结构采用有中梁、有压筋、整体承载结构，2 5 型客车钢 结构采用无中梁、无i 筋、薄板衙形整体承载结构，改进了车体钢结构，在车体加长 1 9 m 及车体高出1 5 0 r a m 的情况下，钢结构自重仍较2 2 型有所降低，实验表明了2 5 型 客车车体钢结构具有足够的强度和刚度，这一方面标志着设计、制造水平的提高，另 一方面也说明了车体钢结构设计在客车整车设计中的重要性。 2 5 型客车车体钢结构为全钢焊接结构，由底架、侧墙、车顶和端墙等四部分焊接 而成。在侧墙、端墙、车顶钢骨架外面，在底架钢骨架的上面分别焊有侧墙板、端墙 板、车顶板和纵向波纹地板及平地板，形成一个上部带圆弧，下部为矩形的封闭壳体， 俗称薄壁筒型车体结构。壳体内面或外面用纵向梁和横向梁、柱加强，形成整体承载 的合理结构。 客车车体的钢结构按其大部件的生产方式，可划分为底架、侧墙、车顶、外端墙、 内端墙及其它零部件。这里，对这些大部件的结构作一简单的介绍： 1 底架 底架由牵引梁、枕梁、缓冲梁、下围梁( 或称下侧梁) 、枕梁问的纵向金属波纹地 板及枕外金属地板等组成。枕梁、缓冲梁与牵引梁共同组成牵枕缓结构。底架两侧是 沿底架两端梁问全长纵向布置的两侧梁，底架两端是牵枕缓结构，在底架的两侧梁之 间设置有较均布妁横梁。这样，底架的牵枕缓、侧梁和横粱共同形成底架钢骨架，在 骨架的上而焊有金属地板。由于两枕梁间无贯通的中梁，所以这种结构的底架称为无 中梁底架。 2 侧墙 侧墙钏结构外表面为平板无压筋，在平整的外墙板内侧焊有垂直立柱和水平纵向 梁，形成板梁式平面承载侧墙结构。侧墙七侧梁长度为侧墙全长，水平纵向梁共三根， 窗上一根，窗下两根，起到加强侧墙的垂直弯曲强度和刚度的作用，同时也减少了铡 板自山表面的面积。在侧墙窗口问有一条短的窗间小纵梁，目的是增强窗间板的强度 和刚度。存窗口两侧设置有窗边立柱，它们与纵梁、上侧梁、下侧梁连接起来，组成 侧墙钢骨架，并与侧墙板焊接成侧墙铡结构。 硕j 学位论文高速客车三维参数化c a d 系统研究 3 车顶 车顶由卜边粱、车顶弯梁、车顶纵向粱、卒调机组安装座平台、水箱盖等组成钢骨 架，在钢骨架的外面焊有车顶板，共同组成车顶钢结构= 4 端墙 车体钢结构的两端为端埔，位于最外端的为外端墙，里面的为内端墙。 2 2 系统设计思想 2 2 1 系统开发方法 现代c a d 系统的开发必须以系统工程的观点和正确的方法论为指导，以减少和避 免丌发过程中的失误，提高效率和保证系统的质量。工程化软件的具体要求是： 1 i f 确性：实现软件的全部功能，且保证正确； 2 可靠性：软件多次反复使用不失败，出错的概率小于某个指标； 3 简明性：表达简明易读，程序内外层次分明，接口简单； 4 易维护：能方便地实现校正维护、适应维护和完善性维护； 5 结构化设计方法：用大家熟悉的顺序、判断、循环三种基本逻辑分支实现每个 模块的程序编制； 6 文档齐全、格式规范。 软件从开始设计、开发、实现运行到最后停止使用的整个阶段称之为生存期，一 般分为需求分析、总体设计、详细设计、编写代码、测试、运行维护六个阶段，在每 个阶段都有其具体内容。 1 需求分析阶段：确定软件的开发要求，包括软件应完成的功能、软件的性能和 t 一_ 靠性等；选择软件开发的软硬件环境。 2 总体设计阶段：明确软件的系统结构，包括划分模块、模块之间的通信等。 3 详细设计：把总体设计阶段确定的各个功能模块进一步划分为程序模块。 4 编码阶段：编写各个程序模块的源代码。 5 测试阶段：对软件进行测试，以检查软件在功能和结构方丽的缺陷。 6 软件维护阶段：软件交付用户使用后，对软件进行纠错、完善和扩充。 此外，在软件丌发的各个阶段，都要编写详细的玎发文档。 2 2 2 系统开发模型 ；j j 前，机械c a d 软件常用的开发模型有：生命周期模型和快速原形法等等。 生命周期法采用工程化的原理和方法，将整个c a d 系统的开发过程，从初始到结 束划分为若干阶段，预先规定好每个阶段的任务，再按一定准则按部就班地完成，这 是计算机系统丌发中最常用、最有效的方法之一。但缺点是玎发周期长、丌发过程烦 硕士学位论文高速客车三维参数化c a d 系统研究 琐、系统难以适应外部环境的变化。 快速原形法是在生命周期法的基础上发展起来的一种开发方法，又称瀑布模型。 它的主要思想是：系统开发人员根据自己的工作经验和对实现系统的调研分析，尽快 建立一个能够反映用户主要需求的原型模型，然后对模型进行评价、修改，如此反复， 蒯而复始直到满足削户的需求。其优点是开发周期短，适应性强，能及时对原型系统 进行修改，提高系统的丌发质量。其缺点是，快速原形法的选择缺乏评价准则，与系 统分析人员的经验及水平密切相关，如果选择不当，反而浪费时间和精力，并对用户 造成不良影呐。 高速客车车体钢结构c a d 系统的丌发模型使用的是生命周期法和快速原形法的混 合方法：慕于快速原形法指导下的生命周期法。也就是说，将二者结合起来，将已有 的经验当作原型来指导生命周期的各阶段工作，从而人大节约了精力、时问，加快了 丌发进度。 2 3 支撑软件二次开发及选择 为推广应用c a d 技术，许多企业纷纷购置了昂贵的计算机硬件和c a d 支撑软件系 统。，由于这些商品化的c a d 软件一一般都是通用化软件，基本h 覆盖整个机械行业各个 方而的工作，而用户在应用时都具有自身行业的特色，因此，用户在引进商品化的c a d 软件后，通常需要郏些既掌握计算机应用技术又懂得产品设计的人员针对本行业的特 点对支撑软什进行修改和扩充，开发出实用性更强的c a d 应用软件，即所谓的二二次开 发。 二次开发的目的是设计一个软件系统或称之为设计工具来辅助具体的机械设计。 二次开发不同于一般的软件开发，主要在于它不是从底层开始的软件设计，而是在已 有的软件上进行的开发，所以二次开发的最大特点就是继承性。二二次开发后的软件功 能在很大程度上取决于支撑软件本身的功能和开放程度。因此，支撑软件的选择非常 灭键。 首先，软件应当由可靠的、较大规模的公司生产，防止由于软件公司的倒闭使我 们失去长期而町靠的技术支持。 其次，应当选择大家比较熟悉的，功能齐全、性能优良，且本身又在不断进步的 软件。如：具有标准的图形格式，符合国际、国内标准，方便与其它软件的交换；具 有w i n d o w s 9 8 、w i t l c l o w s n t 及工作站等多种版本，支持从微机到工作站多种硬件平台， 实现功能完全一样，并在网络和数据上达到无缝集成。 最后，也是最重要的性能，就是支撑软件的开发性，或者蜣二次开发的能力。可 以从两方面考虑，一方面玎发功能是否齐全，接口是否简单；另一方面开发语言是否 为通用的高级语言，编译环境是西优良。 硕士学位沦文高速客车三维参数化c a d 系统研究 此外，由于木论文是进行高速客车车体钢结构的三维参数化设计，所以选择支持 软件时，除了要具备以上的基本条件外，还应该具备以下两点： i ，完善的三维实体建模功能，模型应具有良好的继承性利可控制性； 2 良好的参数化设计特性。 鉴于阻卜| 原因，本论文选用的支撑软件是美国p t c 公刮的机械设计自动化软件p r o e n g i n e e r 2 0 0 。该软件自1 9 8 8 年问世以来，1 0 多年问成为全世界及中国地区最普 及的3 dc a d c a m 系统。p r o e n g i n e e r 集合了零件设计、产品组合、模具开发、n c 加 一 、钣金设计、铸造什设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构仿真、应力分析、 产品数据库管理等功能于一。体，是个全方位的3 d 产品开发软件。p r o e n g i n e e r 已 经成为世界3 dc a d c a m 系统的标准软件，广泛应用予电子、机械、模具、工业设计、 汽机车、自行车、航天、家具、玩具等各行业。 2 4p r o e n gin e e r 参数化设计特性 本论文是对高速客车车体的钢结构进行参数化设计，所以也要求支撑软件本身有 较高的参数化设计特性，这晕，将p r o e n g i n e e r 的参数化设计的特性介绍如下： 1 3 d 实体模型( s o l i dm o d e l ) 3 d 实体模型除了可以将用户的设计思想以最真实的模型在计算机上表现之外，借 助寸：系统参数( s y s t e t l lp t r a m e t e r s ) ，用户还可以随时计算出产品的体积、面积、重 心、惯性大小等，以了解产品的真实性，并补足传统的面结构、线结构的不足。用户 存产品设计过程中，可以随时掌握以上情况，设汁物理参数，并减少许多人为计算时 问。 2 单一数掘库( s i n g ed a t a b a s e ) p r o e n g i n e e r 【1 r 随时修改由3 d 实体模型产生2 d 工程图，而且自动标注工程图尺 寸。卅i 论在3 d 还是2 d 图形 ：作尺、修改，其相关的2 d 图形或者3 d 实体模型均自动 修改，同时组合、制造等相关设计也会自动修改，这样可确保数据的正确性，并避免 反复修正的耗时性。由于采钼单一数据库，提供了所谓双向关联性的功能，这种功能 也j f 符合了现代产业中所淆的同步 ，程( c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 。 3 以特征作为设计的单位( f e a t u r e b a s e dd e s i g n ) p r o e n g i n e e r 以最自然的思考方式从事设计工作，如孔( h o l e ) 、丌槽( s l o t ) 、 倒脚角( r o u n d ) 等均被视为零件设计的基本特征，可随时对特征做合理、不违反几何 的顺序调整( r e o r d e r ) 、插入( i n s e r t ) 、删除( d e l e t e ) 、重新定义( r e d e f i n e ) 等 修证动作。 4 参数化设订( p a r a m e t r i cd e s i g n ) 配合单一数据库，所有设计过程中所使用的尺寸( 参数) 都存在数据库中，没计 l ， 者只需更改3 d 零件的，t 、j ，则2 d 工程罔( d r a w