CRH5拖车转向架制动虚拟装配及关键部件有限元分析

1、如需要整套毕业设计请联系 QQ 1416916016全部内容包括图纸，开题报告，外文翻译，PPT，任务书，进度表等，内容完整质量保证摘要铁路是我国主要的运输方式，在国民经济中起着非常重要的作用。提速，对于铁路来说，它是一个庞大的系统工程。因此投入足够的精力和财力研究提速客车势在必行。CRH 是英文 China Railway High-speed 的缩写，中文含义是“中国高速铁路” ，用来指时速 200km/h 以上的高速列车。是铁道部为中国铁路第六次大提速，向法国的阿尔斯通公司订购的高速电动车组。它的引进将对我国铁路客车转向架特别是高速客车转向架的技术发展提供了良好机遇，同时由于对转向架性能

2、要求的不断提高，也存在着很大的挑战。本次毕业设计是以 CRH5 动车组转向架的设计技术展开讨论，采用 3DS MAX，ANSYS和 Hypermesh 等软件对制动装置进行虚拟装配和有限元分析。制动装置是转向架很重要的部分，对其进行虚拟装配制作以及展示，进行有效的结构分析是十分必要的。本次设计详细描述了利用 3DS MAX 和 Hypermesh，ANSYS 等软件对轮对进行了虚拟装配动画制作和有限元分析。本次毕业设计的主要内容包括：学习使用 3DS MAX、Hypermesh，ANSYS 等软件的使用方法；应用 3DS MAX 软件进行转向架制动装置部分的虚拟装配动画制作，用Hypermes

3、h 和 ANSYS 软件进行制动装置的有限元分析。关键词关键词：转向架 虚拟装配 有限元 制动装置 AbstractRailway is the main mode of transport in our country, in the national economy plays a very important role. Speed, for the railway, it is a huge systematic project. So put enough energy and financial research is imperative bus speed. CRH are C

4、hina Railway High-speed acronym in English, English meaning is high-speed railway in China, used to refer to speed of 200km / h or more high-speed train. It is the high-speed EMUs that ordered to the French company Alstom when the sixth large-scale speed of the Ministry of Railways of China Railways

5、. It will be the introduction of our country railway passenger car, especially high-speed passenger car technology development provides a good opportunity, because of the bogie at the same time the continuous improvement of performance requirements, there are very challenging. The design is based on

6、 graduation CRH5 EMU bogie design techniques discussed. Using 3DS MAX ANSYS and Hypermesh software for brake of virtual assembly and finite element analysis . Brake is an important component of its effective structural analysis is very necessary. The design is described in detail and use of 3DS MAX,

7、 ANSYS and other software Hypermesh round the conduct of an effective virtual assembly animation and finite element analysis. The graduation projects main activities include: learning to use 3DS MAX, Hypermesh and ANSYS; use software Hypermesh and ANSYS finite element analysis.Key words: bogie virtu

8、al assembly finite element brake目 录引引 言言.1第一章第一章 绪论绪论.21.1 国内外动车组的发展状况.21.1.1 国内动车组的发展.21.1.2 国外动车组的发展.21.2 CRH5 动车组转向架简介及结构特点.31.3 CRH5 型转向架制动装置简介.51.4 设计研究的内容.6第二章第二章 相关软件介绍相关软件介绍.72.1 3DS MAX软件介绍 .72.2 HYPERMESH软件介绍 .72.3 ANSYS 软件介绍.9第三章第三章制动装置虚拟装配制动装置虚拟装配.113.1 虚拟现实技术与虚拟装配简介.113.1.1 虚拟现实技术.113.1

9、.2 虚拟装配.113.2 虚拟装配的方案和步骤.123.2.1 制动装置装配顺序.123.2.2 装配动画的具体步骤.12第四章第四章 制动杠杆的有限元分析制动杠杆的有限元分析.164.1 有限元分析简介.164.2 基本步骤 .164.3 制动杠杆的有限元分析过程 .174.3.1 受力分析及计算工况.174.3.2 计算模型.174.3.3 计算结果.184.4 有限元分析小结.19结论与展望结论与展望.19谢谢 辞辞.20参考文献参考文献.21 1引 言CRH5 型动车组技术引进自法国阿尔斯通公司的高速列车车型。以法国阿尔斯通的Pendolino 宽体摆式列车为基础，但取消了装设的摆式

10、功能，车体以法国阿尔斯通为芬兰国铁提供的 SM3 动车组为原型。由中国北车集团长春轨道客车股份有限公司（联合法国阿尔斯通）负责在国内生产。CRH5 型电动车组采用动力分布式设计，每列编组 8 节车。5 节动车和 3 节拖车（5M/3T） ，运营速度 200 公里级别（设计最高营运速度为 250km/h） 。列车可通过两组联挂方式增至 16 节。列车设有一等座车（ZY） 、二等座车（ZE）和带酒吧的二等座车餐车（ZEC） 。其中一等座采用 2+2 方式布置，二等座为 2+3 布置。其中有 38 列CRH5A（编号为 CRH5-013ACRH5-042A、CRH5-054ACRH5-060A）的一

11、等、二等座椅均可以回转，其他为固定式样。CRH5 型动车组对原型车的进行了大改动，正式运营初期的故障率相对比较高。在耐寒性方面较优，其承受温度范围可达40，因此大多数被安排于中国北方尤其是东北地区运行。本次设计主要是对 CRH5 型动车组转向架制动装置部分进行虚拟装配动画演示以及关键部件的有限元模拟仿真分析。本文的目的是设计出 CRH5 动车组转向架制动装置部分虚拟装配过程以及对车轴进行有限元分析。通过对转向架制动装置的虚拟装配的动画演示，可以使工厂维修人员对制动装置的实际装配过程有直观的认识，并使一个制动装置结构清晰的展现，这也对接下来的分析提供了帮助。2第一章 绪论1.1.1 1 国内外动

12、车组的发展国内外动车组的发展状况状况1.1.1 国内动车组的发展从1958年到2O世纪8O年代末期，是我国铁路动车和动车组发展的初始阶段，历经30余年。1958年，四方机车车辆厂在大连机车车辆研究所(今中国北车集团大连机车研究所)、上海交大和集宁机务段协作下，自行设计、研制了我国首列双层液力传动内燃动车组，当时称为东风号双层摩托列车。该列动车组于1959年交付北京内燃机务段，在北京天津间试运。我国自行设计制造的首列电力动车组是由长春客车厂、株洲电力机车研究所和铁道科学研究院，根据铁道部科学技术发展规划，于1978年开始研究设计，1988年完成试制的KDZ1型电力动车组。在上述两种动车组研制之间

13、，1962年我国铁路从匈牙利进口2列NG3型内燃动车组。这种动车组是由匈牙利Ganz Mavag工厂制造的，由2动+2拖4节编组而成，动车布置在两端，总功率为735kw(1000马力)，设计速度是128 km/h。20世纪90年代到21世纪最初几年，是我国铁路动车和动车组发展的第二阶段，即加速发展阶段。1990年9月5日，全路首列四季空调列车在北京广州的47/48次列车上启用。自此，铁路客运出现了多品种、多样性、多档次、多元化的新局面。为使铁路运输产品真正具有较强竞争力而采取的重大措施是铁道部对列车运行图的重大调整和几次大幅度的列车提速。从1997年到2004年，中国铁路实施了5次大提速。铁路

14、客运领域的重大技术创新和喜人的形势变化，为铁路工业系统开发新型动车和动车组提供了市场需求和动力，从而形成了我国铁路动车和动车组发展的难得机遇和良好条件。中国铁路第六次大提速上线运行的动车组名称为“和谐号” ，原名CRH系列。CRH系列目前有CRH1CRH5几种型号。从1998年我国第一列商用动车组在南昌铁路局运营以来，目前已有几十列动车组奔驰在全国万里铁道线上，成为铁路运输一道亮丽的风景。1.1.2 国外动车组的发展动车组在国外已有 40 余年的发展历史。20 世纪 50 年代，电动车组最高运行时速为 160 公里189 公里。1990 年 5 月，法国的 TGV-A 动车组创造了震惊世界的时

15、速为515.3 公里的最高试验速度，这也是轮轨粘着式交通工具速度的最高记录。1964 年 10 月，日本先于其他国家开通了世界第一条高速铁路东海道新干线3(东京新大阪的高速客运专线)，最高运行时速为 210 公里。20 世纪 80 年代运行于东京博多线路上的列车由 0 系换成 100 系电动车组。100 系电动车组由 12 辆动车和 4 辆拖车(其中双层客车两辆)组成，拖车加装了涡流制动，最高时速 230 公里。1992 年，东日本公司开始开发超高速电动车组，取名为 STAR21 型电动车组，创意为21 世纪用的时速 350 公里高级豪华列车。法国高速铁路线上采用的电动车组在牵引动力上的布置与

16、日本不同。日本是动力分散式，而法国是动力集中式，只在列车两端的头车(或与头车相临的客车的一端)装有牵引动力装置。法国第一条铁路线(巴黎东南新干线)于 1972 年动工，1983 年投入运用。运用 TGV-PSE 电动车组，最高运行时速为 270 公里。在巴黎东南新干线通车后，法国继续扩大高速铁路线，1990 年大西洋新干线(巴黎勒芒、图尔)正式通车，采用 TGV-A 电动车组，最高运行时速为 300 公里。1962 年德国研制的“莱茵金子”号客车的构造时速已达 160 公里，1974 年 ET403型电动车组的最高运行时速为 160 公里，1977 年提高到时速 200 公里。1985 年制造

17、出ICE 型高速列车，并在 1988 年时速达到 406 公里的试验速度。1989 年，德国开始正式制造第一代 ICE 高速列车，并于 1990 年投入使用。在今年 8 月 1 日，德国第三代动力分散型高速列车 ICE3，正式投入法兰克福科隆新型高速铁路线的商业运营，最高时速达到 300 公里。俄罗斯采用在既有线路上逐步提高旅客列车速度，使线路的改造和机车车辆的更新同步进行的方法。1984 年 3 月，高速列车正式投入运用，采用了快速电动车组，平均运行时速为 140 公里，有两个区间时速达 200 公里。意大利在 20 世纪 70 年代中期投入运用了带摆式车体的 ERT401 型的客车，最高运

18、行时速为 160 公里180 公里，20 世纪 80 年代最高时速达到 200 公里。1988 年1989年开始在米兰罗马、威尼斯罗马之间采用 ETR450 型摆式列车，最高运行时速250 公里。瑞典的 X2000 摆式动车组由 Bombardier Transportation 制造，运行于斯德哥尔摩哥德堡之间 457 公里的铁路线上。该车主要特点是通过弯道处的速度比普通列车提高约 40%，并以此来缩短营运时间。1.2 CRH5 动车组转向架简介及结构特点转向架是铁路车辆的重要部件之一，它直接与车辆运行的安全性和平稳性有关，为了保证动车组在高速客运专线上的高速安全运行，转向架的性能好坏是关键

19、。它直接承载车体重量，保证车辆顺利通过曲线。同时，转向架的各种参数也直接决定了车辆的稳定性和车辆的乘坐舒适性。转向架可以减少轮轨磨损和轮轨作用力，高效、可靠4的制动系统，减少噪音，吸收高频振动。转向架的结构要便于弹簧减振装置的安装，使之具有良好的减震特性，以缓和线路之间的相互作用，减小震动和冲击，减小动应力，提高车辆运行的平稳性和安全性。这批高速列车随后正式定型为 CRH5A，是目前 CRH5 系列中的唯一车型。动车组采用动力分散式，每列 8 节编组，共 5 节动车和 3 节拖车（5M3T） ，设计营运速度为 250 km/h。列车可透过两组联挂方式增至 16 节。列车设有一等座车（ZY） 、

20、二等座车（ZE）和带酒吧的二等座车餐车（ZEC） 。其中一等座采用 2+2 方式布置，二等座为2+3 布置。有 38 列 CRH5A（编号为 CRH5-013ACRH5-042A、CRH5-054ACRH5060A）的一等、二等座椅均可以回转。该动车组编组为 8 辆，每节车体均由 2 台转向架支撑，全列车中动力转向架和非动力转向架各占 50%，有电机驱动型称为动力转向架，无电机驱动型则称为非动力转向架。本次设计对象为动力转向架，它包括构架、轮对、一系悬挂、二系悬挂、牵引、制动、电机安装、辅助系统及轴端装置。CRH5 列车为 8 节车（MC2、M2S、TP、M2、T2、TPB、MH 和 MC1）

21、编组。如图 1.1 所示，采取“五动三拖”的编组构成。车组布置如下：车组包括以 2 个牵引单元编组的8 节车。一个牵引单元有 3 节动车和 1 节拖车（M-M-T-M）,另一牵引单元则有 2 节动车和 2 节拖车（T-T-M-M） 。每个牵引单元均有一个配有相应受电弓的主变压器。每节车有 2 台转向架，包括动力转向架和非动力转向架两种形式。这些转向架分为有电机驱动型和无电机驱动型。有电机驱动型称为动力转向架，无电机驱动型则称为非动力转向架。整个车组包括 10 台动力转向架和 6 台非动力转向架，主要区别是：(1)动力转向架有动力轴，动力轴上装有两个制动轴盘和一组齿轮箱;(2)非动力轴上装有三个

22、制动轴盘:(3)动力转向架构架比非动力转向架构架多一个齿轮箱拉杆座。车组配有 10 根动力轴和 22 根非动力轴。每节车（MC2、M2S、M2、MH 和 MC1）有 2 个带有轴箱的动力轮对和 2 个带有轴箱的非动力轮对。每节 TP、T2 和 TPB 车都有 4 个带有轴箱的非动力轮对。车组具有以下基本参数特点：1.动力转向架数量：10（每台上有一根动力轴）2.非动力转向架数量：63.新轮直径：890 mm4.轨距：1435 mm5.最高运行速度：200 km/h6.各轴的最大载荷：17 t7.车组总长度：211500 mm8.中心距：19000 mm9.轴距：2700 mm5图 1.1 列车

23、选择方案此次设计主要研究的课题主要的研究对象是 CRH5 型转向架，该动车组转向架的主要特点是：CA250 型转向架一系悬挂装置采用拉杆轴箱定位方式，二系悬挂系统由上枕梁、空气弹簧系统、抗侧滚扭杆、二系横向减振器、二系垂向减振器、抗蛇行减振器、防过充装置、横向档和牵引装置等组成;传动装置由齿轮箱、万向轴、安全装置和体悬式电机组成，转向架与车体间采用“Z字形双牵引装置，传递牵引力和制动力;基础制动采用轴盘制动。如图 1.2 为动力转向架 3D 模型。图 1.2 CRH5 动车组转向架 3D 模型1.3 CRH5 型转向架制动装置简介制动系统是轨道车辆的关键设备之一,其性能直接关系到车辆运行的安全

24、性和综合技术水平的提高。城轨交通制动技术水平是随着城市轨道交通运输的发展而不断提高的。制动系统的发展经历了纯空气制动,空气制动为主、电制动为辅 ,电制动为主、空气制动为辅的过程。制动控制技术也由空气控制、电气控制发展到目前的计算机控制。目前,国外先进的城轨交通制动系统大多采用微机控制的直通电空制动系统。制动方式为动力制动和空气制动的复合制动,并且优先采用动力制动。其特点是系统操纵简单、灵活,制动力控制精确,列车运行舒适平稳,停车准确。基础制动装置是机车空气制动系统的主要组成部分，CRH5 动车组采用轴盘制动，6代替低速机车的闸瓦制动。CRH5 动车组转向架上装配有由直径 640、厚 80的低通

25、风能力钢制成的制动盘，其中个用于动力轮对，个用于非动力轮对，安装于齿轮箱两侧。CRH5 动车组采用的这种轴盘制动，制动力应足够使一辆正常负载（）列车停在坡度上，确保机车的安全运行。1.4 设计研究的内容本课题主要研究对象是长春客车股份有限公司与法国阿尔卑斯公司合作生产的CRH5 型转向架。装备该转向架的动车组是目前国内最先进的高速动车组。主要研究内容：1. 学习掌握虚拟装配的理论及基本方法。2. 学习 3ds max 软件并应用该软件制作转向架制动装置虚拟装配。3. 使用 Hypermesh 和 ANSYS 软件完成有限元分析。计算应力及应变情况，得出结论。7第二章 相关软件介绍2.1 3ds

26、 max 软件介绍3D Studio Max，常简称为 3ds Max 或 MAX，是 Autodesk 公司开发的基于 PC 系统的三维动画渲染和制作软件。其前身是基于 DOS 操作系统的 3D Studio 系列软件，最新版本是 2010。在 Windows NT 出现以前，工业级的 CG 制作被 SGI 图形工作站所垄断。3D Studio Max + Windows NT 组合的出现一下子降低了 CG 制作的门槛，首选开始运用在电脑游戏中的动画制作，后更进一步开始参与影视片的特效制作，例如 X战警 II，最后的武士等。在应用范围方面，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、多媒体制作

27、、游戏、辅助教学以及工程可视化等领域。拥有强大功能的 3DS MAX 被广泛地应用于电视及娱乐业中，比如片头动画和视频游戏的制作，深深扎根于玩家心中的劳拉角色形象就是 3DS MAX 的杰作。在影视特效方面也有一定的应用。而在国内发展的相对比较成熟的建筑效果图和建筑动画制作中，3DS MAX 的使用率更是占据了绝对的优势。根据不同行业的应用特点对 3DS MAX 的掌握程度也有不同的要求，建筑方面的应用相对来说要局限性大一些，它只要求单帧的渲染效果和环境效果，只涉及到比较简单的动画；片头动画和视频游戏应用中动画占的比例很大，特别是视频游戏对角色动画的要求要高一些；影视特效方面的应用则把 3DS

28、 MAX 的功能发挥到了极至。2.2 Hypermesh软件介绍Hypermesh 软件是美国 Altair 公司的产品，是世界领先的、功能强大的 CAE 应用软件包，也是一个创新、开放的企业级 CAE 平台，它集成了设计与分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。在 CAE 领域, Hypermesh 最著名的特点是它所具有的强大的有限元网格前处理功能和后处理功能。一般来说，CAE 分析工程师 80的时间都花费在了有限元模型的建立和修改上，而真正的分析求解时间是消耗在计算机工组站上的，所以采用一个功能强大，使用方便灵活，并能够与众多 CAD 系统和有限元

29、求解器进行方便的数据交换的有限元前后处理工具，对于提高有限元分析工作的质量和效率具有十分重要的意义。Hypermesh 是一个高性能的有限元前后处理器，它能让 CAE 分析工程师在高度交互及可视化的环境下进行仿真分析工作。与其他的有限元前后处理器比较，Hypermesh的图形用户界面易于学习，特别是它支持直接输入已有的三维 CAD 几何模型(UG,Pro/E,CATIA 等)已有的有限元模型，并且导入的效率和模型质量都很高，可以大8大减少很多重复性的工作，使得 CAE 分析工程师能够投入更多的精力和时间到分析计算工作上去。同样，Hypermesh 也具有先进的后处理功能，可以保证形象地表现各种

30、各样的复杂的仿真结果，如云图，曲线标和动画等。在处理几何模型和有限元网格的效率和质量方面，Hypermesh 具有很好的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软件限制。其他很多有限元前处理软件对于一些复杂的，大规模的模型在读取数据时候，需要很长时间，而且很多情况下并不能够成功导入模型，这样后续的 CAE 分析工作就无法进行；而如果采用 Hypermesh，其强大的几何处理能力使得 Hypermesh 可以很快的读取那些结构非常复杂，规模非常大的模型数据，从而大大提高了 CAE 分析工程师的工作效率，也使得很多应用其他前后处理软件很难或者不能解决的问题变得迎刃而解。 以下是 Hypermesh

31、 软件与其他有限元分析前处理软件比较时所具有的鲜明的特点：1总体优势通过高性能的有限元建模和后处理大大缩短工程分析的周期。 Hypermesh 具有很高的有限元网格划分和处理效率，应用 Hypermesh 可以大大提高CAE 分析工程师的效率； 直观的图形用户界面和先进的特性减少学习的时间并提高效率。Hypermesh 学习非常简单，它所具有的非常简洁和方便的用户界面大大节省里用户学习 Hypermesh 所需要的时间。一般具有一定 CAE 分析经验的工程师，只需要 2 周就可以熟练地应用 Hypermesh 进行实际工程问题的分析计算。 直接输入 CAD 几何模型及有限元模型，减少用于建模的

32、重复工作和费用。 高速度、高质量的自动网格划分极大地简化复杂几何的有限元建模过程。 在一个集成的系统内支持范围广泛的求解器，确保在任何特定的情形下都能使 用适用的求解器。极高的性价比使您的软件投资得到最好的回报。 高度可定制性更进一步提高效率。定制 Hypermesh 使其适合您的环境，提高您的效率 宏：用户可以创建宏以自动运行一系列操作。 定制用户界面：通过简便的步骤重新布置 Hypermesh 菜单系统 输出模板：通过模板可以将 Hypermesh 数据输出为其他求解器和程序可读的格式。 输入转换器：通过增加您自己的输入转换器，可以扩展 Hypermesh 对其他分析软件数据的支持。 结果

33、转换器：应用提供的工具可以创建专用的转换器，将特殊的分析结果转化成Hypermesh 结果格式。 2CAD 接口及几何模型整理 Hypermesh 具有工业界主要的 CAD 数据格式接口。可以直接把已经生成的三维实体模型导入到 Hypermesh 中，而且一般导入的模型的质量都很高，基本上不太需要对9模型进行修复，这样就大大方便了 CAE 工程师对模型的处理。Hypermesh 还包含一系列工具，用于整理和改进输入的几何模型。输入的几何模型可能会有间隙、重叠和缺损，这些会妨碍高质量网格的自动划分。通过消除缺损和孔，以及压缩相邻曲面的边界等，您可以在模型内更大、更合理的区域划分网格，从而提高网格

34、划分的总体速度和质量。同时具有云图显示网格质量、单元质量跟踪检查等方便的工具，可以及时检查并改进网格质量。 3 模型的创建和编辑 在建立和编辑模型方面，Hypermesh 提供用户一整套高度先进、完善的、易于使用的工具包。对于 2D 和 3D 建模，用户可以使用各种网格生成模板以及强大的自动网格划分模块。 Hypermesh 的自动网格划分模块提供用户一个智能的网格生成工具，同时可以交互调整每一个曲面或边界的网格参数，包括单元密度，单元长度变化趋势，网格划分算法等等。 Hypermesh 也可以快速地用高质量的一阶或二阶四面体单元自动划分封闭的区域。四面体自动网格划分模块应用强大的 AFLR

35、算法。用户可以根据结构和 CFD 建模需要来单元增长选项，选择浮动或固定边界三角形单元和重新划分局部区域。 4强大的后处理功能 Hypermesh 提供完备的后处理功能组件，让您轻松、准确地理解并表达复杂的仿真结果。 Hypermesh 具有完善的可视化功能，使用等值面、变形、云图、瞬变、矢量图和截面云图等表现结果。它也支持变形、线性、复合以及瞬变动画显示。另外可以直接生成 BMP、JPG、EPS、TIFF 等格式的图形文件及通用的动画格式。这些特性结合友好的用户界面使您迅速找到问题所在，同时有助于缩短评估结果的过程。 5求解器接口 Hypermesh 支持很多不同的求解器输入输出格式，这样在

36、利用 Hypermesh 划分好模型的有限元网格后，可以直接把计算模型转化成不同的求解器文件格式，从而利用相应的求解器进行计算。Hypermesh 所具有的非常良好的求解器接口功能，使得Hypermesh 可以作为企业统一的 CAE 应用平台，即统一利用 Hypermesh 进行网格划分，然后对于不同的问题利用不同的求解器进行求解，这样 CAE 工程师也可以很方便的进行数据文件的管理，可以大大提高分析效率。 2.3 ANSYS软件介绍ANSYS 软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS 开发。10它能与多数

37、CAD 软件接口，实现数据的共享和交换，如 Pro/Engineer, NASTRAN, Alogor, IDEAS, AutoCAD 等， 是现代产品设计中的高级 CAD 工具之一。软件主要包括三个部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析） 、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、粒子流迹显示

38、、立体切片显示、透明及半透明显示（可看到结构内部）等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了 100 种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。该软件有多种不同版本，可以运行在从个人机到大型机的多种计算机设备上，如PC，SGI，HP，SUN，DEC，IBM，CRAY 等。11第三章制动装置虚拟装配3.1 虚拟现实技术与虚拟装配简介3.1.1 虚拟现实技术虚拟与现实两词具有相互矛盾的含义，把这两个词放在一起，似乎没有意义，但是科学技术的发展却赋予了它新的含义。虚拟现实的明确定义不太好说，按最早提出虚拟现实概念的学者 J.Laniar 的说法，虚拟现实，又称假

39、想现实，意味着“用电子计算机合成的人工世界” 。从此可以清楚地看到，这个领域与计算机有着不可分离的密切关系，信息科学是合成虚拟现实的基本前提。今天，虚拟现实已经发展成一门涉及计算机图形学、精密传感机构、人机接口及实时图像处理等领域的综合性学科。虚拟现实技术分虚拟实景（境）技术（如虚拟游览故宫博物馆）与虚拟虚景（境）技术（如虚拟现实环境生成、虚拟设计的波音 777飞机等）两大类。虚拟现实技术的应用领域和交叉领域非常广泛，几乎到了无所不包、无孔不入的地步，在虚拟现实技术战场环境，虚拟现实作战指挥模拟，飞机、船舶、车辆虚拟现实驾驶训练，飞机、导弹、轮船与轿车的虚拟制造（含系统的虚拟设计） ，虚拟现实

40、建筑物的展示与参观，虚拟现实手术培训，虚拟现实游戏，虚拟现实影视艺术等等方面的应用和产业的形成都有强烈的市场需求和技术驱动。权威人士断言，虚拟现实技术将是 21 世纪信息技术的代表。它的发展，不仅从根本上改变人们的工作方式和生活方式，劳和逸将真正结合起来，人们在享受环境中工作，在工作过程中得到享受；而且虚拟现实技术与美术、音乐等文化艺术的结合，将诞生人类的第九艺术。随着计算机技术的发展，在 PC 机上实现虚拟现实技术已成为可能。所以，目前虚拟现实技术系统的运行趋势为单机桌面和互联网两种主要方式，因此，它对计算机硬件技术和网络技术的发展和应用也有很大的刺激作用。虚拟现实技术的应用前景十分广阔。它

41、始于军事和航空航天领域的需求，但近年来，虚拟现实技术的应用已大步走进工业、建筑设计、教育培训、文化娱乐等方面。它正在改变着我们的生活。3.1.2 虚拟装配基于虚拟现实的产品虚拟拆装技术在新产品开发、产品的维护以及操作培训方面具有独特的作用。在交互式虚拟装配环境中，用户使用各类交互设备（数据手套/位置跟踪器、鼠标/键盘、力反馈操作设备等）象在真实环境中一样对产品的零部件进行各类装配操作，在操作过程中系统提供实时的碰撞检测、装配约束处理、装配路径与序12列处理等功能，从而使得用户能够对产品的可装配性进行分析、对产品零部件装配序列进行验证和规划、对装配操作人员进行培训等。在装配（或拆卸）结束以后，系

42、统能够记录装配过程的所有信息，并生成评审报告、视频录像等供随后的分析使用。虚拟装配是虚拟制造的重要组成部分，利用虚拟装配，可以验证装配设计和操作的正确与否，以便及早的发现状配中的问题，对模型进行修改，并通过可视化显示装配过程。虚拟装配系统允许设计人员考虑可行的装配序列，自动生成装配规划，它包括数值计算、装配工艺规划、工作面布局、装配操作所模拟等。现在产品的制造正在向着自动化、数字化的反向发展，虚拟装配是产品数字化定义中的一个重要环节。虚拟装配技术的发展是虚拟制造技术的一个关键部分，但相对于虚拟制造的其它部分而言，它又是最薄弱的环节。虚拟装配技术发展滞后，使得虚拟制造技术的应用性大大减弱，因此对

43、虚拟装配技术的发展也就成为目前虚拟制造技术领域内研究的主要对象，这一问题的解决将使虚拟制造技术形成一个完善的理论体系，使生产真正在高效、高质量、短时间、低成本的环境下完成，同时又具备了良好的服务。虚拟装配从模型重新定位、分析方面来讲，它是一种零件模型按约束关系进行重新定位的过程，是有效的分析产品设计合理性的一种手段;从产品装配过程来讲，它是根据产品设计的形状特性、精度特性，真实的模拟产品三维装配过程，并允许用户以交互方式控制产品的三维真实模拟装配过程，以检验产品的可装配性。作为虚拟制造的关键技术之一，虚拟装配技术近年来受到了学术界和工业界的广泛关注，并对敏捷制造、虚拟制造等先进制造模式的实施具

44、有深远影响。通过建立产品数字化装配模型，虚拟装配技术在计算机上创建近乎实际的虚拟环境，可以用虚拟产品代替传统设计中的物理样机，能够方便的对产品的装配过程进行模拟与分析，预估产品的装配性能，及早发现潜在的装配冲与缺陷，并将这些装配信息反馈给设计人员。运用该技术不但有利于并行工程的开展，而且还可以大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的竞争力。3.2 虚拟装配的方案和步骤3.2.1 制动装置装配顺序按照厂家提供的资料中工艺规程的要求，制动装置的安装顺序为：制动横梁上支座电线管路支座制动单元支架支撑板制动吊梁衬套垫板带整体防尘盖的球形节点隔离圈法兰构架组成隔离套及弹性衬套组成制动横梁连

45、接座制动横梁用紧固套垫圈衬套制动横梁用紧固套垫圈衬套垫圈制动夹钳单元制动闸片轮对组成。133.2.2 前期准备1.方案确定首先，将 Pro-E 文件导入 3ds max 软件中，通过设置关键帧进行虚拟装配动画制作，动画文件制作完成后，将其渲染成*.JPG 格式文件输出，再应用 Photo Shop 软件对零部件的名称进行标注，通过 Premiere 软件将所有渲染完成的图片及标注进行合成，由于合成的动画文件较大，所以需要用压缩软件 WinAVI Video Converter 进行压缩，以获得文件大小很小的文件。2.导入文件由于 Pro/E 中的整体装配图不能直接导入 3ds MAX 软件中，

46、因此需要安装PolyTrans 软件极其插件，利用该软件把 Pro/E 文件导入 3ds MAX 软件中，然后才可以制作动画。3.熟悉 3ds max 软件界面在 3ds max 中经常更要在视图之间进行切换，以便从不同角度观察场景，寻找到场景的最佳观察点。在 3sd max 中将鼠标移动到某一视图的名称处，如 Front（前）视图，再单击鼠标右键，将弹出如图所示的快捷菜单，该快捷菜单列出了所有的视图名称。如果选择Top（顶）视图，Front（前）视图则改为 Top（顶）视图。按“T”键也可将Front（前）视图改为 Top（顶）视图，对其他改视图的修改方法完全一样，只需按被转换视图的第一个大

47、写字母键即可。具体方法见图 3-1。图 3-1 视图窗口切换4.设置动画长度和播放速度（Time Configuration）在制作动画之前，设置动画长度和播放速度是必不可少的内容。对于制动装置的虚拟装配动画长度一般在 2 分钟以上，所以要修改默认值，增加动画的长度，并设置每秒帧数以求播放时获得流畅的动画效果。点击下方窗口右侧的时间配置（Time Configuration）图标，在动画（Animation）选项框内，将动画长度（length）的参数修改为需要的时间帧数，然后14点击 OK，就可以看到下方动画编辑窗口的变化。时间帧数也可在做动画的过程中，根据实际零件数及每个零件装配所用时间进行

48、估算，当动画长度不够时可随时通过打开时间配置（Time Configuration）选项进行修改，最后完成动画大约需要 4500 帧左右。5.定义选择集从 PRO-E 导入的转向架模型文件，零件的命名是通过物料号和图纸号表达的。通过 3ds max 软件，对零部件直接中文命名并建立集合，不仅能更加形象直观的表达，操作过程中也会非常方便的选取和调用。当模型导入后，用鼠标左键在透视图（Perspective）中选择零件,而后在右上方的顶部工具条中选择图解视图（Schematic View）图标，就可以显示零件结构树的根目录，再点击弹出对话框左下角的放大镜缩放选定视口对象，高亮的部分就是被选中的零件

49、。为了便于将来的查找与修改，通常在将零件添加进动画之前为零件命名。具体方法是在图解视图调整好所需零件后，在顶部工具条中的命名选择集里直接键入零件的名称后回车便可将零件定义。添加的集合名称在命名选择集旁边的编辑命名选择集（Edit Named Selection Sets）里会有显示，并可以进行删除（Remove）、添加选定对象（Add Selected Objects）、重命名（Rename）等操作。这样在进行查找和修改时将会节省不少的时间。6.赋材质材质除了具有自己的特殊性之外，还受到周围环境的影响，如光线、物体等。所以在编辑材质时应该考虑到周围的环境情况，通过仿佛调整修改材质的相关参数达到

50、理想的状态。当装配动画完成后还需要对零件进行附加材质，才能使整个装配演示看起来更加逼真。点击右侧上方窗口中材质库，选择认为合适的材质对应的图标就可以将相应的材质贴到零件的表面。通过调整材质库中材质的性能参数来调节零件的光泽度，透明度等各个参数。3.2.3 装配动画的具体步骤1. 建立动画模型导入后对模型的各零件建立选择集并根据实际零件数及每个零件装配所用时间进行估算，确定 Length（动画长度）、Frames Per（每秒帧数）参数。本次设计Frames Per 参数为 25f/s，Length 长度为 5700 帧。但当动画长度不够时可随时通过时间设置选项进行修改。以 CRH5 转向架制动

51、装置的制动系统组成为例来说明该部件的装配：1) 预先调整好摄像机角度，使其能够在画面中完整显示。先在选择集中选定制动横梁，把最后装配位置的关键点挪动至 250 帧，记录该时的位置。修改零件在空间中的位置，制动横梁至可视范围外，挪动关键点滑块至 220 帧，记录该关键点。2) 在选择集中选定上支座，把最后装配位置的关键点挪动至 350 帧，记录该时的位置。15修改零件在空间中的位置，拖动上支座至可视范围外，挪动关键点滑块至 250 帧，记录该关键点。3) 在选择集中选定电线管路支座，把最后装配位置的关键点挪动至 475 帧，记录该时的位置。修改零件在空间中的位置，拖动电线管路支座至可视范围外，挪

52、动关键点滑块至 425 帧，记录该关键点。4) 从选择集中选定制动单元支架，把最后装配位置的关键点挪动至 550 帧，记录该关键点。拖动制动单元支架至可视范围外，挪动关键点滑块至 475 帧，记录该关键点。5) 从选择集中支撑板，把最后装配位置的关键点挪动至 650 帧，记录该关键点。拖动支撑板至可视范围外，挪动关键点滑块至 550 帧，记录该关键点。6) 从选择集中选定制动吊梁。把最后装配位置的关键点挪动 700 帧，记录关键点。拖动制动吊梁至可视范围外，挪动关键点滑块至 650 帧，记录该关键点。（如图 3-2）7) 选择摄像机并给摄像机在 700 帧时添加关键帧。移动关键帧至 825 帧

53、，调节摄像机的位置，并设置关键帧。8) 从选择集中选定衬套，把最后装配位置的关键点挪动至 850 帧，记录该关键点。拖动衬套至可视范围外，挪动关键点滑块至 825 帧，记录该关键点。图 3-2 制动系统的部件装配图9) 从选择集中垫板，把最后装配位置的关键点挪动至 1050 帧，记录该关键点。拖动垫板至可视范围外，挪动关键点滑块至 850 帧，记录该关键点。10) 从选择集中选定带整体防尘盖的球形节点。把最后装配位置的关键点挪动 1150 帧，记录关键点。拖动带整体防尘盖的球形节点至可视范围外，挪动关键点滑块至161050 帧，记录该关键点。11) 从选择集中选定隔离圈。把最后装配位置的关键点

54、挪动 1250 帧，记录关键点。拖动隔离圈至可视范围外，挪动关键点滑块至 1150 帧，记录该关键点。12) 从选择集中选定法兰。把最后装配位置的关键点挪动 1350 帧，记录关键点。拖动法兰至可视范围外，挪动关键点滑块至 1250 帧，记录该关键点。并依次将螺丝螺母拧紧，记录下关键帧。制动系统完成。然后把制动系统于构架组成连接，安装制动夹钳单元于轮对组成进行装配，旋转摄像机，使装配完成的部分可以清晰的展现并记录摄像机的关键点，制动装置完成。（如图 3-3）图3-3制动装置的整体装配图本次设计使用 3ds MAX 软件做虚拟装配是需要注意：一是装配之前需建立选择集。由于 Pro/E 中的零件是

55、以 BOM 表中的物料号和图纸号来记录，所以建立选择集会使动画制作更加简单。选择集的建立必须取消设置关键点，因此要求操作者在分析部件之后首先创建选择集，否则在对选择集做动画时不能移动选择集。17第四章 制动杠杆的有限元分析本次设计采用 Hypermesh 软件进行制动装置的有限元网格划分，以及工况卡片的建立，然后通过 ANSYS 软件对由 Hypermesh 处理过的模型进行分析计算得出结论。4.1 有限元分析简介有限元法是根据变分原理求解数学物理问题的一种数值方法。基本思想是：将连续结构分割成数目有限的小单元体（称为单元），这些小单元彼此间只在数目有限的点（称为节点）上相互连结，从而形成一个

56、由有限单元组成的组合体以代替原来的连续体实际结构；当然每个小单元体上的力学特性都与原结构对应与该小单元处的力学特性相同；并以节点位移（基本未知量）来描述这些被离散出来的单元力学特性，然后根据节点的变形协调和平衡条件将这些单元重新组合在一起，由此建立一组以节点位移为未知量并反映整个结构的力学特性的线性方程组，求解这组方程得到节点位移，进而求得各单元的内力和应力。换言之，有限单元法的解体思路是先将结构分解成许多的单元，进行单元分析，然后再将这些单元组合成原有的结构进行整体分析。在这“一分一合”的过程中一个复杂的结构计算问题就转化为若干个形状简单的单元计算问题，并最后归结为线性方程组的求解。由于结构

57、离散后的单元数目是有限的，所以这种方法就称之为有限单元法。因此其基本思想可概括为“先分后合”或“化整为零又积零为整” 。4.2 基本步骤有限元分析按照如下步骤进行第一步：问题及求解域定义：根据实际问题来进行选择和判断要分析的模型，选择并把零件模型导入软件中。第二步：求解域离散化：将求解域近似为具有不同有限大小和形状且彼此相连的有限个单元组成的离散域，习惯上称为有限元网络划分。显然单元越小（网络越细）则离散域的近似程度越好，计算结果也越精确，但计算量及误差都将增大，因此求解域的离散化是有限元法的核心技术之一。 第三步：结合实际情况，通过计算或者查询的方式来确定分析零件的哪几个重要部分，分析他们的

58、受力的情况。第四步：在完成网格划分的前提下，建立刚性单元，为加约束加力做准备工作。 18第五步：在模型上加上约束和力，注意模型的受力变形情况，计算出结果。 第六步：观察零件在软件计算后得到的应力云图和位移云图，从图上可知道零件是否符合要求。4.3 制动杠杆的有限元分析过程4.3.1 受力分析及计算工况在基础制动装置中，通过制动杠杆将气缸所产生的原动力放大，它们是基础制动系统中的主要受力部件，这个杠杆的模型上面已经看到，它通过将汽缸中的原动力一级放大后传递到制动闸片支座及制动闸片上，完成制动动作。首先对整个系统进行简化可以得到如图 4.1 所示的机构简图：图 4.1 基础制动单元机构简图制动杆杆

59、将原动力一级放大（以 2 作为支点）： F1*L12=F2*L23 F1= 80 KN F2= 122 KN计算工况：拖车常制情况下，制动气缸输出的原动力为 P=600KPa，由计算得到杠杆两端的力分别为 80 KN 和 122 KN。4.3.2 计算模型本模型选用 Q345 钢作为材料。在菜单中选择“Materials” ，在弹出菜单中输入名称“steels” ， “card image”中选择“MATERIAL” ，单击“Creat/Edit”,输入材料的弹性模量为 206000000，密度为 7.8e-6，泊松比为 0.2，单击“return” ，至此材料属性创建完毕。本次设计默认计算单位的量纲为 mN，mm，kg，kPa，使用其他单位时会进行换算说明。气 缸F1112113211制动闸片支座及制动闸片L12=174L23=114F219将制动杠杆的三个连接处，都简化为刚性单元，这种简化是为了模拟半光圆销与制动杠杆的接触，刚性单元就是本身作为刚性体的一种单元，它的内部没有变形，这样的简化完全可以反映出它们之间的关系。左端的刚节点处约束了 Y 方向的平动，同时约束了 X，Y，Z 三个方向的平动及绕 X，Y 的转动，而在右端圆孔的刚结点处施加载荷。整个简化过程中没有刚体位移。这