基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的鐵路貨車軸端電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

王恒亮， 陸正剛， 孫效杰， 張寶安

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的鐵路貨車軸端電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計

王恒亮， 陸正剛， 孫效杰， 張寶安

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804）

介紹了虛擬樣機(jī)技術(shù)和Pro/E軟件，描述了鐵路貨車軸端電機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能特點及其虛擬樣機(jī)模型的三維設(shè)計流程。講述了模塊化理念和并行設(shè)計方法在軸端電機(jī)總體設(shè)計中的應(yīng)用，并詳細(xì)描述了參數(shù)化設(shè)計方法在軸端電機(jī)詳細(xì)設(shè)計中的應(yīng)用，主要包括零部件尺寸參數(shù)化、裝配約束參數(shù)化及Pro/E提供的“外部復(fù)制幾何”和“使用參照”兩種參數(shù)化工具。以永磁體厚度作參數(shù)化變量為例，介紹了多學(xué)科分析在軸端電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的作用。通過鐵路貨車軸端電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的實踐表明：先進(jìn)的三維設(shè)計技術(shù)和卓越的多學(xué)科分析方法是基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要工具和組成部分,能有效縮短設(shè)計周期、減少設(shè)計成本，并能保證產(chǎn)品滿足使用者的需求。

虛擬樣機(jī)；軸端電機(jī)；三維設(shè)計；多學(xué)科分析；Pro/E

研發(fā)一種鐵路貨車車輛軸端發(fā)電裝置，改變貨車走行部無電狀態(tài)，為轉(zhuǎn)向架智能監(jiān)控系統(tǒng)提供所需電力。根據(jù)預(yù)算出的各結(jié)構(gòu)參數(shù)，運用Pro/E軟件在三維(Three Dimensional，3D)環(huán)境下實現(xiàn)該軸端電機(jī)的虛擬樣機(jī)(Virtual Prototype，VP)建模與裝配。欲根據(jù)相關(guān)電磁場效果、生電效率及經(jīng)濟(jì)性等多學(xué)科分析結(jié)果，對已完成的軸端電機(jī)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行更改，在其 3D設(shè)計階段可引入模塊化理念、并行設(shè)計和參數(shù)化設(shè)計方法，保證外界約束能驅(qū)動VP模型產(chǎn)生適應(yīng)性改變，以滿足軸端電機(jī)的實際性能需求及其實際安裝或懸掛要求。這種基于VP技術(shù)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方法能推廣至汽車、船舶和航空等領(lǐng)域的裝備設(shè)計過程中，能有效縮短產(chǎn)品設(shè)計耗時，同時能延長產(chǎn)品全壽命周期。

1 VP技術(shù)與Pro/E軟件

VP技術(shù)是以先進(jìn)的CAD（Computer Aided Design，計算機(jī)輔助設(shè)計）技術(shù)為基礎(chǔ)，建立與物理樣機(jī)相一致的數(shù)字化VP模型，然后利用VP模型進(jìn)行動力學(xué)、熱力學(xué)、磁場等多學(xué)科分析的一種卓越技術(shù)[1-2]。VP技術(shù)能方便實現(xiàn)人機(jī)交互的3D設(shè)計，能全面表達(dá)設(shè)計理念、設(shè)計思路與設(shè)計效果。同時，依據(jù)VP模型的多學(xué)科分析結(jié)果，在虛擬空間內(nèi)可以自由修改原VP模型的各類參數(shù)，滿足所設(shè)計產(chǎn)品的實際使用需要。VP技術(shù)、VP模型（3D設(shè)計）、多學(xué)科分析3者之間的關(guān)系，如圖1所示。VP技術(shù)能大量減少產(chǎn)品開發(fā)時間和成本，最關(guān)鍵的是設(shè)計者能夠針對使用者提出的性能和質(zhì)量要求進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計，為新產(chǎn)品迅速占領(lǐng)市場創(chuàng)造有利條件[3]。

Pro/E(Pro/Engineer)軟件是美國 PTC(Parametric Technology Corporation)公司推出的工程設(shè)計軟件，是當(dāng)今世界機(jī)械設(shè)計行業(yè)內(nèi)最為流行的3D軟件之一。利用Pro/E進(jìn)行產(chǎn)品的3D設(shè)計是基于裝配關(guān)系進(jìn)行的，而裝配的基礎(chǔ)是零件；零件是由若干帶參數(shù)的特征堆累形成，特征是能夠表達(dá)設(shè)計意圖的簡單幾何形體，構(gòu)成這些幾何形體的要素是參數(shù)化的[4-5]。Pro/E已廣泛應(yīng)用于汽車、航空航天、家電等領(lǐng)域，其版本也不斷升級，在簡化并精煉軟件操作的基礎(chǔ)上引入很多實用的新功能，如行為建模功能。采用 Pro/E軟件可以實現(xiàn)該軸端電機(jī)的VP建模與裝配，在3D空間中可以觀測其內(nèi)部各個方位的結(jié)構(gòu)，更能依據(jù)多學(xué)科分析的結(jié)果自由修改其設(shè)計參數(shù)以滿足要求。

2 軸端電機(jī)的3D設(shè)計流程

該軸端電機(jī)為鐵路貨車車輛轉(zhuǎn)向架智能監(jiān)控系統(tǒng)的供電裝置，擬采用單定子單轉(zhuǎn)子盤式永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)方案，其軸向尺寸小，使用永磁體勵磁，被密封在軸箱端蓋內(nèi)，防塵、防水性能好，且易于拆裝。根據(jù)永磁電機(jī)工作原理，該軸端電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子通過軸箱端蓋和緊固件安裝在車軸軸承座上；轉(zhuǎn)子通過軸端壓板和緊固件安裝在車軸末端，并伴隨車軸的轉(zhuǎn)動進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。在3D環(huán)境下，結(jié)合多學(xué)科分析結(jié)果，可運用Pro/E軟件進(jìn)行該軸端電機(jī)的VP模型設(shè)計，其設(shè)計流程，如圖2所示。

圖2 軸端電機(jī)VP模型的3D設(shè)計流程

3 軸端電機(jī)3D設(shè)計技術(shù)

3.1 模塊化理念和并行設(shè)計（總體設(shè)計）

模塊化理念是基于系統(tǒng)論設(shè)計思想與方法，按一定規(guī)則將產(chǎn)品劃分為一系列模塊，在產(chǎn)品設(shè)計過程中通過制作、選擇和組合各模塊可以快速獲得新的產(chǎn)品[6]。產(chǎn)品模塊化理念的提出促使并行設(shè)計方法的產(chǎn)生，即在以系統(tǒng)為核心的范圍內(nèi)，對產(chǎn)品各模塊的研發(fā)工作同步開展，且并行設(shè)計過程中能全面考慮各模塊對產(chǎn)品綜合性能的影響，有助于提高產(chǎn)品質(zhì)量并大大縮減產(chǎn)品設(shè)計周期。

圖3 軸端電機(jī)的模塊等級樹

模塊化理念和并行設(shè)計方法能運用于產(chǎn)品總體設(shè)計過程中。根據(jù)該軸端電機(jī)的結(jié)構(gòu)和性能特點，將其主要零部件劃分為定子組成、轉(zhuǎn)子組成和標(biāo)準(zhǔn)件3個模塊，并定義模塊的等級，如圖3所示。運用Pro/E進(jìn)行3D設(shè)計的過程中，把整個電機(jī)定義為總組件（GENERATOR.ASM），2級模塊中定子組成、轉(zhuǎn)子組成分別定義為子組件(STATOR.ASM和ROTOR.ASM)，3級模塊中各元件定義為零件（如SILICON_STEEL_SHEETS.PRT, ISOLATION_RING. PRT, COILS. PRT等），2級模塊之標(biāo)準(zhǔn)件中的螺釘、螺栓和墊圈等用于完成該軸端電機(jī)零部件的連接。如圖4所示，該軸端電機(jī) 3D設(shè)計的模型樹中主要包括基準(zhǔn)平面、基準(zhǔn)坐標(biāo)及各已建立的特征或零部件，它能清晰地表達(dá)產(chǎn)品內(nèi)部零部件的結(jié)構(gòu)關(guān)系，較好地映射設(shè)計者的設(shè)計思路與方法，同時，依據(jù)模型樹能方便與快速地修改結(jié)構(gòu)設(shè)計中各特征或約束的參數(shù)值。

圖4 軸端電機(jī)的3D設(shè)計模型樹

根據(jù)圖3和圖4，該軸端電機(jī)的設(shè)計工作可以按照局部到整體、零件到部件的關(guān)系進(jìn)行。首先，使用Pro/E提供的各種造型工具，并靈活運用多種造型技巧完成3級模塊中各零件的3D建模；然后，在同一工作目錄下分別建立2級模塊中的定子組成（STATOR.ASM）和轉(zhuǎn)子組成（ROTOR.ASM）這兩個子組件，導(dǎo)入各組件所包含的零件，并調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件模塊中的連接件或緊固件進(jìn)行子組件的虛擬裝配；最后把兩個子組件導(dǎo)入總組件中，同樣調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)件中的零件完成該軸端電機(jī)的虛擬裝配，形成的外觀效果圖，如圖5所示。圖5中①為軸承座，內(nèi)部包含該軸端電機(jī)的轉(zhuǎn)子部分，②為軸箱端蓋，內(nèi)部包含其定子部分。

圖5 軸端電機(jī)的3D外觀圖

3.2 參數(shù)化設(shè)計（詳細(xì)設(shè)計）

參數(shù)化設(shè)計的動力來源于外部因素的影響，根據(jù)產(chǎn)品本身需滿足的學(xué)科要求和市場對產(chǎn)品所期望的性能指標(biāo)，對預(yù)設(shè)計的產(chǎn)品提出修改建議和意見，這些因素直接驅(qū)動產(chǎn)品各項數(shù)據(jù)的更新[7-9]。參數(shù)化設(shè)計主要用于產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計階段，能具體到某個特征的信息。Pro/E軟件本身是采用單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征、全相關(guān)及工程數(shù)據(jù)再利用的實體模型化系統(tǒng)，基于帶參數(shù)的簡單幾何要素（點、線、面）可以實現(xiàn)3D零件的變量參數(shù)化和VP裝配的約束參數(shù)化[10-11]。

根據(jù)該軸端電機(jī)的多學(xué)科分析結(jié)果，要滿足使用者提出的需求，在3D環(huán)境中可對其零部件的尺寸參數(shù)和裝配參數(shù)這兩個結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行修改。為方便進(jìn)行設(shè)計更改，在其VP建模與裝配的過程中，充分發(fā)揮Pro/E自身的參數(shù)化功能，并采用一定的造型方法和裝配策略。

圖6 永磁體拉伸特征的參數(shù)化尺寸

在該軸端電機(jī)的各零部件中，永磁體的形狀、大小和材質(zhì)等是影響磁場強(qiáng)度、電機(jī)特性及用材經(jīng)濟(jì)性等的重要因素。在3D設(shè)計的過程中，永磁體的模型主要包括拉伸和倒角兩個特征。其中，拉伸作為第一特征，截面中3個尺寸（內(nèi)徑R65、外徑 R94和扇形角 21°）和拉伸深度（厚度4）在Pro/E中均是參數(shù)化變量，如圖6所示。在該軸端電機(jī)各裝配參數(shù)中，對電機(jī)生電效率、磁場強(qiáng)度和電機(jī)特性等影響較大的是轉(zhuǎn)子和定子之間的氣隙大小，如圖7所示。根據(jù)該軸端電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點，按照一定順序（①軸承座-②定子-③轉(zhuǎn)子-④車軸-⑤軸承）完成其虛擬裝配，氣隙值的大小可以依據(jù)使用者對電機(jī)性能的要求自由調(diào)整。

圖7 軸端電機(jī)虛擬裝配局部剖面圖

在該軸端電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中最重要的裝配為線圈-硅鋼片組、永磁體-承載圈，線圈要按指定的匝數(shù)繞在硅鋼片組的開槽內(nèi)，永磁體大小需要和承載圈上的開槽完全匹配。因此，可基于部件級的裝配關(guān)系，在定子組成或轉(zhuǎn)子組成的組件環(huán)境中，分別進(jìn)行線圈和永磁體的形狀設(shè)計，如圖8和圖9所示。如圖10和圖11所示，利用Pro/E提供的“外部復(fù)制幾何”和“使用參照”工具，進(jìn)行永磁體、承載圈、線圈、硅鋼片組等4個零件的3D建模與虛擬裝配，這樣將提高零件模型尺寸的準(zhǔn)確性并避免裝配時超出規(guī)定的限界，同時大大縮短了設(shè)計用時[11]。利用上述兩個工具完成設(shè)計工作后，根據(jù)多學(xué)科分析結(jié)果和使用者需求，若改變硅鋼片組的開槽或永磁體的大小、形狀，線圈和承載圈上的開槽將隨之發(fā)生自適應(yīng)修改，達(dá)到基于部件級參數(shù)化設(shè)計的目標(biāo)。

圖8 在定子組成組件環(huán)境中進(jìn)行線圈的設(shè)計

圖9 在轉(zhuǎn)子組成組件環(huán)境中進(jìn)行永磁體的設(shè)計

圖10 利用“外部復(fù)制幾何”工具通過復(fù)制硅鋼片組開槽的形貌繪制線

圖11 利用“使用參照”工具參照永磁體的輪廓線繪制承載圈上的開槽

上述的造型方法與裝配策略僅為示例，在該軸端電機(jī)詳細(xì)設(shè)計過程中，針對不同零部件的結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計者可以充分運用Pro/E提供的參數(shù)化工具，建立尺寸關(guān)系和約束關(guān)系參數(shù)化模型，為該軸端電機(jī)的多學(xué)科分析工作提供重要基礎(chǔ)。

4 軸端電機(jī)多學(xué)科分析

在進(jìn)行該軸端電機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計之前，根據(jù)一般永磁電機(jī)的設(shè)計方案及該電機(jī)需滿足的性能要求，預(yù)算相關(guān)零部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)。依據(jù)初選的各參數(shù)，運用Pro/E軟件提供的各種造型方法與裝配策略，完成該軸端電機(jī)的3D建模與VP裝配。為校核所完成的設(shè)計方案是否滿足使用者提出的性能、經(jīng)濟(jì)性和可行性等要求，需從磁場強(qiáng)度、發(fā)電效率及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等角度，對已完成的結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行多學(xué)科分析。由于目前關(guān)于該軸端電機(jī)的最優(yōu)化設(shè)計沒有明確考查指標(biāo)或標(biāo)準(zhǔn)，因此，有關(guān)該電機(jī)的多學(xué)科分析大都從使用者提出的不同需求出發(fā)，結(jié)合matlab軟件計算出不同結(jié)構(gòu)參數(shù)下獲得的電機(jī)特性曲線，使用者可以據(jù)此來選擇其所需的軸端電機(jī)的各項參數(shù)。

影響該軸端電機(jī)工作性能的因素很多，主要集中于勵磁部位，包括永磁體和線圈。其中，永磁體厚度是其磁化方向的重要結(jié)構(gòu)參數(shù)，故以此為例來研究永磁體厚度的改變對該電機(jī)效率、功率因素、輸入功率和輸出功率等4個性能指標(biāo)的影響[12-13]，分析結(jié)果分別如圖12、圖13、圖14、圖15所示。

圖12 軸端電機(jī)效率曲線

圖13 軸端電機(jī)功率因素曲線

圖14 軸端電機(jī)輸入功率曲線

圖15 軸端電機(jī)輸出功率曲線

轉(zhuǎn)矩角是電機(jī)運行特性最主要的決定因素，一般取35°-45°。圖12表明該軸端電機(jī)的效率隨著轉(zhuǎn)矩角的增大呈類似線性減小，但永磁體厚度越大，電機(jī)效率越高；圖 13表明該軸端電機(jī)的功率因素隨著轉(zhuǎn)矩角的增大呈非線性減小，同樣，永磁體厚度越大，電機(jī)功率因素越大；圖14表明該軸端電機(jī)輸入功率隨著轉(zhuǎn)矩角的增大呈類似線性增大，但永磁體厚度越大，電機(jī)輸入功率越小；圖 15表明該軸端電機(jī)輸出功率隨著轉(zhuǎn)矩角的增大呈類似線性增大，且永磁體厚度在3-5mm范圍的變化，對電機(jī)輸出功率基本沒有影響。據(jù)此，使用者可以根據(jù)上述分析結(jié)果、實際需求和永磁體材料價格等因素綜合確定永磁體厚度。

根據(jù)使用者提出的需求，該軸端電機(jī)設(shè)計者可以分析計算獲得電機(jī)各結(jié)構(gòu)參數(shù)后更改初始設(shè)計，或者可以使用不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)完成多套設(shè)計方案，分別對每套方案進(jìn)行多學(xué)科分析，得到不同的電機(jī)特性供使用者挑選。

5 結(jié) 束 語

通過學(xué)習(xí)VP的原理與技術(shù)，按照預(yù)定的設(shè)計流程，根據(jù)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和功能特點，運用Pro/E軟件提供的各種造型工具和裝配策略，并能結(jié)合電機(jī)的多學(xué)科分析結(jié)果，實現(xiàn)了鐵路貨車車輛軸端電機(jī)的VP建模與裝配，特別是參數(shù)化設(shè)計為電機(jī)的多學(xué)科分析結(jié)果的反饋運用提供了重要基礎(chǔ)?；赩P技術(shù)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計方法在軸端電機(jī)的設(shè)計過程中得到了實踐，這種先進(jìn)的設(shè)計方法能推廣和應(yīng)用于其他領(lǐng)域的設(shè)備制造業(yè)中。對于結(jié)構(gòu)設(shè)計和多學(xué)科分析兩者之間接口技術(shù)、相互作用與軟件開發(fā)等更深入的研究與實踐還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

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The Structural Design of Shaft-end Generator in Railway Wagons Based on Virtual Prototype Technology

Wang Hengliang, Lu Zhenggang, Sun Xiaojie, Zhang Baoan
( Institute of Railway & Urban Mass Transit, Tongji University, Shanghai 201804, China )

The technology of Virtual Prototype (VP) and the software of Pro/Engineer(Pro/E) are introduced. The characteristics of structure and function of shaft-end generator in railway wagons are described, as well as Three Dimensional (3D) design process of its VP Model.The applications of the idea of modularity and the method of concurrent design in the general design of shaft-end generator are presented, and the application of the method of parametric design in its detail design is described in detail, mainly including component dimension parameterization, assembling constrain parameterization and two parametric tools, namely external copied geometry and external preference. The function of multi-disciplinary analysis in the structural design is presented with the example of regarding the thickness of permanent magnet as parametric variable. Via the work of the structural design of shaft-end generator in railway wagons, practice shows that advanced 3D design technique and excellent multi-disciplinary analysis methods are very most important tools and parts in the product structural design based on virtual prototype technology, and also, the design cycle and cost can be reduced and the product can be guaranteed to meet the requirements of users.

virtual prototype; shaft-end generator; three dimensional design;multi-disciplinary analysis; Pro/Engineer

U 270.3

A

2095-302X (2013)04-0105-07

2013-01-17；定稿日期：2013-04-23

王恒亮（1989-），男，江蘇金壇人，碩士研究生，主要研究方向為車輛動力學(xué)。E-mail：whl1989@aliyun.com；

陸正剛（1966-），男，江蘇新沂人，工學(xué)博士，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為車輛動力學(xué)。E-mail：luzhenggang@#edu.cn