基于UG的客車底盤三維參數(shù)化總布置設(shè)計系統(tǒng)

吳晨

摘要：產(chǎn)品設(shè)計通?？煞譃閯?chuàng)新設(shè)計和變型設(shè)計兩大類。在機械、汽車企業(yè)中，創(chuàng)新設(shè)計畢竟稀少，大量的是變型設(shè)計。變型設(shè)計是在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，按市場需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組，它的實現(xiàn)過程可以最大限度地重用企業(yè)已有的成熟產(chǎn)品資源，具有很強的靈活性和適應(yīng)性。客車多是一種多品種、小批量的產(chǎn)品，新技術(shù)、新產(chǎn)品日益廣泛的應(yīng)用使得客車的底盤的更新和換型周期不斷縮短?？蛙囆阅苤饕Q于底盤，客車專用底盤設(shè)計制造水平的不斷提高是客車行業(yè)賴以發(fā)展的基礎(chǔ)。同時，底盤作為平臺化戰(zhàn)略的主要對象，它的快速設(shè)計與開發(fā)對企業(yè)產(chǎn)品平臺化戰(zhàn)略的實施也必將產(chǎn)生積極的作用。

關(guān)鍵詞：UG；客車底盤三維參數(shù)化；總布置設(shè)計系統(tǒng)

當(dāng)今發(fā)達(dá)國家的汽車產(chǎn)品設(shè)計的方法和手段已不局限于利用通用的CAD /CAE 軟件（如UG、CAT IA、PRO - E 等）進(jìn)行一般的設(shè)計計算和三維制圖，還進(jìn)行包括設(shè)計參數(shù)的優(yōu)化計算、設(shè)計結(jié)果的分析與仿真等在內(nèi)的一系列計算機輔助設(shè)計和開發(fā)活動。

一、系統(tǒng)特點

1.專用的總布置設(shè)計工具。針對底盤總布置設(shè)計的特點，定制了專用的總布置工具，實現(xiàn)一些關(guān)鍵零部件的快速搜索、定位、修改等。

2.快速的動力系統(tǒng)初步設(shè)計工具。根據(jù)整車性能要求，快速計算出動力系統(tǒng)各關(guān)鍵零部件的性能參數(shù)，為總布置設(shè)計奠定基礎(chǔ)。

3.總布置方案的實時分析。通過兩次開發(fā)手段建立性能分析模塊，可以對底盤各子系統(tǒng)如轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動系統(tǒng)進(jìn)行分析計算，對整車的動力性和操穩(wěn)性進(jìn)行初步計算。

4.操作方便的圖形數(shù)據(jù)庫。將基于UG的底盤三維總布置模型及底盤零部件三維模型以數(shù)據(jù)庫的形式保存起來，形成圖形數(shù)據(jù)庫，同時建立與圖形數(shù)據(jù)庫相關(guān)的信息數(shù)據(jù)庫。信息數(shù)據(jù)庫分為表管理對象、設(shè)計信息管理對象以及部件（圖形）管理對象。通過表管理對象可以對設(shè)計信息庫以及圖形部件庫動態(tài)地進(jìn)行查詢和更改管理。通過圖形管理對象對部件、組件以及整個底盤設(shè)計進(jìn)行管理。

5.系統(tǒng)配置可按照需求改變。由于整個系統(tǒng)是自主研發(fā)的，可以根據(jù)不同種類汽車的要求對系統(tǒng)進(jìn)行改動，其應(yīng)用模塊可以很容易地移植到客車、卡車等底盤的設(shè)計上面，以滿足用戶的需求。

二、基于UG的客車底盤三維參數(shù)化總布置設(shè)計系統(tǒng)

1.系統(tǒng)功能。一是動力系統(tǒng)設(shè)計模塊。通過建立燃料電池動力系統(tǒng)設(shè)計模塊，提高動力系統(tǒng)設(shè)計效率。根據(jù)整車性能要求，計算動力系統(tǒng)關(guān)鍵零部件，如蓄電池、電機與驅(qū)動器、燃料電池發(fā)動機、DC /DC變換器等性能參數(shù)。二是底盤總布置設(shè)計模塊。設(shè)計人員通過總布置設(shè)計模塊可以了解當(dāng)前設(shè)計過程裝配布置的情況，查詢圖形數(shù)據(jù)庫和設(shè)計信息數(shù)據(jù)庫，將符合要求的組件裝配布置在當(dāng)前設(shè)計項目中。在裝配過程中提供預(yù)覽，簡化裝配數(shù)據(jù)圖形，進(jìn)行快速裝配，可以方便地對底盤進(jìn)行布置修改、移除組件、重新定位組件以及完全裝載組件?？偛贾迷O(shè)計模塊采用自頂向下的裝配方法，首先建立裝配結(jié)構(gòu)即裝配關(guān)系，支持并行設(shè)計，用戶可同時對不同的組件進(jìn)行設(shè)計。在裝配時，使用了UG 引用集的概念，即在裝配時首先采用的不是模型的裝配，而是模型特征小片體的裝配，采用這種方法裝配底盤可以節(jié)約大量等待時間。三是性能分析模塊。通過性能分析模塊用戶可以對底盤進(jìn)行幾何分析和性能分析。通過幾何分析，用戶可以動態(tài)地

讀取整車的一些幾何信息，如整車質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)、迎風(fēng)面積和前后軸的載荷分配等。通過性能分析，可以對底盤各子系統(tǒng)如制動系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)等進(jìn)行分析計算，以及整車的動力性、操穩(wěn)性初步計算等，并能夠根據(jù)國家法規(guī)對計算結(jié)果進(jìn)行初步評價。

2.三維參數(shù)化總布置的實現(xiàn)。一是底盤坐標(biāo)系及總成自身坐標(biāo)系?？蛙嚨妆P總布置設(shè)計是在三維環(huán)境下進(jìn)行的，為此系統(tǒng)需要引入底盤坐標(biāo)系和總成坐標(biāo)系。兩種坐標(biāo)系均采用通常的右手直角坐標(biāo)系，零部件三維參數(shù)化模型傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，原有的幾何模型是設(shè)計者用固定的尺寸值得到的，零件的結(jié)構(gòu)形狀不能靈活地改變，一旦零件尺寸發(fā)生改變必須重新繪制相應(yīng)的幾何模型。所謂參數(shù)化設(shè)計即以一定量的參數(shù)控制零件的幾何模型，通過修改參數(shù)而改變幾何模型，從而改變零件的結(jié)構(gòu)尺寸。利用參數(shù)化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計時，圖形的修改非常容易，用戶構(gòu)造幾何模型時可以集中于概念和整體設(shè)計，因此可以充分發(fā)揮創(chuàng)造性，提高設(shè)計效率。二是參數(shù)化底盤總體裝配樹型結(jié)構(gòu)。在裝配體中各個組成的零件和子部件之間構(gòu)成了裝配關(guān)系樹。在建立底盤裝配模型之前，需要先建立好底盤參數(shù)化總裝配的樹型結(jié)構(gòu)。參數(shù)化總裝配樹型結(jié)構(gòu)的根節(jié)點為我們所要建立的底盤文件，各大總成作為樹型結(jié)構(gòu)的一級子節(jié)點，對于復(fù)雜的總成如包含有縱梁、橫梁的車架總成還有二級甚至三級子節(jié)點。父節(jié)點與子節(jié)點之間的關(guān)系由相關(guān)參數(shù)聯(lián)系，這些參數(shù)包括配合參數(shù)和安裝定位參數(shù)圖，在該樹型結(jié)構(gòu)中，不同分支的節(jié)點之間存在著限制或約束關(guān)系，所以在確定總成及零部件的安裝位置時需要對該節(jié)點增加相關(guān)參數(shù)或安裝位置的限定。三是干涉檢查及基本運動校核。在干涉檢查是靜態(tài)的，只有當(dāng)用戶發(fā)出命令時才進(jìn)行。沒有一個動態(tài)的、智能的干涉檢查功能隨時對裝配件進(jìn)行干涉檢查。我們通過二次開發(fā)，在總成裝配到底盤上時就對該總成與底盤上其它零部件的干涉情況進(jìn)行檢查，一旦發(fā)現(xiàn)有干涉現(xiàn)象，馬上提示用戶進(jìn)行修改。在進(jìn)行總布置設(shè)計時，一項重要的工作就是對各相對運動的零部件進(jìn)行運動校核。其中包括轉(zhuǎn)向輪極限轉(zhuǎn)角和鋼板彈簧極限動載時的運動干涉情況。鋼板彈簧是客車底盤廣泛采用的懸架型式之一。對于發(fā)動機前置車型，前鋼板彈簧的極限上跳可能與布置在其上方的發(fā)動機的油底殼發(fā)生干涉；對于后驅(qū)動車型，后鋼板彈簧的跳動范圍將影響與后橋凸緣相連的傳動軸參數(shù)的設(shè)計選擇。因此必須對鋼板彈簧的運動進(jìn)行校核。通過將正反彎曲的兩段圓弧組合在一起我們巧妙地解決了鋼板彈簧彎曲變形中的正反彎曲問題。首先計算板簧受力變形下的弧高，根據(jù)弧高決定板簧的彎曲方向，然后修改相應(yīng)參數(shù)，板簧如向上彎曲則使同時根據(jù)計算調(diào)整板簧彎曲半徑，如向下彎曲則同時調(diào)整板簧彎曲半徑。這樣就很好地滿足了底盤總布置階段鋼板彈簧的三維布置與極限位置干涉檢查的要求。

3.參數(shù)數(shù)據(jù)庫。一是底盤及整車車型參數(shù)數(shù)據(jù)庫。汽車設(shè)計在某種程度上也是一種積累的過程。企業(yè)已有產(chǎn)品以及國內(nèi)外樣車的車型數(shù)據(jù)，蘊涵著設(shè)計者的經(jīng)驗和知識，對于設(shè)計新產(chǎn)品具有很重要的借鑒作用。車型參數(shù)數(shù)據(jù)庫將車型尺寸及結(jié)構(gòu)型式數(shù)據(jù)信息和產(chǎn)品開發(fā)過程集成起來，創(chuàng)造出一種透明度很高的虛擬環(huán)境，能適應(yīng)復(fù)雜多變的變型設(shè)計的需求，保證在整個產(chǎn)品生命周期中使產(chǎn)品數(shù)據(jù)具有一致性定義的條件下，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計的數(shù)據(jù)管理和過程控制。除車型基本參數(shù)外，對于發(fā)動機和變速器等與底盤基本性能密切相關(guān)的總成，它們的性能參數(shù)也分別進(jìn)行了建庫工作，以便于在底盤總布置時進(jìn)行匹配和選型。二是底盤及整車設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)庫。進(jìn)行汽車設(shè)計時，無論是尺寸參數(shù)、質(zhì)量參數(shù)，還是性能參數(shù)，都必須首先滿足相關(guān)法規(guī)的要求。滿足技術(shù)法規(guī)要求是底盤總布置設(shè)計的前提和基本出發(fā)點之一。為此，我們將與底盤及整車設(shè)計相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)等以網(wǎng)頁的形式集成到底盤總布置設(shè)計系統(tǒng)，通過可以隨時調(diào)用進(jìn)行查閱。對于簡單的標(biāo)準(zhǔn)要求如對汽車外廓尺寸的要求等，我們還將其從標(biāo)準(zhǔn)中抽取出來作為總布置時的重要設(shè)計依據(jù)，實現(xiàn)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)在總布置過程中的實時動態(tài)監(jiān)控，當(dāng)用戶的輸入不符合法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求時系統(tǒng)將給出相關(guān)提示。

在建立底盤零部件三維參數(shù)化圖形庫、底盤及整車車型參數(shù)數(shù)據(jù)庫、底盤及整車設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)庫的基礎(chǔ)上，通過軟件進(jìn)行二次開發(fā)，建立了集成于環(huán)境下的客車底盤參數(shù)化三維總布置設(shè)計系統(tǒng)。到目前積累了大量的設(shè)計數(shù)據(jù)，為該軟件提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。

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