（机械工程专业论文）列车车体设计与装配连接技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 于两要 骨架类产品的零部件数目多，且结构复杂。列车车体属于典型的骨架类产品，若采 用传统的设计模式来设计列车车体，设计效率低下，本文提出采用基于重用设计的构件 设计方法来实现列车车体的快速设计。由于列车车体设计过程中包含了大量装配连接位 置点的设计，且现有的产品设计工具没有提供快速设计装配位置点的功能，本文提出研 究骨架类产品的装配连接位置点的快速布置算法，并开发装配连接位置点的快速设计系 统。 本文主要研究了如下内容： ( 1 ) 先定义了骨架类产品的构件概念，并描述了构件的属性组成。基于几何形状对 零件特征进行分类，然后探讨基于c a t i a 历史特征树的辅助特征的简化处理过程。分析 零件的名称语义，并建立属性矩阵和装配位置关系矩阵，提出了一种考虑零件名称语义、 属性矩阵、装配位置关系矩阵和辅助特征简化的构件分类方法。在构件分类后，研究了 构件几何属性的提取方法。本文描述了构件p o w e r c o p y 模板的创建过程，并分析了构件 实例化与快速设计实现间的关系。 ( 2 ) 基于2 5 型客车车体的主要结构，采用构件分类方法对车体的主要零部件进行分 类，并建立车体构件。本文分析了自顶向下设计方法的特点及其应用在车体设计中的重 要性，结合自顶向下设计方法与构件的定位定形特征建立了车体骨架特征数学模型，并 提取车体的骨架特征，结合c a t i a 知识工程对车体骨架模型进行了设计。最后基于车体 构件重用完成车体主要零部件的详细设计。 ( 3 ) 结合骨架类产品的装配环境定义了几种常见的约束，并按照装配工艺要求，提 出影响域、边距、间距和排距的定义规则。研究在装配环境下无约束时和存在单约束时 的装配连接位置点的布置算法，基于上述研究提出多约束时的装配连接位置点的优化布 置算法。最后建立装配连接位置点均匀性的评判方法。 ( 4 ) 以c a a 为二次开发工具，设计并开发装配连接位置点的快速设计系统。系统主 要包括装配环境识别、主零件识别、曲线偏移、连接位置点生成和连接位置点编辑五大 功能模块。应用开发的系统对列车车体的装配位置连接点进行设计，验证了系统的可行 性及实用价值。 关键词：骨架类产品；构件；快速设计；列车车体；装配连接 西南交通大学硕士研究生学位论文 第l i 页 a b s t r a c t s k e l e t o np r o d u c t si n c l u d eal a r g en u m b e ro fp a r t sa n dh a v ec o m p l e xs t r u c t u r e t r a i nb o d y i so n et y p i c a lk i n do fs k e l e t o np r o d u c t s i ft h et r a i nb o d yi sd e s i g n e db yt r a d i t i o n a lp a a e m ，t h e d e s i g ne f f i c i e n c yi sl o w t h i sa r t i c l ep r o p o s e sac o m p o n e n td e s i g nm e t h o da b a s e do n r e u s et o a c h i e v et h er a p i dd e s i g no ft r a i nb o d y al o to fa s s e m b l yc o n n e c t i o np o i n t sn e e dt od e s i g ni n t h ed e s i g np r o c e s so ft r a i nb o d y , a n de x i s t i n gd e s i g nt o o l sh a v e n tp r o v i d e dr a p i dd e s i g n f u n c t i o no fa s s e m b l yc o n n e c t i o np o i n t s a c c o r d i n gt ot h i s ，r e s e a r c ho nf a s tl a y o u ta l g o r i t h m a n dr a p i dd e s i g ns y s t e mo fa s s e m b l yc o n n e c t i o np o i n t so fs k e l e t o np r o d u c t si sp r o p o s e d i nt h i s a r t i c l e t h ea r t i c l eh a sm a i n l yc o v e r e dt h ef o l l o w i n gi s s u e s ： ( 1 ) f i r s t ，t h i sp a p e rd e f i n e st h ec o m p o n e n tc o n c e p t o fs k e l e t o np r o d u c t sa n dd e s c r i b e st h e a t t r i b u t e so ft h ec o m p o n e n c l a s s i f i c a t i o no ft h ep a r tf e a t u r ei sd o n eb a s e do nt h eg e o m e t r y t h e nt h i sp a p e rd i s c u s s e sas i m p l i f i e dp r o c e s so ft h ea d d i t i o n a lf e a t u r e sb a s e do nt h ec a t i a h i s t o r ys p e c i f i c a t i o nt r e ea n da n a l y z e st h en a m es e m a n t i co fp a r t t h ea t t r i b u t em a t r i xa n d a s s e m b l vl o c a t i o nm a t r i xi se s t a b l i s h e d f i n a l l y , ac o m p o n e n t c l a s s i f i c a t i o nm e t h o di s p r o p o s e db a s e do nt h ep a r tn a m es e m a n t i c ，t h ea t t r i b u t em a t r i x ，a s s e m b l yl o c a t i o nm a t r i xa n d a d d i t i o n a lf e a t u r e ss i m p l i f i c a t i o n a f t e rt h ec o m p o n e n tc l a s s i f i c a t i o no fs k e l e t o np r o d u c t s ，a n e x t r a c t i o nm e t h o do ft h ec o m p o n e n tg e o m e t r i cp r o p e r t i e si sp r o p o s e d t h i sp a p e rd e s c r i b e st h e c r e a t i o np r o c e s so fc o m p o n e n t sp o w e r c o p yt e m p l a t e ，a n di n t r o d u c e st h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n c o m p o n e n ti n s t a n t i a t i o na n dr a p i dd e s i g n ( ，2 ) b a s e do nt h em a i ns t r u c t u r eo ft r a i nb o d yo ft y p e - 2 5 ，t h ep a p e rc l a s s i f i e st h em a i n p a r t so ft h et r a i nb o d yw i t ht h ec o m p o n e n tc l a s s i f i c a t i o nm e t h o d ，a n dt h e nd e s i g n st h et r a i n b o d yc o m p o n e n t s t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft o p - d o w nd e s i g nm e t h o da n d t h ei m p o r t a n c eo fi t s a p p l i c a t i o no nt r a i nb o d yd e s i g na r ea n a l y z e di nt h i sp a p e r t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h e t r a i nb o d ys k e l e t o ni sc r e a t e db a s e do nt o p d o w nd e s i g nm e t h o da n dt h ec h a r a c t e r i s t i cf e a t u r e s o fc o m p o n e n t t h ea r t i c l ea p p l i e st h em a t h e m a t i c a lm o d e lt oe x t r a c tt h es k e l e t o nf e a t u r e so f t h et r a i nb o d y a n dt h e nt h es k e l e t o nf e a t u r e so ft h et r a i nb o d ya r ed e s i g n e dw i t ht h ec a t i a k n o w l e d g ee n g i n e e r i n g f i n a l l y , t h ed e t a i l e dd e s i g no ft h em a j o rp a r t so f t h et r a i nb o d yi s a c h i e v e dt h ec a r - b o d yc o m p o n e n t ，a c h i e v i n gt h r o u g hs t y l el i n e sb a s e do nc o m p o n e n t r e u s e ( 3 ) s e v e r a lc o m m o nc o n s t r a i n t sa r ed e f i n e db a s e do nt h ea s s e m b l y e n v i r o n m e n to f s k e l e t o np r o d u c t s a c c o r d i n gt ot h ea s s e m b l yp r o c e s sr e q u i r e m e n t s ，t h ed e f m i t i o nr u l e so ft h e i n f l u e n c ed o m a i n ，m a r g i nd i s t a n c e ，s p a c i n gd i s t a n c ea n dd i s t a n c eb e t w e e nt w or o w sa r e p r o p o s e d t h el a y o u ta l g o r i t h mo fa s s e m b l yc o n n e c t i o n p o i n t si sr e s e a r c h e dw h e n n oc o n s t r a m 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 il 页 e x i s t so ras i n g l ec o n s t r a i ne x i s t su n d e ra s s e m b l yc o n d i t i o n b a s e do nt h er e s e a r c ha b o v e ，a l a y o u ta l g o r i t h mo fa s s e m b l yc o n n e c t i o np o i n t si sr e s e a r c h e dw h e ns e v e r a lc o n s t r a i n se x i s t u n d e ra s s e m b l yc o n d i t i o n f i n a l l y , t h ea r t i c l e p r o p o s e saj u d g m e n t a lm e t h o dt od i a g n o s e w h e t h e rt h ea s s e m b l yc o n n e c t i o np o i n t sa r eu n i f o r m e d ( 4 ) t h er a p i dd e s i g ns y s t e mo fa s s e m b l yc o n n e c t i o np o i n t si s d e v e l o p e dw i t ht h e s e c o n d a r yd e v e l o p m e n tt o o lc a a t h es y s t e mm a i n l yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gf i v em o d u l e s ： a s s e m b l ye n v i r o n m e n t a li d e n t i f i c a t i o n ，m a i np a r ti d e n t i f i c a t i o n ，c u r v eo f f s e t ，c o n n e c t i o np o i n t s g e n e r a t i o na n dc o n n e c t i o np o i n t se d i t o r a s s e m b l yc o n n e c t i o np o i n t so ft h et r a i nb o d ya r e d e s i g n e dw i t ht h ed e v e l o p e ds y s t e m t h ef e a s i b i l i t ya n dp r a c t i c a lv a l u eo ft h e s y s t e mi s v e r i f i e d k e y w o r d s ：s k e l e t o np r o d u c t ；c o m p o n e n t ；r a p i dd e s i g n ；t r a i nb o d y ；a s s e m b l yc o n n e c t i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 论文研究背景和意义 相对于发达国家，国内铁路运输业起步较晚，铁路技术相比国外发达国家有一定的 差距。我国是人口众多、人均土地资源紧张、石油资源不富裕的发展中大国，这一国情 使得我国必须得选择铁路行业作为国家主要运输业。近年来，国内经济发展迅速，这与 国内铁路运输行业的快速发展是离不开的，同时也带动了铁路运输行业的发展。随着国 内铁路行业的飞速发展，运输行业的需求不断增大，对铁路客车的要求也不断提高，使 得铁路列车的更新换代速度也不能滞后。列车车体是列车的重要组成部分，目前列车车 体设计重用率不高，导致设计周期还比较长，影响了列车更新换代的速度，所以研究列 车车体的快速设计方法显得尤其重要。 目前，c a d 技术广泛应用于骨架类产品开发中。一般来说，产品设计过程可分为三 个阶段：产品需求分析过程；概念设计过程；总体装配设计过程和详细设计过程，并相 应产生三个阶段性结果：需求规格说明、概念产品方案和工程图及技术文档 1 】。但各个 设计阶段之间相对独立，没有有机地联系起来。如果在某一阶段存在设计缺陷，要是其 他设计阶段不能及时发现并反馈问题，这样会导致设计失败，设计者又返回存在缺陷的 设计阶段，重新对车体进行设计。因此产品的开发周期会很长，不利于产品的市场竞争。 如果这种传统的设计方法不得到解放，会影响到列车设计制造企业的生存与发展。自项 向下设计方法能够很好的将装配设计和详细设计过程有机的结合起来，如果在列车车体 设计中应用自顶向下的设计方法，车体的设计周期将会缩短。 列车车体是一个复杂的钢结构体，经过多年的设计与研究后，已经积攒了大量的设 计经验和设计实例。车体主要是由梁类、柱类和板类零部件组成，在这些梁、柱和板类 零部件几何结构属性和建模过程都很相似，如果能提取此类相似零部件的公共几何属性， 并赋予知识属性，抽象成一个可以进行重用设计的构件模板，然后采用构件模板对车体 的零部件进行详细设计，减少相似零件的建模过程，从而缩短列车车体的设计周期。所 以，面向构件模板技术满足列车车体快速设计的要求。 列车车体涉及的零部件的多，因此在车体的装配设计中存在很多装配连接位置点的 设计，由于装配连接位置点的数目庞大，现有的设计工具没有提供相关功能来快速设计 装配连接位置点，设计人员需要投入大量时间去设计装配连接位置点，导致设计效率很 低，使产品的开发周期很长。因此，开发装配连接位置点的快速设计系统满足车体快速 设计的要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外快速设计研究现状 快速设计( r a p i dd e s i g n ) 也称为快速响应设计( r a p i dr e s p o n s ed e s i g n ) 或敏捷设计 ( a g i l ed e s i g n ) 口 。快速设计是指在产品的概念设计阶段，针对市场和顾客需求，运用面 向具体产品专用设计工具和设计知识，快速制定可以用于制造的方案，并使方案快速付 诸实施的技术【3 】。 1 9 9 2 年6 月，在c i r p 国际会议上正式提出了并行工程技术 4 】。在并行工程技术的 基础上发展成为以缩短产品设计周期为目的的快速设计技术 5 】。美国a u t o f a c t 9 6 围 绕“快速设计与制造”进行了专门的讨论与研究，同时快速设计研究在各国纷纷发展起 来【6 j 。s t e v e na s h l e y 分析了快速设计的特点及其与虚拟制造、柔性制造和敏捷制造之间 的联系，并且认为快速响应设计将会使制造业得到快速发展 _ 7 1 。n a n u as i n g h e t a 提出了基 于知识工程环境下产品快速开发的体系结构，在产品设计阶段充分考虑装配和制造，达 到缩短产品的开发时间的目的 8 1 。 目前国际市场需求变化迅速这一特点，使得产品投放市场的时间逐渐成为决定产品 竞争力的重要因素，促进了快速设计技术的发展。国内外快速响应设计的理论和方法主 要有数字化设计、模块化设计、智能化设计和网络化协同设计等【9 】。因此，本文分别从 数字化设计、模块化设计、智能化设计和网络化协同设计四个方面阐述国内外的快速设 计发展现况。 ( 1 ) 数字化设计 2 0 世纪7 0 年代末，美国m i t 的g o s s a r d 教授提出了一种基于参数化思想的产品建 模方、法【1 0 。2 0 世纪8 0 年代末，p t c 公司推出了参数化实体造型系统p r o e n g i n e e r ，从此 参数化设计被c a d 领域所认识【1 1 1 。2 0 世纪9 0 年代，美国波音公司在7 7 7 客机的开发中 实现了无纸化设计，随着计算机技术和c a d 技术的快速发展，数字化设计将成为设计 者进行产品设计的基本形式 1 2 1 。参数化设计理念符合人的设计思维，并且参数化设计软 件也方便设计者后期对产品进行修改，因此，现有的三维设计软件都基于参数化设计技 术，可见参数化设计是快速设计的重要组成部分。 国内关于数字化技术的研究比较多，阎楚良等认为数字化产品开发实质上是基于产 品描述的数字化平台，建立基于计算机的数字化产品模型，并实现产品开发全过程的数 字化，从而避免使用物理模型的一种产品开发技术 1 3 。数字化建模是产品数字化设计的 关键。它由早期的几何建模，逐步发展到现在的基于特征的建模和参数化造型。杨方飞 研究了数字化产品开发的过程，认为数字化产品开发主要包括：产品数字化定义、数字 化装配技术、数字化仿真分析以及数字化制造等4 部分 1 4 】。孟祥旭等认为用一组参数约 束几何图形的一组结构尺寸，参数对应于设计对象的尺寸控制，当赋予不同的参数值时， 即可驱动原几何图形的变更，生成新的几何图形 15 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 ( 2 ) 模块化设计 2 0 世纪5 0 年代，欧美的一些国家提出了模块化设计的概念【m 】。随着模块化设计技 术的发展，该方法在机械、电工电子、船舶、建筑、电力、武器装备等行业中得到广泛 应用，并取得了显著的效益 1 7 。国外对产品模块的划分方法进行了深入的研究，e g u 1 8 】 等提出了一种面向产品生命周期工程多目标的模块划分方法，使用模糊数学中权重来分 析功能结构，为模块划分从定性向定量转变提供了依据。e r i x o n 等提出了一种基于模块 驱动的模块划分方法，结合技术更新、技术参数、计划、样式、维修服务和通用性等因 素构造了模块指示矩阵，为模块划分提供了参考【1 9 。u l r i c h 等建立了产品结构功能模型， 分析了功能元素间的联系，将功能相关的元素组成模块 2 0 1 。s t o n e 等提出了一种基于功 能结构的启发式方法用于产品的功能模块划分的方法，此方法只给出了一些定性原则， 不能达到完全划分功能模块的目的 2 1 。 应用模块化技术可以实现产品的快速设计，比如国外的西门子公司用模块化技术设 计了工业汽轮机，将工业汽轮机的基本模块分为进气段模块2 种，中段模块2 种及出气 段模块4 种，通过这些模块的不同组合可以得到不同容积和压力的1 6 种工业汽轮机，很 好的实现了工业汽轮机的快速设训2 2 。 国内在模块化设计领域也有一定的研究，例如高卫国等提出了一种广义模块化设计 的方法，引入了参数化设计和变量化分析技术，使模块化设计的应用领域变得更加广泛 2 3 1 。侯亮研究了模板参数化设计与变量化分析，开发了液压机的广义模块化设计系统， 并设计了液压机的主机 2 4 】。 ( 3 ) 智能化设计 1 9 7 7 年，美国斯坦福大学e a f e i g e n b a u m 教授在第五届国际人工智能联合大会上提 出了知识工程的概念( k b e ) 口5 1 。由于人工智能技术的发展与其在设计领域的应用使现代 产品设计越来越呈现智能化的特征，专家系统、基于知识工程技术等人工智能技术在机 械产品设计中的应用越来越广泛 2 6 】。 国外的c h a p m a n 和p i n f o l d 2 7 , 2 8 分析了目前c a d 和f e a 工具使用的局限性，研究了 采用k b e 开发概念设计时的分析工具，以实现快速设计的目的。英国c o v e n t r y 大学的 l o v e t t 研究了三维c a d 系统中的知识驱动方法，认为运用k b e 技术的优点在于计算机 能自动处理重复的工作，并提出了一种面向中小企业应用的k b e 系统设计方法 2 9 】。 国内学者研究智能系统理论的较多，并有针对性的开发了相关产品的k b e 快速设 计系统。吴良树研究了基于k b e 的系统集成技术，提出了分布协同式k b e 系统和企业 级k b e 系统的软件体系参考模型的理论 3 0 1 。吴庆鸣等运用k b e 技术设计了隧道掘进机 的主机，并且开发了隧道掘进机的智能设计系统 3 。 ( 4 ) 网络化协同设计 网络化协同设计是在网络技术得到良好发展的基础上产生的一种先进设计制造模 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 式，是企业在网络环境下进行设计、制造和管理活动的先进方法 3 2 。r o b i n s o n 研究了 c s a 通信服务体系结构模型，为c s c w 的应用开发者提供了通信服务支持 3 3 1 。e l l i s 从 系统用户的角度研究了三元概念模型，并对各种c s c w 系统进行了分类，指出了在开发 c s c w 应用系统时应该注意的各个方面【3 4 。t r e v o r 提出建立一种基于“a c t i v i t y ”概念 c o l a 轻权活动模型的协同工作平台 3 5 1 。 西北工业大学的辛明军研究了协同设计系统的群体决策支持技术，建立了面向多应 用领域、多分布对象的产品协同设计平台 3 6 1 。孔建寿提出了一种协同产品开发过程集成 管理体系结构 37 1 。南风强等研究了网络协同数字化预装配理论和关键技术，提出建立一 个具有可重构、可重用、可扩展、支持多学科人员在网络上开展异地协同数字化预装配 系统的体系结构【3 8 1 。文献 3 9 、 4 0 提出了一种为了满足分布式协同制造网络运营过程中 动态特性的要求，采用m a s 技术和数据仓库技术的协同制造网络体系，并且研究了协 同制造网络环境m a s 的组织结构，建立协同制造网络中m a s 系统模型，规划了上层 a g e n t 联邦来执行系统功能。 综上所述，国内外关于产品快速设计的研究非常多，并且发展很迅速，但是参数化 设计和模块化设计发展的相对成熟一些，在产品快速开发中应用较多。k b e 技术研究的 也很多，但k b e 技术的发展方向还是会倾向于某一特定产品的k b e 系统的开发。近些 年来，国内外学者对网络化协同设计技术研究颇多，但很多都是处于系统模型和体系结 构的研究阶段，实用的网络化协同设计平台较少，因此，今后网络化协同设计的研究方 向是致力于开发出能应用于产品快速开发的协同设计系统。 1 3 国内列车车体快速设计的研究现状 国内关于列车车体快速设计的研究较多，采用的设计手段主要是参数化设计、模块 化设计和协同设计。 国内学者采用参数化设计技术对列车车体进行快速设计时，很多是对c a d 设计平 台进行二次开发，二次开发的系统基于参数化设计，然后在新开发的系统中对车体进行 快速设计。如大连铁道学院在w i n d o w s2 0 0 0 的微机操作平台上，在v c + + 6 0 的编译环 境中利用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，建立了客车车体钢结构的三维参数 化c a d 系统，该系统建立了参数化的零件模型库和装配关系模型库，为铁路客车车体 的设计提供了较好的工具 4 1 。许良中等研究了一种基于a p d l 语言的铁路客车车体的参 数化建模方法，利用a p d l 的程序语言与宏技术组织管理a n s y s 的有限元分析命令， 实现了铁路客车车体的参数化建模 4 2 】。陈爱华等以i - d e a s 软件提供的o p e nl a n g u a g e 为二次开发工具对i - d e a s 进行了二次开发，设计了三维铁路客车梁柱布置参数化设计 系统，运用该系统设计客车车体，可以缩短设计周期 4 3 1 。 应用模块化设计技术对列车车体进行快速设计的研究也很多，王卫研究了目前2 5 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 型客车所采用的模块化设计技术，将车体的模块化设计分为车体钢结构模块化、车体木 结构模块化、制动装置模块化和电气模块化四个部分，并探讨了客车车体模块化设计的 研究方向【删。孙帮成从原理、目的、原则、程序和各部位模块划分的要求等方面研究了 2 5 型客车模块化设计，应用模块化技术对2 5 型客车进行了设计与生产实践，证明了模 块化设计能提高客车车体的设计效率和质量，同时能增强产品的市场适应能力 4 5 1 。赵慧 分析了模块化设计的特点，提出采用模块化技术对铁路客车车体部件进行设计，以2 5 g 和2 5 t 型整体洗面室的设计为例，在多年的设计经验积累上，成功地开发了2 5 g 和2 5 t 型模压整体洗面室方案【4 6 】。 国内应用协同设计技术对列车车体进行设计的研究相对较少。阳灿等提出了一种基 于工作流技术的协同设计平台，采用n e t 构架和o r a c l e 数据库开发了基于n e t 的工作 流引擎，完善了复杂产品异地协同设计中流程、任务分配、人员机构等管理功能，利用 该平台对2 5 型客车车体进行了优化设计，验证了系统的可行性 4 7 】。 近年来，也有应用重用设计来对列车车体进行快速设计的研究，例如陈黎丽提出采 用基于设计重用的构件理论对骨架类产品进行快速设计，利用c a a 在c a t i a 上开发了 构件库系统，并对铁道车辆车体进行了快速设计 4 8 1 。但是，陈黎丽没有研究一种详细的 骨架类产品的构件分类方法，因此本文提出一种较为通用的面向骨架类产品的构件分类 方法。然后建立骨架模型的数学模型提取列车车体的骨架特征，应用知识工程方法设计 列车车体的骨架模型，通过构件实例化对车体进行详细设计。由于列车车体的零部件多， 车体设计过程中包含了大量装配连接位置点的设计，且现有的产品设计工具没有提供快 速设计装配位置点的功能，为满足车体快速设计需求，本文提出研究骨架类产品的装配 连接位置点的快速布置方法，并开发装配连接位置点的快速设计系统。 1 4 本文的主要研究内容及章节安排 1 4 1 本文主要研究内容 本文以铁路客车车体为研究对象，先采用构件强力拷贝( p o w e r c o p y ) 建立的零件模 板完成列车车体主要结构的设计，然后研究骨架类产品的装配连接位置点的快速布置， 最后利用c a a 开发了连接位置点快速设计系统，采用系统对列车车体的装配连接位置 点进行了快速设计。本文的主要研究内容包括： ( 1 ) 定义骨架类产品的构件属性。研究特征简化方法、零件属性矩阵建立、装配 位置关系矩阵建立和构件分类方法。研究构件几何属性的设计方法，掌握构件p o w e r c o p y 模板的建模过程及实例化过程。 ( 2 ) 研究2 5 型客车车体的主要结构，对车体主要零部件进行构件分类及构件设计。 研究自顶向下的快速设计方法。提取车体的骨架模型。研究c a t i a 知识工程的几种重要 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 的设计方法，结合知识工程设计方法对车体骨架模型进行设计。 ( 3 ) 定义骨架类产品上的装配连接位置点的快速布置的约束和规则，研究无约束 时的布置算法，单约束时的布置算法和多约束时的布置算法。建立判断连接位置点是否 均匀布置的方法。 ( 4 ) 开发装配连接位置点的快速设计系统，采用系统快速布置功能对列车车体上 的装配连接位置点进行快速设计。 1 4 2 论文的实现路线 列车车体属于典型的骨架类结构产品，本文先研究骨架类产品的构件设计方法，主 要包括辅助特征的简化、构件的分类方法、构件几何属性的设计和构件p o w e r c o p y 模板 的建立过程。然后研究2 5 型客车车体的结构，采用构件设计方法对列车车体进行构件分 类与设计。结合自顶向下设计方法和构件的定位定形特征建立列车车体的骨架模型组成 的数学模型，并提取车体骨架模型。应用c a t i a 知识工程对车体骨架模型进行设计。利 用车体构件通过实例化对车体主要零部件进行详细设计。研究骨架类产品的装配连接位 置点的快速布置方法，开发装配连接位置点的快速设计系统，应用系统对车体的装配连 接位置点进行快速设计。具体流程如图1 1 所示。 面向骨架类产品 基于构件的车体主 的构件设计方法 要零部件的快速设 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一r 一一一一一一一一计一一一一一一一1 l ： 装配连接位置点 的快速布置研究 图1 1 车体快速设计实现路线图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 1 4 3 论文章节安排 根据论文的主要研究内容，将本文章节安排如下： 第一章：介绍论文研究意义及其背景，国内外快速设计的研究现状及发展趋势，还 介绍构件技术在骨架类产品中的应用状况，装配连接位置点的快速布置研究，另外还讲 述论文研究的主要内容与章节安排。 第二章：定义面向骨架类产品的构件模板及其属性。研究零件特征分类，基于历史 特征树的辅助特征简化处理方法。研究零件的名称语义描述，建立零件属性矩阵和装配 位置关系矩阵，提出一种详细的构件分类方法。解析构件主要几何属性的设计过程。描 述构件p o w e r c o p y 模板的建模过程，及构件实例化过程，并阐述构件实例化与快速设计 实现的联系。 第三章：研究2 5 型客车车体的主要结构，应用构件分类方法对车体主要零部件进 行构件分类，并对车体构件进行p o w e r c o p y 模板的设计。研究自顶向下设计方法的特点 及其在列车车体设计中的重要性。研究骨架模型特征的组成，并建立数学模型。结合 c a t i a 知识工程的规则、检查和设计表功能对车体骨架模型进行设计。通过车体构件实 例化对车体主要零部件进行详细设计。 第四章：定义骨架类产品的装配连接位置点布置时的常见约束，描述装配连接位置 点的相关布置规则。研究无约束时的装配连接位置点的几种常用布置算法。研究单约束 时的装配连接位置点的轮廓偏移布置算法。研究一种多约束的装配连接位置点的优化布 置算法。提出采用三角形面积法和点与点的距离值法来判断装配连接位置点是否均匀布 置。 第五章：介绍c a t i a 及其二次开发工具c a a ，开发装配连接位置点的快速设计系 统。介绍系统的结构和主要功能的界面。采用系统的快速布置功能对车体模型进行装配 连接位置点的快速设计，验证系统开发的实用价值。 总结与展望：总结全文的主要研究内容，对研究工作进行展望与设想。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 第2 章面向骨架类产品的构件设计方法 2 1 引言 骨架类机械产品的结构一般都很复杂，按照传统的设计方法，逐一设计产品的每个 零件会使得产品设计周期很长。如今，市场对新产品开发的要求是设计周期短、产品功 能多、设计质量高等。因此，传统的设计模式早已不能满足市场快速多变的需求，现在 亟需一种全新的快速设计模式来取代已有的传统设计方法。 在新产品开发前，设计者一般已积攒了一些设计实例和设计经验，这些设计实例中 不乏许多结构形状相似的零件，如果能够很好的利用这些设计实例和设计经验，并在此 基础上进行零件的重用设计，可以大大提高设计效率。本文提出建立结构相似的零件的 几何模板，设计好主要驱动参数，并赋予设计知识属性，形成一个通用的构件模板。构 件模板封装了几何模型的建模过程，通过构件模板技术能快速设计出与此构件模板几何 结构相似的零件，可以实现复杂骨架类产品的快速设计。 2 2 面向骨架类产品的构件 2 2 1 面向骨架类产品的构件定义 骨架类产品都呈现如下特点：( 1 ) 零部件数量多；( 2 ) 结构复杂；( 3 ) 涉及的设计 知识多；( 4 ) 装配设计繁琐。例如大型飞机、轮船、汽车、列车等产品。例如大型飞机、 轮船、汽车、列车等，这些产品的都具有典型的骨架特征，且产品的零部件设计多数都 依附于骨架特征上面。 研究表明，7 5 的设计活动包含基于事例的设计 4 9 】。新产品开发中，约4 0 是重用 过去的部件设计，约4 0 对已有的部件设计稍作修改，只有约2 0 是全新设计【5 0 1 。专门 研发骨架类产品的企业在经过多年的产品开发后，一定会积累大量的设计实例和丰富的 设计经验，这些设计实例和设计经验为新产品的开发提供了借鉴。 如果对已有的设计实例进行分析总结，可以发现，骨架类产品中存在着很多相似零 件的设计，这些相似零件因为几何截面特征相似，且具有流线型曲面和依附于骨架的定 位面，但是截面几何特征的尺寸大小会有所差异。如果将这些相似零件的截面几何形状 提取出来，并设计好主要的变型驱动参数和定位定形特征，然后实体建模，并封装实体 模型的建模过程。最后定义相似零件模板的知识属性，称含有几何属性和知识属性的面 向骨架类产品的模板为构件模板，简称为构件。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 2 2 2 骨架类产品的构件属性 由构件模板的定义可知，构件模板主要包含了几何属性和知识属性两方面，如图2 1 所示。 图2 - 1 骨架类产品的构件属性 几何属性包括主要的变型驱动参数、定位定形特征和实体模型。主要的变型驱动参 数是用来控制几何截面形状的尺寸大小，设计者可以通过改变参数的大小实现几何模型 的变型设计。定位定形特征是零件建模时的定位和定形基准，有了定位定形特征，实体 建模时才有了设计基准参考，若没有定位定形特征，则不能进行实体建模。设计者在定 义了主要的变型驱动参数和定位定形特征后，建立构件模板的几何实体模型，建模完成 后要封装建模过程。 知识属性主要包括零件的加工工艺、材料属性和设计准则等。加工工艺是指零件的 加工工艺过程。材料属性是指零件加工所用的材料种类。设计准则是指零件的强度失效 和刚度失效等设计准则。 2 3 零件辅助几何特征简化 2 3 1 零件特征的分类 常见的零件特征有孔、槽、凸台、旋转体、倒角、螺纹、花键等。目前有多种零件 特征的分类方法，主要有按设计功能、几何形状、制造方法和产品定义数据性质等四种 分类方法。 文献 5 1 研究了回转体零件的特征分类，将回转类零件特征主要分为管理特征、技术 特征、材料特征、形状特征和精度特征五大类，如图2 2 所示。管理技术描述了零件的 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1o 页 总体信息，如零件的名称、图号、设计者、日期、批量等。技术特征用于描述零件的功 能性能。材料特征包括性能、热处理方式与条件等。形状特征零件的几何形状结构，主 要分为形状特征与辅助形状特征。精度特征用于表示零件的尺寸公差、形位公差和表面 粗糙度的信息。 障件特征信息l 插沭 零 件 名 称 管理特征li 技术特征il 材料特征il 形状特征li 精度特征 洲旧洲隧 菱li蓁ii茎ii蓁 表 面 粗 糙 度 图2 2 回转体零件特征分类 为了建立相似零件的构件模板，就得先识别相似零件的主要几何特征，故本文研究 了零件特征关于按几何形状的分类。零件特征按几何形状分类，可以分为主要几何特征 与辅助几何特征两大类。主要几何特征能反映零件的主体结构，主要包括圆柱体、圆锥 体、长方体、球体、棱体、轮毂等基本几何形体，另外还包括一些结构形状和加工方法 相对固定的几何特征，如盘盖类零件特征。辅助几何特征依附于主要几何特征之上，反 映了零件几何形状的细微结构，主要包括倒角、退刀槽、螺纹、花键、孔、键槽、中心 孔、阶梯孔、均布孔、阵列孔、油沟密封槽等特征，如图2 3 所示。 图2 - 3 零件按几何形状的分类 零件的主要几何特征与辅助几何特征是相对的。主要几何特征能反映零件的基本结 构，但有时候按照零件的设计需求，常见的辅助几何特征也是零件的主要几何特征的一 部分，也反映了零件的基本结构。例如一个空心轴零件，如果按照几何形状分类，可以 将其分为一个主要几何特征圆柱体与一个辅助几何特征孔。但是结合空心轴零件的设计 需求，孔特征是反映空心轴主体结构的特征，而应将其归为主要几何特征。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 通过研究c a t i a 零件设计的特征分类，常见的有实体特征、形态特征和语境特征三 大类。实体特征主要包括拉伸体、旋转体、肋等。形态特征基于合并或者减去操作，典 型的有凹槽特征和旋转槽特征。语境特征没有自身的形状结构，例如倒角、拔模和孔特 征等，如图2 4 所示。 图2 _ 4c a t i a 零件特征分类 2 3 2 面向历史特征树的辅助几何特征简化 根据几何形状的分类方法，将零件特征分为主要几何特征和辅助几何特征，设计者 再结合零件的设计需求判断辅助几何特征是否属于主要几何特征范畴，若属于，则将其 归为主要几何特征；若不属于，则将其定为辅助几何特征。 在零件的辅助几何特征确定后，以c a t i a 的历史特征树机制来阐述零件辅助几何特 征的简化处理过程。c a t i a 的建模机制基于草图和参数化设计，并且建模特征保存在历 史特征树中。例如在凸台特征上创建辅助几何特征孔，有三种建模方法：( 1 ) 主要几何特 征与孔特征共一个草图；( 2 ) 独立的孔特征草图；( 3 ) 不基于草图的孔特征。 ( 1 ) 主要几何特征与孔特征共一个草图 设计者在确定了凸台的主要几何特征的草图特征后，为了简化建模过程，将孔特征 的草图特征圆也创建在主要几何特征的草图里，拉伸实体后既得到了凸台特征，又得到 了辅助孔特征，如图2 5 所示。 凸台主善草 圆特征 图2 5 与主要几何特征共草图的孔特征 与主要几何特征共草图的孔特征的简化过程如下：s t e p l ：根据实体特征找到主要几 征 +， 一 醋、j | 。l ； 严 奠影 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 何特征的草图。s t e p 2 ：识别草图特征内的圆特征。s t e p 3 ：去除圆特征。 ( 2 ) 独立的孔特征草图 设计者先创建凸台的草图特征，拉伸后得到凸台主要几何实体特征，然后在新的草图里 创建孔的草图特征，通过开槽可得到孔特征，如图2 - 6 所示。 独立h 0 儿单l 纠 特征 图2 - 6 独立草图的孔特征 独立草图的