基于SolidWorks二次開發的動車組彈簧參數化設計

李振華+商躍進++王紅

摘要： 為改進彈簧類零件的原始建模方法，提高設計效率，采用VB為二次開發工具，研究在SolidWorks環境下動車組軸箱彈簧參數化建模的方法.以CRH 2軸箱彈簧為例，完成其CAD自動建模和CAE自動分析.結果表明：該方法建模準確且快速，且計算分析結果與試驗結果基本一致.

關鍵詞：

CRH 2； 軸箱彈簧； 參數化建模； 二次開發； CAE

中圖分類號： U272.041文獻標志碼： B

0引言

彈簧是工業中最常用的零件之一，具有夾緊、減振、復位和調節等多種功能，其中圓柱螺旋彈簧是最為常見的一種，其對鐵路車輛運行的平穩性、曲線通過能力以及保證車輛安全運行起重要作用.

1參數化設計

1.1參數化設計的概念

參數化設計即通過參數、關系和參照元素的方法把部件設計意圖融入到模型里，以約束造型為核心，以尺寸驅動為特征，允許設計人員進行草圖設計，勾畫出設計輪廓，然后輸入精確尺寸值完成最終的設計.參數化設計技術使得設計者可以通過設計參數來驅動產品零件的幾何模型.

1.2機車車輛零部件的參數化設計現狀

目前，國內專家學者對機車車輛零部件的參數化設計方法進行一些研究，如陳德強等提出鐵路貨車彈簧組的參數化設計系統研發，陳建等提出機車車軸參數化設計研究等.研究人員主要采用三維模型與程序控制相結合的方式，建立零件的參數化模型庫供用戶調用，利用VB和C++等編程語言以及可視化界面技術，設計方便的人機交互界面實現機械零件的參數化CAD系統.

上述方法建立的模型庫并不能滿足不同用戶對不同模型的要求，并且其建立的參數化系統大多是對零件進行CAD建模，或是自動生成工程圖，而對參數化建模后零件的CAE分析沒有實現自動化.本文針對這一問題，在SolidWorks平臺中，利用VB進行二次開發，建立動車組彈簧的參數化設計系統，該系統能夠根據用戶輸入的參數驅動模型重新建模，不僅實現零件的參數化建模，而且完成零件的CAE自動分析，顯著提高設計效率.

1.3VB開發Solidworks的方法和流程

通過編寫VB程序對SolidWorks軟件進行二次開發，流程圖見圖1.首先在SolidWorks中實現對模版零件的CAD造型和CAE分析；然后使用VB編制應用程序界面；最后編譯程序并生成可執行程序供SolidWorks程序調用.當進行零件設計時，設計者通過應用程序界面錄入初始參數，使用SolidWorks的API函數完成參數化驅動，實現模型的CAD建模與CAE分析.

2動車組彈簧參數化設計

2.1確定基本參數

圓柱螺旋彈簧的結構見圖2，主要參數之間的關系如下.

螺旋線的節距t=πDtan α（1）

螺旋線的曲率半徑ρ=D2cos2α（2）

彈簧的剛度Kv=Gd8nm3=Gd48nD3（3）

彈簧的撓度fv=8Pvm3nGd=PvKv（4）

彈簧的應力τmax=8PmaxDCπd3≤[τ] （5）

彈簧全壓縮高度Hmin=（n+1）d （6）

式中：α為彈簧的螺旋角；D為彈簧中徑，即彈簧內外徑的平均值；d為簧條直徑；G為剪切彈性模數；Pv為作用于彈簧上的垂向靜載荷；m為彈簧指數，m=D/d；C為應力修正系數；Pmax為作用于彈簧上的最大垂向載荷；Hmin為彈簧圈全壓縮高度，即彈簧在全壓死狀態下的高；n為彈簧有效圈數.

由以上各式可以看出，彈簧中徑D，簧條直徑d，自由高度H0和有效圈數n決定彈簧的幾何結構與性能，這4個關鍵參數可以確定彈簧的基本結構，而其他參數均由關鍵參數計算得到，為導出參數.因此，將D，d，H0和n定為參數化設計的基本參數.

2.2動車組彈簧CAD建模和CAE分析

采用三段直線法完成彈簧的CAD建模，其造型過程為：先繪制3條首尾相連的螺旋線，并將其組合為一條螺旋線，再繪制簧條圓，然后利用掃描特征創建彈簧基體，最后利用拉伸切除特征創建支撐圈.

模版彈簧的CAD建模完成后，利用SolidWorks軟件中的Simulation模塊對生成的彈簧進行剛度計算，將彈簧的下支撐圈固定，在上支撐圈施加單位位移，所得固定端支反力即為彈簧剛度.

2.3動車組彈簧參數化設計的關鍵技術

通過編寫VB程序對SolidWorks軟件進行二次開發，其關鍵步驟如下.

1）在SolidWorks中實現對模版零件（本文以CRH 2外簧為模版）的造型，以特定的文件名（如后綴為SLDPRT，SLDDRW和SWP）保存到指定文件夾.

2）用SolidWorks中的宏命令，把建模的全過程錄制成宏文件，找出宏文件中與模型生成有關的關鍵函數，即模型的基本參數.弄清基本參數的變化對實體建模的影響，將模型的基本參數用變量代替，建立SolidWorks中的動車組彈簧參數化模型.

3）使用VB編制應用程序界面，編譯程序并生成可執行程序供SolidWorks程序調用.

4）完成可執行應用程序后，使用SolidWorks API函數完成參數化驅動，實現模型的建立.

3參數化設計系統開發

3.1設計界面

在繪制窗體前首先修改圓柱螺旋彈簧零件模型的特征尺寸，SolidWorks會自動為標注的尺寸命名，并且不同特征的尺寸名稱可以重復，如

D1，D2，D3等，但是這種名稱極不規則，沒有明確的意義，并且可以被多個特征尺寸共用，容易混亂.由于這些特征尺寸是定義變量參數，為在編寫程序文件時方便，應該按照一定的規則為變量參數重新命名，并且名稱應盡量接近國標中規定的尺寸名稱，如d，D和n等.

彈簧參數化設計的VB界面見圖3，在窗體上繪制標簽和文本框等對象，并進行賦值或調用模型中對應的參數.

3.2編寫VB程序代碼

設置窗體及控件的屬性之后編寫如下代碼.

Private Sub CmdOK_Click（）

MDiameterValue = Val（TxtMD.Text） / 1000

TDiameterValue = Val（TxtTd.Text） / 1000

nValue = Val（Txtn.Text）

HValue= Val（Txtfmax.Text） / 1000

Call ParameterSub（MDiameterValue， TDiameterValue， nValue， HValue）‘調用更新函數

End Sub

4設計實例

本系統模版模型采用CRH 2軸箱彈簧外簧，其主要參數見表1.在圖3的設計界面中輸入相應數據，單擊圖3窗體界面的“實體建模”按鈕通過驅動程序生成所需的彈簧模型，并單擊Simulation模塊下的剛度算例的運行按鈕，自動進行CAE分析，返回給用戶.運行程序得到的實體模型和計算結果見圖4，剛度計算結果見表2.自動分析出的結果和試驗數據、計算數據均相接近.

5結束語

利用VB對SolidWorks軟件進行二次開發，實現高速動車組軸箱彈簧三維幾何模型的參數化設計.參數化建模完成后，當再設計彈簧時，可直接調用已有的彈簧設計宏程序，修改相應參數即可快速準確地繪制彈簧并自動計算其剛度.為螺旋類零件的三維實體參數化建模提供一種有效的方法，在企業生產中具有較大的推廣價值.

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（編輯武曉英）