基于BIM的接觸網參數化零部件族庫技術研究

楊凱鏡，韓志偉，劉志剛

(西南交通大學電氣工程學院，成都 610031)

隨著信息化技術高速發展和近年來我國軌道交通建設的快速推進，鐵路工程領域面臨著新的機遇和挑戰[1-2]。BIM技術[3]以其可視化、協調性、模擬性、優化性、可出圖性等優勢獲得了廣泛關注[4-6]。接觸網作為電氣化鐵路的核心組成，其設計具有項目繁多、設計工作量大等特點，接觸網設計引入BIM技術將引起從設計、施工到運維全生命周期的重大轉變[7-12]。接觸網設計需針對不同線路狀況進行大量參數修正，手工模型參數修改已難以滿足設計要求。因此，利用參數化技術[13]，根據接觸網專業的標準建立屬于接觸網專業的參數驅動型設計庫，是接觸網BIM設計系統的基礎，成為接觸網設計行業亟需解決的問題。參數化設計使設計人員能夠把精力集中在接觸網自身設計上，節省寶貴的設計時間，提高設計效率和設計質量，是接觸網三維BIM設計的重要研究內容。

1 參數化設計

參數化設計是指零件或部件形狀比較定型，可用一組參數約束該幾何圖形的一組結構尺寸序列，參數與設計對象的控制尺寸顯示對應，當賦予不同參數序列值時，可自動驅動原幾何圖形更新為目標幾何圖形，其設計結果是包含設計信息的模型[14]。

參數化設計將接觸網零部件設計轉變為零部件參數化制定，通過重載已有標準零部件的幾何和拓撲結構，使接觸網設計人員能專注于接觸網零部件基本參數和設計參數的設計。參數化設計的優勢在于易修改性，按照設計意圖進行靈活修改對接觸網設計人員是至關重要的。參數化設計能最大程度上滿足接觸網設計需求，零部件的標準化、通用化和系統化設計能有效地提高設計質量，縮短設計周期。

參數化設計需具備特征造型的CAD系統支持[15]。Inventor是美國Autodesk公司推出的一款基于特征的可視化三維參數化實體造型軟件，是集參數實體造型、曲面造型、裝配造型于一體的設計系統，它融合了二維和三維設計并帶有裝配功能，整個設計可以在裝配中、或者基于裝配關系進行[16-17]。在Inventor基礎上借助于二次開發技術，對零部件進行特征提取，用特征參數表示和存儲結構類似的零部件，通過特征參數驅動零部件模板模型，生成滿足需求的新零部件[18]。

2 基于參數化的接觸網族庫系統架構

為便于接觸網快速設計，必須構建接觸網零部件族庫系統。建立接觸網族庫系統目標是實現高效的接觸網設計所需零部件資源管理，實現模型系統高度可重用和自動化。

接觸網設計不僅涉及眾多零件，也包含眾多預裝配體，如腕臂裝配、吊弦裝配等，單純的零件庫已不能滿足日益廣泛的三維設計需求。部件是零件的載體，建立包含零件庫和部件庫的三維接觸網參數化族庫系統是亟待解決的問題。

接觸網族庫系統架構如圖1所示。

圖1 接觸網族庫系統架構

族庫系統主要由兩部分組成：接觸網零件庫和接觸網部件庫，主要完成對接觸網基本零件和部件以及零件參數、裝配關系和部件參數的管理。

接觸網族庫系統參數化設計主要包括：

(1)接觸網三維零件模型參數化設計，定義零件參數表，建立零件模型參數化描述，自動化零件參數修改后的模型更新，實現零件參數化建庫；

(2)接觸網三維部件裝配參數化設計，定義部件參數表，考慮組成各零件和各子部件之間的裝配關系，建立部件裝配參數化關聯，自動化部件參數修改后的部件更新，實現部件參數化建庫。

3 接觸網零件參數化系統

零件參數化是接觸網參數化建模的基礎，零件參數化關鍵在于如何創建滿足設計要求的參數化模型。零件參數化系統是對眾多接觸網零件有效的管理手段。

3.1 基于參數驅動的接觸網零件建模

參數化接觸網零件建模主要利用草圖驅動進行參數化設計，草圖參數和特征參數相互關聯，通過草圖尺寸進行參數化驅動，草圖對象通過約束值和約束關系得以確定，修改兩者任一都可改變草圖對象，驅動特征變化，生成新實體模型。

參數驅動零件建模由兩部分組成：草圖設計和特征設計。草圖是創建零件的基礎，繪制零件實體截面輪廓線并定義草圖對象約束。特征是基于草圖參數通過拉伸、旋轉等驅動生成的三維實體模型。

以“棒式絕緣子”為例，定義棒式絕緣子驅動關鍵參數，如表1所示，對草圖線實體對象添加值約束和關系約束，通過旋轉得到實體特征，從而驅動生成三維棒式絕緣子模型，實現接觸網零件參數化建模。

表1 棒式絕緣子關鍵參數 mm

棒式絕緣子參數驅動草圖和模型如圖2所示。

圖2 棒式絕緣子驅動草圖及三維模型

零件三維模型創建的合理與否直接影響后續設計與實際應用，因此，接觸網常用零件參數驅動建模應注意：

(1)零件建模繪制草圖時，保證草圖全約束(具有完整的尺寸參考，形狀約束和位置約束)；

(2)實體特征創建順序應盡量符合接觸網零件加工工藝順序；

(3)應為后續裝配設計提供參考基準。

3.2 基于iPart技術的零件參數化

參數化接觸網零件建模主要利用草圖驅動進行參數化設計，草圖參數和特征參數相互關聯，通過草圖尺寸進行參數化驅動，草圖對象通過約束值和約束關系得以確定，修改兩者任一都可改變草圖對象，驅動特征變化，生成新實體模型。為滿足接觸網設計行業需求，自定義零件參數化建庫成為必然的用戶化、專業化方法，能夠讓接觸網設計人員直接調用而不用重新去創建標準件模型。Inventor的iPart技術通過特征參數表(在Inventor中用“fx”來表示)實現了零件參數化。iPart用于對零件進行特征化，可以快速地將接觸網常用零件進行參數化建模建庫。

iPart機制定義零件模型專業性且符合設計習慣的參數表，重命名參數表有利于設計人員進行參數管理。模型參數關聯促使模型特征隨關聯尺寸的變化而變化，驅動生成新模型，達到零件參數化。

以“B型垂直懸吊安裝底座”為例，以可變參數“安裝板高度H”作為關鍵驅動參數，創建模型驅動族，如表2所示。選取不同驅動單例時，數據驅動模型特征參數生成相應模型，實現零件參數化。

表2 不同尺寸的模型驅動族

不同模型單例驅動時的模型如圖3所示。

圖3 不同模型單例驅動時的模型

零件iPart化可使接觸網設計人員根據不同設計意圖選取對應規格的參數驅動模型。基于iPart技術驅動構建接觸網參數化零件庫，極大地滿足了接觸網設計需求，更好地減少了重復性工作，縮短了設計周期。接觸網參數驅動零件庫如圖4所示。

圖4 接觸網參數驅動零件庫

接觸網參數驅動零件庫能夠最大程度上實現對接觸網眾多零件的有效管理。零件庫的基本功能包括直接生成零件的三維模型并包含基本信息，以及對零件庫的添加、修改和刪除等管理操作。

4 接觸網部件參數化系統

4.1 部件裝配參數化設計

能否快速、準確地完成接觸網部件預裝配將直接影響接觸網設計效率，因此，接觸網部件裝配通過關鍵裝配參數調整適應性調節其他參數，實現部件裝配參數化設計。

4.1.1 部件裝配參數計算

接觸網預裝配部件眾多，支持裝置是重中之重，對接觸線和承力索起到了支撐和定位作用。支持裝置主要由腕臂、棒式絕緣子、套管雙耳等組成。

以正定位腕臂預裝配為例，結構安裝如圖5所示。

圖5 正定位腕臂安裝示意

平腕臂裝配時要求其呈水平狀，允許有較小偏差，特殊位置(如轉換柱)滿足一定的設計夾角。考慮正定位腕臂裝配的結構關系，參考設計規范要求，根據各零件模型尺寸及位置關系，構造直角三角形模型，采用勾股定理，計算正定位腕臂的結構參數。

(1)平腕臂的長度及其與水平面的夾角為

Lp=L1+Lcd-Lb

(1)

α≈0

(2)

式中，L1為平腕臂棒式絕緣子安裝底座耳孔至套管雙耳的水平距離；Lcd為承力索底座至平腕臂端部的距離；Lb為棒式絕緣子有效長度。

L1=Cx-Ls-a+e

(3)

式中，Cx為側面限界；Ls為上腕臂底座寬度；a為拉出值；e為受電弓中心和線路中心的偏斜值。

e=h1·H/D

(4)

式中，h1為曲線外軌超高；H為導高；D為軌距。

(2)斜腕臂的長度及其與水平面的夾角為

(6)

式中，L2為斜腕臂棒式絕緣子安裝底座耳孔至套管雙耳的水平距離；h為上下腕臂底座之間的高度；ht為套管雙耳高度；Ld下腕臂底座寬度。

L2=Cx-Ld-Ltc-a+e

(7)

式中，Ltc為平腕臂套管雙耳至承力索底座的距離。

(3)平腕臂和腕臂支撐的夾角為

(8)

式中，L3上斜腕臂支撐和平腕臂上兩套管雙耳的水平距離；Lw為腕臂支撐長度。

L3=L1-Lb-Ltb-Ltc

(9)

式中，Ltb為腕臂支撐套管雙耳至棒式絕緣子的距離。

(4)根據設計規范，定位器動態抬升量 和安裝坡度 應滿足在一定的合理范圍內，由此，定位管與水平面的夾角為

γ=ε?arcsin[Δh/Ldwq-sin(θ±ε)]

(10)

式中，ε為外軌超高引起的傾角；Ldwq定位器長度。

ε=arctan(h1/D)

(11)

4.1.2 部件裝配參數化調整

接觸網預裝配部件眾多，支持裝置是重中之重，對接觸線和承力索起到了支撐和定位作用。支持裝置主要由腕臂、棒式絕緣子、套管雙耳等組成。腕臂裝配時必須滿足接觸網的設計導高、拉出值、結構高度、側面限界和定位器坡度等要求，滿足接觸線高度應處于受電弓最佳工作高度范圍之內，因此，腕臂支持裝置應提供兩個方向的調整。

(1)接觸線高度調整(垂直方向)

垂直于軌面方向，可上下調節。在保證結構高度一定的情況下，調整上下腕臂底座的安裝位置，從而調整接觸線高度，滿足受電弓正常受流。

(2)拉出值調整(水平方向)

為保證受電弓在接觸線上移動時磨耗均勻，接觸線按線路方向呈之字形布置，則定位器應在平行于鋼軌平面且垂直于線路中心線方向，可左右調節。拉出值調整通過調整定位器安裝坡度或定位器底座安裝位置實現。

腕臂裝配參數化調整主要涉及零件固定參數、設計參數和計算參數三種參數的適應性調節，如表3所示。

表3 腕臂裝配參數化調整

腕臂裝配時，根據設計規范，零件固定參數一定，設計參數應滿足氣象、線路等設計條件，由此確定計算參數，使定位器安裝坡度和動態抬升量滿足一定的設計范圍，使受電弓具有良好的受流狀態。當零件固定參數和設計參數發生變化時，腕臂各零件之間的安裝位置角度關系隨之改變，驅動腕臂裝配結構變化，生成新部件，使之滿足安裝要求和設計要求，實現接觸網部件裝配參數化調整，使接觸網設計人員專注于關鍵參數設計。

4.2 部件裝配關聯設計

部件裝配關聯設計是利用零件之間的幾何關系和參數生成部件的參數化設計技術，利用設計特征和設計參數，通過零部件模型中前后關聯的特征之間的相互關系來實現關聯性設計。設計參數的變化，驅動特征發生設計變更，從而影響與之關聯特征的更新。

接觸網部件裝配利用零件草圖攜帶參數的方法實現關聯設計。零件草圖作為參考，定義控制裝配關系的部件參數表fx，各零件之間的裝配關系通過零件草圖對象實體和fx來描述。數據傳遞的過程是：自定義參數→草圖→零件→裝配→裝配參數。

以“接觸網正定位支柱”裝配為例，根據腕臂安裝圖，以零件草圖控制裝配關系，定義各零件之間和零件與零件草圖實體對象的約束關系，裝配完成后的部件及裝配關系如圖6所示。對零件草圖參數的修改驅動裝配關系發生改變，更新相應零件的位置角度關系，生成新部件，實現部件裝配參數化關聯設計。

圖6 裝配完成后的部件及裝配關系

接觸網部件庫是在零件庫基礎上，調用零件庫中零件，通過約束的裝配關系進行關聯設計構建的。本地部件庫包含接觸網設計所需的全部預裝配子部件。設計者可通過部件中的裝配關系和參數表驅動生成所需部件，完成部件的自適應性重構。

5 基于二次開發的零部件參數修改

充分的二次開發接口和方法可使用戶對Inventor進行滿足專業特定需求的開發。Inventor API是一種面向對象的應用程序編程接口，以COM組件形式提供，滿足任何支持COM的語言進行二次開發[19-20]。利用Visual Studio集成開發環境，采用C#語言以Add-In插件形式對Inventor軟件進行二次改造，拓展平臺功能。借助嵌入平臺的功能模塊，能夠快速地完成接觸網相關的設計任務。

圖7 基于二次開發的零部件參數修改流程圖

基于二次開發使接觸網設計人員能夠按照設計意圖對接觸網零部件進行參數修改，其流程如圖7所示。裝配關系的描述集中在控制裝配零件草圖中，可通過Inventor API獲取。根據已知幾何參數進行數據驅動，使部件隨零件參數或部件參數變化而變化，實現部件的參數化自適應重構。通過Inventor API獲取對應的零件參數表和部件參數表，驅動裝配控制零件草圖，從而驅動整個裝配體的重構及裝配關系變化，實現零部件參數修改。

基于二次開發修改“接觸網正定位支柱”裝配的拉出值。利用Inventor API獲取裝配控制零件草圖用戶參數集中的“拉出值a”參數，如圖8所示。改變“拉出值a”參數驅動裝配控制零件草圖，改變部件裝配關系，實現零部件自適應參數修改。默認拉出值為0，圖8左，修改后為200，圖8右，修改前后定位器在定位管上的位置不同。

接觸網部件裝配依賴于零件參數表和部件參數表。通過零件參數和部件參數驅動部件的自適應重構，實現模型部件高度可重用和自動化。

基于二次開發的零部件參數修改是通過API獲取修改參數對象，在母版部件的基礎上后臺修改其參數進行模型重構；基于BIM模型的零部件參數修改是在模型生成后，在三維場景中手動修改其相應的參數。假設三維場景中有100根正反定位柱子，要修改其拉出值。對于二次開發的方法修改，是在模型生成之前，調用模板文件，匹配相應的拉出值，直接在場景中完成修改；而對于手動修改的方法必須要找到每根柱子的拉出值參數，逐一完成修改。

圖8 拉出值修改前后的接觸網正定位裝配體

相比而言，基于二次開發的零部件參數修改在效率上要極大的優于基于BIM模型的方法，準確且快速，極大地省去了設計人員對模型參數大量的手動修改，提高了設計效率。

6 結論

(1)結合BIM和參數化設計理論，研究了基于Inventor平臺的接觸網參數化零部件族庫系統的方法及相關的二次開發。構建了接觸網參數化族庫系統架構；研究了接觸網參數化零件建模，提出并構建了基于Inventor的接觸網參數化零件庫；研究了基于Inventor的接觸網部件裝配參數化和關聯設計，并基于二次開發對接觸網零部件進行參數修改。

(2)接觸網零部件參數化設計，實現了接觸網眾多模型的高度可重用和自動化，不僅提高了設計效率和設計質量，也大大縮短了接觸網零部件設計和改造的周期。

(3)接觸網參數化族庫系統的構建，能夠實現接觸網設計人員對接觸網零部件最大限度的有效管理，便于接觸網快速設計，為開發面向于接觸網專業的BIM系統奠定基礎。