基于UG的客車底盤三維參數化總布置設計系統

吳晨

摘要：產品設計通常可分為創新設計和變型設計兩大類。在機械、汽車企業中，創新設計畢竟稀少，大量的是變型設計。變型設計是在原有產品的基礎上，按市場需求進行結構重組，它的實現過程可以最大限度地重用企業已有的成熟產品資源，具有很強的靈活性和適應性。客車多是一種多品種、小批量的產品，新技術、新產品日益廣泛的應用使得客車的底盤的更新和換型周期不斷縮短。客車性能主要取決于底盤，客車專用底盤設計制造水平的不斷提高是客車行業賴以發展的基礎。同時，底盤作為平臺化戰略的主要對象，它的快速設計與開發對企業產品平臺化戰略的實施也必將產生積極的作用。

關鍵詞：UG；客車底盤三維參數化；總布置設計系統

當今發達國家的汽車產品設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）進行一般的設計計算和三維制圖，還進行包括設計參數的優化計算、設計結果的分析與仿真等在內的一系列計算機輔助設計和開發活動。

一、系統特點

1.專用的總布置設計工具。針對底盤總布置設計的特點，定制了專用的總布置工具，實現一些關鍵零部件的快速搜索、定位、修改等。

2.快速的動力系統初步設計工具。根據整車性能要求，快速計算出動力系統各關鍵零部件的性能參數，為總布置設計奠定基礎。

3.總布置方案的實時分析。通過兩次開發手段建立性能分析模塊，可以對底盤各子系統如轉向系統、制動系統進行分析計算，對整車的動力性和操穩性進行初步計算。

4.操作方便的圖形數據庫。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據庫的形式保存起來，形成圖形數據庫，同時建立與圖形數據庫相關的信息數據庫。信息數據庫分為表管理對象、設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計信息庫以及圖形部件庫動態地進行查詢和更改管理。通過圖形管理對象對部件、組件以及整個底盤設計進行管理。

5.系統配置可按照需求改變。由于整個系統是自主研發的，可以根據不同種類汽車的要求對系統進行改動，其應用模塊可以很容易地移植到客車、卡車等底盤的設計上面，以滿足用戶的需求。

二、基于UG的客車底盤三維參數化總布置設計系統

1.系統功能。一是動力系統設計模塊。通過建立燃料電池動力系統設計模塊，提高動力系統設計效率。根據整車性能要求，計算動力系統關鍵零部件，如蓄電池、電機與驅動器、燃料電池發動機、DC /DC變換器等性能參數。二是底盤總布置設計模塊。設計人員通過總布置設計模塊可以了解當前設計過程裝配布置的情況，查詢圖形數據庫和設計信息數據庫，將符合要求的組件裝配布置在當前設計項目中。在裝配過程中提供預覽，簡化裝配數據圖形，進行快速裝配，可以方便地對底盤進行布置修改、移除組件、重新定位組件以及完全裝載組件。總布置設計模塊采用自頂向下的裝配方法，首先建立裝配結構即裝配關系，支持并行設計，用戶可同時對不同的組件進行設計。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行幾何分析和性能分析。通過幾何分析，用戶可以動態地

讀取整車的一些幾何信息，如整車質量、質心坐標、迎風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如制動系統、轉向系統等進行分析計算，以及整車的動力性、操穩性初步計算等，并能夠根據國家法規對計算結果進行初步評價。

2.三維參數化總布置的實現。一是底盤坐標系及總成自身坐標系。客車底盤總布置設計是在三維環境下進行的，為此系統需要引入底盤坐標系和總成坐標系。兩種坐標系均采用通常的右手直角坐標系，零部件三維參數化模型傳統的設計過程中，原有的幾何模型是設計者用固定的尺寸值得到的，零件的結構形狀不能靈活地改變，一旦零件尺寸發生改變必須重新繪制相應的幾何模型。所謂參數化設計即以一定量的參數控制零件的幾何模型，通過修改參數而改變幾何模型，從而改變零件的結構尺寸。利用參數化技術進行設計時，圖形的修改非常容易，用戶構造幾何模型時可以集中于概念和整體設計，因此可以充分發揮創造性，提高設計效率。二是參數化底盤總體裝配樹型結構。在裝配體中各個組成的零件和子部件之間構成了裝配關系樹。在建立底盤裝配模型之前，需要先建立好底盤參數化總裝配的樹型結構。參數化總裝配樹型結構的根節點為我們所要建立的底盤文件，各大總成作為樹型結構的一級子節點，對于復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點。父節點與子節點之間的關系由相關參數聯系，這些參數包括配合參數和安裝定位參數圖，在該樹型結構中，不同分支的節點之間存在著限制或約束關系，所以在確定總成及零部件的安裝位置時需要對該節點增加相關參數或安裝位置的限定。三是干涉檢查及基本運動校核。在干涉檢查是靜態的，只有當用戶發出命令時才進行。沒有一個動態的、智能的干涉檢查功能隨時對裝配件進行干涉檢查。我們通過二次開發，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行檢查，一旦發現有干涉現象，馬上提示用戶進行修改。在進行總布置設計時，一項重要的工作就是對各相對運動的零部件進行運動校核。其中包括轉向輪極限轉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動機的油底殼發生干涉；對于后驅動車型，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的設計選擇。因此必須對鋼板彈簧的運動進行校核。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，根據弧高決定板簧的彎曲方向，然后修改相應參數，板簧如向上彎曲則使同時根據計算調整板簧彎曲半徑，如向下彎曲則同時調整板簧彎曲半徑。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。

3.參數數據庫。一是底盤及整車車型參數數據庫。汽車設計在某種程度上也是一種積累的過程。企業已有產品以及國內外樣車的車型數據，蘊涵著設計者的經驗和知識，對于設計新產品具有很重要的借鑒作用。車型參數數據庫將車型尺寸及結構型式數據信息和產品開發過程集成起來，創造出一種透明度很高的虛擬環境，能適應復雜多變的變型設計的需求，保證在整個產品生命周期中使產品數據具有一致性定義的條件下，進行產品設計的數據管理和過程控制。除車型基本參數外，對于發動機和變速器等與底盤基本性能密切相關的總成，它們的性能參數也分別進行了建庫工作，以便于在底盤總布置時進行匹配和選型。二是底盤及整車設計標準庫。進行汽車設計時，無論是尺寸參數、質量參數，還是性能參數，都必須首先滿足相關法規的要求。滿足技術法規要求是底盤總布置設計的前提和基本出發點之一。為此，我們將與底盤及整車設計相關的國家標準、標準等以網頁的形式集成到底盤總布置設計系統，通過可以隨時調用進行查閱。對于簡單的標準要求如對汽車外廓尺寸的要求等，我們還將其從標準中抽取出來作為總布置時的重要設計依據，實現設計標準在總布置過程中的實時動態監控，當用戶的輸入不符合法規和標準要求時系統將給出相關提示。

在建立底盤零部件三維參數化圖形庫、底盤及整車車型參數數據庫、底盤及整車設計標準庫的基礎上，通過軟件進行二次開發，建立了集成于環境下的客車底盤參數化三維總布置設計系統。到目前積累了大量的設計數據，為該軟件提供了應用基礎。

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