結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真在鐵路客車中的應(yīng)用研究

呂昊

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062）

隨著我國軌道車輛裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，軌道交通產(chǎn)業(yè)需求不斷增加，軌道交通產(chǎn)業(yè)已成為我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展重要組成部分。生活水平質(zhì)量的提升使人們對軌道交通提出了更高的要求，不僅要保障人們出行安全，同時也要滿足人們對功能化、智能化的需求。若想滿足人們這些方向的需求，就必須通過先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造體系，不斷地改進(jìn)數(shù)字化工業(yè)設(shè)計(jì)施工，進(jìn)而滿足人們對軌道交通的多樣化需求。

1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及模擬仿真

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)的創(chuàng)建。鐵路客車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的前提和基本條件是構(gòu)建結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，其主要作用就是可以隨時對鐵路客車的各部件結(jié)構(gòu)之間的裝配關(guān)系進(jìn)行適時查看，更可以對鐵路客車整體的裝配優(yōu)缺點(diǎn)、動態(tài)等進(jìn)行有效的掌握，進(jìn)而有效地優(yōu)化整體鐵路客車的設(shè)計(jì)。

當(dāng)前，三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中得以廣泛的應(yīng)用。建立結(jié)構(gòu)主要是按照相同類型的鐵路客車和使用典型車輛為平臺創(chuàng)建，然后再依據(jù)實(shí)際的狀況完善系統(tǒng)建立存在的不足。結(jié)構(gòu)建立要依據(jù)鐵路客車的要求，針對零部件的特征、安裝點(diǎn)以及特點(diǎn)進(jìn)行建立。

（2）零部件的設(shè)計(jì)。完成結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)后，就要設(shè)計(jì)鐵路客車的零部件，零部件的設(shè)計(jì)和鐵路客車的整體緊密地聯(lián)系在一起。

（3）三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中的重要內(nèi)容主要是三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在以后一定可以成為設(shè)計(jì)的發(fā)展形勢。運(yùn)用PROETOOLKIT得以二次開發(fā)可以構(gòu)建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文件類型、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)任務(wù)書以及結(jié)構(gòu)對象，進(jìn)一步完成CROE三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（4）EBOM表的輸出。零件明細(xì)系統(tǒng)的輸出功能可以使得工藝裝配人員完整地把結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員的每項(xiàng)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確的提取出，并且通過EBOM表展現(xiàn)出來。

1.2 模擬仿真

在完成EBOM設(shè)計(jì)任務(wù)后，考核設(shè)計(jì)能否科學(xué)、完善成為了設(shè)計(jì)內(nèi)容真實(shí)滿足實(shí)際生產(chǎn)需求的重要內(nèi)容。借鑒之前的經(jīng)驗(yàn)，以前的CAD圖紙已經(jīng)不能滿足模擬仿真驗(yàn)證，根據(jù)這種情況，選擇PDM三維數(shù)字化設(shè)計(jì)通過計(jì)算機(jī)來完成模擬的裝配仿真和驗(yàn)證。以下是幾個步驟：首先，先構(gòu)建模擬的裝配場景，要借鑒之前裝配經(jīng)驗(yàn)構(gòu)建模擬裝配場景，模擬裝配場景可以體現(xiàn)出實(shí)際的裝配問題；其次是構(gòu)建所有鐵路客車的行為模型以及資源之間相關(guān)聯(lián)，要想得到資料庫分類構(gòu)造中需要進(jìn)行仿真工序有關(guān)的結(jié)構(gòu)、工具等，對全部需要利用到的資源進(jìn)行行為建模；最后，實(shí)現(xiàn)模擬裝配，三維數(shù)字化模型是模擬裝配仿真所使用的技術(shù)，要先將數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)先重組，然后依據(jù)資源庫中的真實(shí)零部件的裝配流程、技術(shù)參數(shù)，充分地按照裝配的設(shè)備結(jié)構(gòu)、臺位和班組等加以模擬仿真。在設(shè)計(jì)的過程中不僅要各個組件裝配性符合規(guī)定，還要保證裝配人員在裝配過程中的可執(zhí)行性以及舒適感，以便于有效地檢查裝配人員在裝配過程中是否存在疲勞、不容易操作以及受到空間約束等問題。依據(jù)全部的模擬仿真結(jié)果對裝配組件的設(shè)計(jì)進(jìn)行合理的優(yōu)化，這樣不僅可以滿足鐵路客車真實(shí)需求以及技術(shù)的需求，而且還可以使裝配人員在裝配過程中更加方便。

2 高鐵列車中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真的應(yīng)用

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)建。高鐵列車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師需要以3D模型的方式，呈現(xiàn)設(shè)計(jì)內(nèi)容，進(jìn)而設(shè)計(jì)好高鐵列車結(jié)構(gòu)，從而為廣大人民群眾提供優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。本次主要以PDMLINK-CREO軟件作為基礎(chǔ)模塊完成三維結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作內(nèi)容。設(shè)計(jì)師可以從以下兩個方面開展設(shè)計(jì)活動。一方面，設(shè)計(jì)師可以根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)以及既有的模塊化平臺，自主創(chuàng)建優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；另一方面，設(shè)計(jì)師可以從軟件當(dāng)中的PARTSOLUTIONS零件庫中選擇產(chǎn)品或者零件，并依據(jù)設(shè)計(jì)方案調(diào)整結(jié)構(gòu)，以便做出更加人性化的高鐵列車結(jié)構(gòu)。圖1為PDM車體模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)圖。

圖1 PDM車體模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

（2）零件設(shè)計(jì)。高鐵列車師在設(shè)計(jì)完車輛總體的結(jié)構(gòu)后，就需要做好結(jié)構(gòu)的細(xì)化工作。比如，設(shè)計(jì)師需要以全面的角度設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)中所使用的零件，以便確保結(jié)構(gòu)的完整性。與此同時，設(shè)計(jì)師需要在軟件中三位模型及圖紙等以平面或者立體的方式呈現(xiàn)出來，以便做好進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。

（3）三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是整個工作的重點(diǎn)。隨著結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的快速發(fā)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)勢必將成為三維設(shè)計(jì)發(fā)展的潮流。因此，設(shè)計(jì)師要深入學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相關(guān)知識。如今，三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)愈加受到人們的關(guān)注。三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具體設(shè)計(jì)內(nèi)容如下。第一，在PDM中創(chuàng)建總體結(jié)構(gòu)類型、部件對象；第二，在PDM中優(yōu)化設(shè)計(jì)內(nèi)容；第三，保存模型；第四，電子簽審設(shè)計(jì)內(nèi)容；第五，各部門分類管理。

（4）明細(xì)表EBOM輸出。設(shè)計(jì)師在做完整個設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)以后要把設(shè)計(jì)工作內(nèi)容生成明細(xì)報(bào)表，進(jìn)而引導(dǎo)生產(chǎn)制造部門加工零件，從而提高生產(chǎn)制造效率。

2.2 仿真分析

（1）構(gòu)建虛擬仿真分析場景。依照現(xiàn)車裝配要求，模擬車間工作環(huán)境，進(jìn)而優(yōu)化裝配設(shè)計(jì)，從而更好地開展真實(shí)的工作。

（2）資源關(guān)聯(lián)及行為建模。整理PDM資源庫內(nèi)容和仿真工序，并為其進(jìn)行行為有限元網(wǎng)格建模。

（3）虛擬裝配實(shí)現(xiàn)。第一，在PDMLINK-CREO中創(chuàng)建3D模型；第二，運(yùn)用有限元分析軟件重構(gòu)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真分析設(shè)計(jì)；第三，進(jìn)行部件干涉檢查工作；第四，測試各部位零件之間的配套性，如圖2所示。

3 結(jié)語

圖2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真分析

本文通過對鐵路客車中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真的理論應(yīng)用進(jìn)行闡述，以高鐵列車為例，運(yùn)用PDMLINK-CREO 軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與有限元仿真。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在鐵路客車設(shè)計(jì)中具有很大的優(yōu)勢，不僅可以縮短設(shè)計(jì)周期，提升設(shè)計(jì)效率。仿真分析則是對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的驗(yàn)證，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)是否可以滿足實(shí)際需求，通過檢驗(yàn)結(jié)果對設(shè)計(jì)中的不足進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，進(jìn)而推動了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)在軌道交通的大批量工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用，拓展應(yīng)用市場，促進(jìn)軌道車輛產(chǎn)業(yè)鏈的完善和發(fā)展。